[01214875]CO2/润滑油混合物管内流动沸腾换热和压降特性研究

随着能源和环境危机的加剧,人工合成制冷剂由于有较大的ODP和GWP,使用备受限制,自然工质CO2由于其独特的性能又重新受到重视。但是CO2系统在运行中难免存在润滑油,润滑油的存在会对CO2换热过程产生影响。基于此本文以CO2管内流动沸腾换热过程为研究对象,从机理分析入手,理论分析计算和实验测试相结合,重点研究PAG润滑油的含量、蒸发温度和热流密度对CO2管内流动沸腾换热的影响。目前国内对CO2/PAG在小通道内流动沸腾换热的研究较少,本课题对CO2跨临界循环系统的优化设计及CO2高效紧凑换热器的开发具有指导意义,而且对提高CO2跨临界循环制冷系统的效率,促进其推广应用具有重要的实际意义,可从根本上解决常规工质引起的臭氧层破坏和温室效应等环境问题。 课题主要成果如下所示： （1）首先对CO2制冷系统常用的润滑油的特性进行了分析。主要分析了润滑油的粘性、流动性、互溶性以及稳定性。对CO2/润滑油的热物性参数进行了分析,建立了计算模型; （2）通过对临界气相夹带速度的计算发现,CO2的临界气相夹带速度明显低于其它几种制冷剂,CO2较其它几种制冷剂出现环状流早,气相对液滴的夹带比常规制冷剂剧烈; （3）针对CO2流动沸腾特点,计算了CO2在4mm铜管内发生核态沸腾的抑制干度,并与其它四种制冷剂进行比较,发现在相同的温度下,CO2的核态沸腾抑制干度明显高于其它四种制冷剂,CO2在管内流动时比常规制冷剂发生干涸早; （4）选择合适的关联式计算管子上部干涸前后换热系数随各参数的变化情况,而且分析了管子上部干涸后换热系数急剧下降的原因,提出相应的改进措施。并对CO2流动沸腾换热过程中的两相流动压降进行了分析和模型建立; （5）对实验台进行管长设计计算和质量流量设计计算,结合实际情况,确定实验段管长为2m,质量流量选择3-6kg/h,确定了CO2管内流动沸腾换热的计算模型; （6）运用所选换热关联式对所确定的计算模型进行了热力计算。发现在发生干涸前,CO2管内流动沸腾换热系数随着蒸发温度、热流密度的升高而不断增大,质量流量对换热系数影响不大; （7） 对CO2/PAG的溶解性能进行可视化观测,发现PAG在CO2中溶解度较小,快速降压过程证明了PAG对CO2的溶解特性; （8）建立CO2管内流动沸腾换热实验台,并依此实验台完成PAG润滑油的含量对CO2管内流动沸腾换热系数的影响,得到如下结论：润滑油的加入降低了CO2管内流动局部换热系数;润滑油浓度为0.03%时,换热系数下降较大,继续增大含油量,换热系数下降的趋势减缓。 （9）通过分析与比较,开发了CO2/润滑油混合物的沸腾换热模型。采用Jung关联式预测干涸前的实验值,绝对误差为6.69%左右,使用Cheng在2008年改进的公式计算干涸后的换热情况,绝对误差在8.6%左右。 自然工质CO2具有优良的热物理特性和环境特性,是环害工质的永久性替代物,可从根本上解决常规制冷工质的替代问题,以及臭氧层破坏和温室效应等环境问题。本项目从理论和实验两方面紧密围绕CO2/润滑油混合物的沸腾传热机理,以及沸腾换热和压降特性进行研究,综合考虑不同参数的影响程度,回归修正因子计算式,得到完善的沸腾换热和压降计算模型。研究成果不仅对CO2蒸发器的优化设计以及新产品开发具有重要的理论指导意义,而且对提高CO2跨临界循环制冷系统的效率,促进其推广应用具有重要的实际意义,可从根本上解决常规工质引起的臭氧层破坏和温室效应等环境问题。而且可用于CO2汽车空调、热泵热水器、冷水机组、风冷热泵等新型产品的开发应用,大大提高产品的效率,达到节约能源,降低排放的目的,增强其与常规制冷剂产品的竞争力。所以本课题是环境保护和节约能源的重要课题,对制冷空调领域实现可持续发展具有非常重要的社会意义、经济意义与战略意义。