二氧化碳热泵系统中气体冷却器的数值模拟与实验研究

摘要

基于现有氟氯烃类制冷剂的种种不足之处，二氧化碳工质作为制冷剂的跨临界热泵机组对臭氧层无破坏、温室效应潜能极小；系统稳定性高、安全性好；并且具有较高的制热能效比而引起广泛的关注与研究。国内二氧化碳热泵机组基本都是集中于大型工业商业化的大型设备，而针对中小型家庭，其普及使用率还处于特别低的水平。为此需要对小型二氧化碳热泵机组进行设计并进行相关换热特性的实验研究，在加深气冷器对换热影响理解的基础上，能够为今后CO2小型化的应用普及提供相关技术支持与参考。
　　本文从理论设计和现场实际应用方面开发了一套用于家庭小型CO2热泵系统，并对系统中的主要换热部件进行了计算选型，确定了主要设备的结构形式，在搭建实验台的基础上对相关实验方案进行了概括。本文通过Fluent对气体冷却器中不同结构形式的换热内管采用了数值模拟的方法进行了分析，一种模型是水平涡状管，模拟通过改变制冷剂质量流量及管径的大小，分析了格拉晓夫数以及传热系数的变化情况及其变化产生的原因；另一种模型是扭曲螺旋管，研究了在不同质量流量前提下扭距为100 mm及无扭曲状态下的水平椭圆管管内超临界CO2换热特性及二次流的变化规律，并引入了局部换热系数和压降研究了长短轴比及扭矩对扭曲管换热性能的影响。总结出了气体冷却器中换热内管的结构形式决定着系统换热能力的大小。
　　本文针对5匹小型二氧化碳热泵进行了选型设计并针对气体冷却器不同结构形式内管进行了数值模拟，为今后的实验研究提供了充足的理论依据与数据参考。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 二氧化碳热泵技术的国内外研究现状

1.3 跨临界CO2热泵循环效率提升的方法

1.4 跨临界CO2热泵循环强化传热的研究

1.5 本文的研究内容及意义

第2章 CO2热泵机组主要换热部件的计算与选型

2.1 CO2热泵机组原理图

2.2 压缩机的计算与选型

2.3 气冷器的设计

2.4 蒸发器的设计

2.5 回热气换热面积的确定

2.6 气液分离器的选型设计

2.7 风机的选型设计

2.8 油分离器的选型设计

2.9 本章小结

第3章 基于采用水平涡状管的气冷器内CO2换热特性的数值模拟

3.1 物理模型与数学模型的建立

3.2 边界条件的设定

3.3 网格无关性验证

3.4 模拟结果及分析

3.5 本章小结

第4章 基于采用扭曲椭圆管的气冷器内CO2换热特性的数值模拟

4.1 物理模型的建立

4.2 数值模拟求解设置

4.3 网格无关性验证

4.4 模拟结果及分析

4.5 本章小结

第5章 小型CO2热泵系统实验方案设计

5.1 实验系统的布置

5.2 实验方案的设计

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢