超临界CO2在螺旋管内冷却换热的（火用）分析及综合换热性能研究

摘要

作为一个自然工质，CO2因其环境友好性且具有良好的热物性等优点成为替代型工质被广泛应用于 CO2热泵和空调系统中。其关键部件螺旋管绕管式气体冷却器由于结构紧凑、换热性能较好对提升 CO2热泵和空调系统的系统性能具有积极的作用。为了实现系统中可用能的合理利用，提高系统和部件性能，研究换热过程中的不可逆损失是很有必要的。综合考虑换热和阻力损失两种因素，寻求最佳的工质运行工况以及使综合换热性能较高的螺旋管结构对螺旋管式换热器的优化设计以及 CO2热泵和空调系统性能的提升也具有重要的意义。因此，本文采用实验和数值模型计算的方法对超临界 CO2在螺旋管内冷却换热过程中的不可逆损失及其综合换热性能进行分析，并对其运行工况进行优化，分析使得螺旋管综合换热性能较高的螺旋管结构。　　通过实验研究了超临界 CO2在螺旋管内的冷却换热特性，基于(火用)分析的方法分析其换热过程的不可逆性。实验的质量流率范围为 159kg/(m2s)~954.9kg/(m2s)，螺旋管管径范围为2~5mm，盘径范围为36mm~120mm，雷诺数范围为10122~87456，入口温度范围为 295K~330K。推导得到了恒热流密度情况下实际气体在螺旋管内冷却换热时的无量纲(火用)损计算式，结合测得的实验数据研究了质量流率、热流密度、压力和螺旋管管径等对超临界 CO2在螺旋管内冷却换热过程中无量纲(火用)损的影响。研究结果表明，超临界 CO2工质冷却换热时，由换热的不可逆性引起的(火用)损远大于由摩擦阻力引起的(火用)损。相对于热流密度，最优雷诺数受质量流率和管径的影响更大。在对管径为3，4，5mm的螺旋管进行分析时，发现在管径一定时存在合适的雷诺数范围使得无量纲(火用)损更小，可用能利用率更高。根据无量纲(火用)损的计算以及影响因素的研究，提出了与热流密度、质量流率、管径等参数相关的三个无量纲参数，并基于不可逆损失最小化原理得到与这三个无量纲参数有关的最优雷诺数预测关联式。对于螺旋管结构参数确定的热力系统，可通过最优雷诺数关联式选择合适的运行工况从而使热力系统达到更高效的能量利用。　　为了研究螺旋管作为强化换热管较之直管的换热性能提升能力，根据超临界CO2在直管及实验获得的其在螺旋管内的换热和流动经验关联式，利用换热性能评价准则PEC将换热和流动阻力同时考虑在内，建立评价螺旋管综合换热性能的计算模型。研究了曲率、热流密度、质量流率、流体温度以及螺旋管结构参数对螺旋管综合换热性能的影响。研究结果表明，在所研究的曲率范围内，曲率越大即曲率为0.3时螺旋管的综合换热性能较直管更强。得到不同工况下的曲率临界值，只有当曲率大于曲率临界值时螺旋管作为强化换热管才有使用的价值。在不同运行工况下，PEC 值达到最大时所对应的管径均为满足限定条件时的最小管径。综合计算结果发现，在所研究的范围内，当管径为1mm，螺旋管盘径为3.3mm，热流密度为5kW/m2，质量流率为800kg/(m2·s)，流体温度为320K时，PEC值达到最大，其最大值为 3.1268。期望以上研究可以对以超临界 CO2为换热工质的螺旋绕管式换热器的工程应用以及优化设计提供一定的理论基础。

目录

主要符号表

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的及意义

1.4 本课题研究内容和方法

2 超临界CO2在螺旋管内冷却换热实验系统

2.1 实验系统介绍

2.2 实验装置

2.3.1 测试段结构

2.3.2 运行工况

2.4 实验步骤

3 实验结果分析与讨论

3.1 实验数据处理

3.2 实验台验证及不确定度分析

3.3.1 热流密度的影响

3.3.2 质量流率的影响

3.3.3 压力的影响

3.3.4 螺旋管结构的影响

3.4 换热关联式的拟合

3.5 (火用)分析方法

3.6 由换热引起的(火用)损与摩擦引起的(火用)损的比较

3.7 不同参数对(火用)损的影响

3.7.1 热流密度的影响

3.7.2 质量流率的影响

3.7.3 压力的影响

3.7.4 螺旋管管径的影响

3.8 最优雷诺数关联式的拟合

3.9 本章小结

4 螺旋管综合换热性能分析

4.1 换热性能评价准则（PEC）计算模型

4.2.1 热流密度的影响

4.2.2 质量流率的影响

4.2.3 流体温度的影响

4.3.1 曲率的影响

4.3.2 管径和盘径的单独影响作用分析

4.4 本章小结

5 主要结论和展望

5.1 主要结论

5.2 未来展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目

C 学位论文数据集

致谢