二氧化碳跨临界循环换热与膨胀机理的研究

本研究课题受到国家自然科学基金资助(No.59876028)和高等学校博士学科点专项科研基金(No.D0200105)的资助,同时也是天津大学“211工程”重点学科建设项目(TD211-95-0106)的支持项目。本文以自然工质CO2为研究对象,重点探索与解决CO2跨临界循环系统研究中所面临的传热和膨胀功回收问题,使其在节能和环保两方面获得双重收益,为二氧化碳向实用化迈进提供了理论指导和实践经验。概括起来讲,本文的研究内容主要有以下几个方面: (一)二氧化碳跨临界水—水热泵的理论和实验研究通过对带回热器的CO2跨临界热泵循环进行的热力学分析,得出了系统的内部参数对循环效率的影响及其变化规律,并计算了热泵工况下最优压力的存在范围和最高COP的大小。在此基础上,对CO2跨临界热泵系统进行了实验研究,验证了理论分析的正确性,并得出了循环性能随系统内、外部参数的变化规律和特性。通过与理论计算结果的对比,认为系统的循环效率偏低,并分别从热力学和传热学角度分析了效率偏低的原因,由此提出了提高系统循环性能的途径:一是研制膨胀机以回收膨胀功,二是优化换热器,以提高换热性能。 (二)超临界流体换热的理论和实验研究。利用MBWR状态方程计算得出了二氧化碳的热物性变化规律,结果表明,其比热、密度、粘度和导热系数在临界点附近都发生剧烈的变化。为此,作者重新定义了二氧化碳的临界区范围,并提出了超临界流体换热的处理原则。在此基础上,研制了超临界二氧化碳换热实验台,对超临界二氧化碳在管内被水冷却时的换热特性进行了实验研究,得到了二氧化碳循环放热过程的特性和规律。实验结果表明,该条件下,CO2的换热系数都大于常物性的计算结果,即都是有利于换热的,其增强程度在25%～300%范围内。在通常的热泵工况下,其浮力的作用是可以忽略的。此外,作者从“变物性”的观点分析了放热过程的机理,并对气体冷却器的优化设计提出了一些有益的思考和建议。最后,总结出了超临界二氧化碳换热的实验关联式,经误差分析,该关联式能很好地表达含润滑油的超临界CO2在气体冷却器中的换热规律。 (三)二氧化碳膨胀机的理论研究与样机的研制通过对二氧化碳跨临界系统理论循环的热力学分析,得出了系统各个部件的有效能损失情况和膨胀功所占的比例。结果表明,循环中节流阀的不可逆损失最大,如果用膨胀机代替节流阀,理论制冷系数可提高82%。然后,从非平衡态热力学的角度出发,对膨胀机内部工质膨胀过程的机理进行了研究,认为超临界流