CO2跨临界双级循环理论分析与试验研究

论文摘要

基于节能减排的背景和发展趋势,CO2制冷空调和热泵具有很好的应用前景。通过理论分析与试验测试相结合,本文重点对CO2跨临界双级循环进行研究与分析,为探寻高效、稳定运行的CO2跨临界循环方式提供基础资料。运用热力学方法,在三种CO2跨临界单级循环基准上,分别对六种双级循环进行了理论分析。结果表明,带膨胀机双级循环性能普遍优于带节流阀循环,双级循环优于单级循环,中间冷却器和回热器对循环效率的提高都有贡献。考虑膨胀机设计和加工因素,作为应用基础研究的第一步,CO2跨临界双级中间冷却器带节流阀循环TSCV+IC是一种有发展前景的CO2跨临界循环方式。在现有条件下改制了一台CO2双级活塞压缩机,并以其为对象进行了热力学和运动学计算,并就压缩过程的各种不可逆损失进行了计算。由于采用了双级压缩,在各种损失中,流动损失和摩擦损失所占比例较大,而泄漏损失和传热损失所占比例较小。基于双级循环系统及超临界和亚临界CO2传热和流动过程分析,分别对CO2跨临界双级循环高、低压级气体冷却器和中间冷却器进行了分析与结构设计,可为CO2相关换热器的设计提供依据。对CO2跨临界单级带回热器循环SCV+IHX和CO2跨临界单级带节流阀循环SCV两种基准试验分别进行了性能对比测试,同时测试了气体冷却器、回热器和套管式蒸发器的性能,为CO2跨临界双级循环设计和优化提供对比试验数据。CO2跨临界双级循环试验测试表明,在中间压力或中间温度变化范围内,CO2跨临界双级中间冷却器带节流阀循环TSCV+IC和CO2跨临界双级两个气体冷却器带节流阀循环TSCV+TG存在最大制冷COPc和制热COPh,且每个循环最大制冷COPc和制热COPh对应的最优中间压力或最优中间温度分别基本相等。相同测试条件下,CO2跨临界双级中间冷却器带节流阀循环TSCV+IC具有较高的性能。其中,制热量Qh和制冷量Qc分别比CO2跨临界双级两个气体冷却器带节流阀循环TSCV+TG平均高约10%和6%,制热COPh和制冷COPc比双级循环TSCV+TG平均高约8%和5%。CO2跨临界双级循环TSCV+IC和TSCV+TG的理论分析与试验测试结果比较吻合。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 环境保护和可持续发展
• 1.1.2 臭氧层破坏和温室效应
• 1.1.3 制冷剂替代研究
• 2 自然工质重新启用'>1.2 CO₂自然工质重新启用
• 2 跨临界系统组成及研究现状'>1.3 CO₂跨临界系统组成及研究现状
• 1.3.1 压缩机
• 1.3.2 膨胀装置及膨胀机
• 1.3.3 换热器
• 2 跨临界单、双级循环研究'>1.4 CO₂跨临界单、双级循环研究
• 2 跨临界单级循环研究'>1.4.1 CO₂跨临界单级循环研究
• 2 跨临界双级循环研究'>1.4.2 CO₂跨临界双级循环研究
• 1.5 本课题研究内容、目的和意义
• 1.5.1 主要研究内容
• 1.5.2 研究目的和意义
• 1.6 本章小结
• 2跨临界单、双级循环性能优化及理论分析'>第二章 CO₂跨临界单、双级循环性能优化及理论分析
• 2 跨临界单、双级循环系统及热力学分析'>2.1 CO₂跨临界单、双级循环系统及热力学分析
• 2 跨临界单级循环系统'>2.1.1 CO₂跨临界单级循环系统
• 2 跨临界双级循环系统'>2.1.2 CO₂跨临界双级循环系统
• 2 跨临界单、双级循环热力学分析'>2.1.3 CO₂跨临界单、双级循环热力学分析
• 2 跨临界单、双级循环性能的影响'>2.2 压力、排气温度和效率对CO₂跨临界单、双级循环性能的影响
• 2 跨临界单级循环性能的影响'>2.2.1 压力、排气温度和效率对CO₂跨临界单级循环性能的影响
• 2 跨临界双级循环性能的影响'>2.2.2 压力、排气温度和效率对CO₂跨临界双级循环性能的影响
• 2 跨临界单、双级循环性能的影响'>2.3 蒸发温度对CO₂跨临界单、双级循环性能的影响
• 2 跨临界单级循环性能的影响'>2.3.1 蒸发温度对CO₂跨临界单级循环性能的影响
• 2 跨临界双级循环性能的影响'>2.3.2 蒸发温度对CO₂跨临界双级循环性能的影响
• 2 跨临界单、双级循环性能的影响'>2.4 气体冷却器出口温度对CO₂跨临界单、双级循环性能的影响
• 2 跨临界单级循环性能的影响'>2.4.1 气体冷却器出口温度对CO₂跨临界单级循环性能的影响
• 2 跨临界双级循环性能的影响'>2.4.2 气体冷却器出口温度对CO₂跨临界双级循环性能的影响
• 2.5 本章小结
• 2双级活塞压缩机工作过程模拟与分析'>第三章 CO₂双级活塞压缩机工作过程模拟与分析
• 2 活塞压缩机简介'>3.1 CO₂活塞压缩机简介
• 2 双级活塞压缩机动力学分析'>3.2 CO₂双级活塞压缩机动力学分析
• 2 双级活塞压缩机曲柄连杆机构的运动关系'>3.2.1 CO₂双级活塞压缩机曲柄连杆机构的运动关系
• 2 双级活塞压缩机中的作用力'>3.2.2 CO₂双级活塞压缩机中的作用力
• 2 双级活塞压缩机曲柄连杆机构受力分析'>3.2.3 CO₂双级活塞压缩机曲柄连杆机构受力分析
• 2 双级活塞压缩机动力平衡'>3.2.4 CO₂双级活塞压缩机动力平衡
• 2 双级活塞压缩机数学模型分析'>3.3 CO₂双级活塞压缩机数学模型分析
• 2 双级活塞压缩机的热力学分析'>3.3.1 CO₂双级活塞压缩机的热力学分析
• 2 双级活塞压缩机的热交换方程'>3.3.2 CO₂双级活塞压缩机的热交换方程
• 2 双级活塞压缩机吸、排气阀的流动方程'>3.3.3 CO₂双级活塞压缩机吸、排气阀的流动方程
• 2 双级活塞压缩机活塞运动方程'>3.3.4 CO₂双级活塞压缩机活塞运动方程
• 2 双级活塞压缩机气阀的运动方程'>3.3.5 CO₂双级活塞压缩机气阀的运动方程
• 2 双级活塞压缩机不可逆损失分析'>3.3.6 CO₂双级活塞压缩机不可逆损失分析
• 2 双级活塞压缩机模拟结果分析'>3.3.7 CO₂双级活塞压缩机模拟结果分析
• 3.4 本章小结
• 2跨临界双级循环换热部件的分析与设计'>第四章 CO₂跨临界双级循环换热部件的分析与设计
• 2 流体换热和压降研究'>4.1 超临界CO₂流体换热和压降研究
• 2 流体换热研究'>4.1.1 超临界CO₂流体换热研究
• 2 流体压降研究'>4.1.2 超临界CO₂流体压降研究
• 2 流体换热和压降的其它因素'>4.1.3 影响超临界CO₂流体换热和压降的其它因素
• 2 气体冷却器和中间冷却器的模型建立和设计'>4.2 CO₂气体冷却器和中间冷却器的模型建立和设计
• 2 气体冷却器的模型建立'>4.2.1 CO₂气体冷却器的模型建立
• 2 中间冷却器的模型建立'>4.2.2 CO₂中间冷却器的模型建立
• 2 气体冷却器和中间冷却器的设计'>4.2.3 CO₂气体冷却器和中间冷却器的设计
• 4.3 本章小结
• 2跨临界单级循环试验研究'>第五章 CO₂跨临界单级循环试验研究
• 2 跨临界单级循环系统'>5.1 CO₂跨临界单级循环系统
• 5.2 试验研究目的、内容与步骤
• 5.2.1 研究目的和内容
• 5.2.2 试验步骤
• 5.3 试验结果与分析
• 2 跨临界单级循环SCV试验结果分析'>5.3.1 CO₂跨临界单级循环SCV试验结果分析
• 2 跨临界单级循环SCV+IHX试验结果分析'>5.3.2 CO₂跨临界单级循环SCV+IHX试验结果分析
• 5.4 本章小结
• 2跨临界双级循环试验研究'>第六章 CO₂跨临界双级循环试验研究
• 2 跨临界双级循环TSCV+IC和TSCV+TG系统'>6.1 CO₂跨临界双级循环TSCV+IC和TSCV+TG系统
• 2 双级活塞压缩机的改造'>6.1.1 CO₂双级活塞压缩机的改造
• 2 油分离器和气液分离器'>6.1.2 CO₂油分离器和气液分离器
• 6.1.3 高、低压级气体冷却器和中间冷却器
• 6.1.4 节流阀
• 6.1.5 蒸发器
• 2 双级循环回油系统'>6.1.6 CO₂双级循环回油系统
• 6.1.7 冷却水和冷冻水系统
• 6.1.8 数据测量系统
• 6.1.9 数据采集和控制系统
• 6.2 试验研究目的、内容与步骤
• 6.2.1 研究目的和内容
• 6.2.2 试验步骤
• 6.3 试验结果与分析
• 2 跨临界双级循环TSCV+IC试验结果分析'>6.3.1 CO₂跨临界双级循环TSCV+IC试验结果分析
• 2 跨临界双级循环TSCV+TG试验结果分析'>6.3.2 CO₂跨临界双级循环TSCV+TG试验结果分析
• 6.4 理论计算和试验测试对比分析
• 6.5 本章小节
• 第七章 结论、创新点及今后研究方向
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 今后研究方向
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢