二氧化碳微通道平行流氣冷器傳熱與流動(dòng)特性研究.pdf

1、隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源與環(huán)境問(wèn)題已成為制約人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，例如:最近幾年的霧霾天氣。所以，國(guó)際制冷界越來(lái)越重視和提倡使用天然工質(zhì)。氟利昂（包含HCFC和CFC）等制冷劑對(duì)臭氧層有嚴(yán)重的破壞作用并且會(huì)引發(fā)溫室效應(yīng)，其替代品的研制已成為近年來(lái)國(guó)際制冷界的研究重點(diǎn)。天然工質(zhì)二氧化碳作為一個(gè)不易燃的，無(wú)毒的天然流體，具有零ODP（臭氧消耗潛能）和零有效的GWP（全球變暖潛能）。二氧化碳在安全性、可燃性、優(yōu)良的熱物理特性

2、（比熱容、蒸發(fā)潛熱和粘度等）等方面具有不可匹配的優(yōu)勢(shì)，因此，成為天然制冷工質(zhì)中的首選[1]。微通道平行流氣冷器以其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和高效的換熱效率，在跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用。
　　本文通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)二氧化碳在平行流氣冷器通道內(nèi)的流動(dòng)和換熱性能做了系統(tǒng)的研究，重點(diǎn)分析了平行流氣冷器管內(nèi)和管外的流動(dòng)和換熱特性。論文主要的研究工作及結(jié)論如下:
　　1、二氧化碳的物性進(jìn)行了詳細(xì)的研究。二氧化

3、碳臨界區(qū)的界定、臨界現(xiàn)象、假臨界點(diǎn)溫度與壓力的關(guān)系、臨界點(diǎn)物性的變化等現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的研究。結(jié)果表明，二氧化碳物性不同于一般常態(tài)工質(zhì)，在臨界點(diǎn)附近，物性出現(xiàn)劇烈的變化，尤其定壓比熱容變化更為急劇。
　　2、目前存在的關(guān)聯(lián)式均不能很好的給出二氧化碳在管內(nèi)的換熱特性，本文以二氧化碳在套管管內(nèi)的對(duì)流換熱為研究對(duì)象，分析了管徑分別為2mm、0.4mm時(shí)，二氧化碳參數(shù):進(jìn)口壓力、進(jìn)口Re數(shù)、流動(dòng)方向、管徑，冷卻水進(jìn)口Re數(shù)對(duì)壁面溫度、流體溫

4、度、浮升力及換熱系數(shù)的影響，獲得了新的換熱關(guān)聯(lián)式。新的換熱關(guān)聯(lián)式引入表征浮升力對(duì)換熱影響大小的無(wú)量綱數(shù)Bo*，對(duì)現(xiàn)有有關(guān)二氧化碳在管內(nèi)的對(duì)流換熱研究，提供有效補(bǔ)充。
　　3、對(duì)平行流氣冷器管內(nèi)流體通道建立三維模型，使用(火積)及(火積)耗散理論對(duì)氣冷器流量分配進(jìn)行優(yōu)化研究，通過(guò)公式推導(dǎo)和編程對(duì)由于流量分配不均勻度導(dǎo)致的(火積)耗散—熱量傳遞勢(shì)能的損失進(jìn)行直觀的描述。結(jié)果表明，氣冷器最優(yōu)的組合為扁管間距為8.6mm，扁管與集流管的組

5、合深度為0.5，扁管長(zhǎng)度越長(zhǎng)(火積)耗散越小，具體尺寸視實(shí)際需要而定，結(jié)論為新產(chǎn)品的工程應(yīng)用提供參考。
　　4、基于傳統(tǒng)百葉窗通道，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，分析了百葉窗傾角、長(zhǎng)度、間距和翅片間距、厚度、高度等幾何參數(shù)對(duì)流體流動(dòng)和傳熱性能的影響。并采用田口方法對(duì)9種模型的綜合性能及上述因素對(duì)整體換熱效率貢獻(xiàn)率的大小進(jìn)行研究。結(jié)果表明，翅片高度對(duì)矩形百葉窗整體換熱性能影響最大，百葉窗間距和百葉窗長(zhǎng)度次之，百葉窗傾斜角度和翅片厚度對(duì)其性能

6、影響最小。
　　5、本文新提出的兩種變角度百葉窗結(jié)構(gòu)和現(xiàn)研究較多的兩種變角度百葉窗結(jié)構(gòu)與一種均勻角度百葉窗結(jié)構(gòu)，建立三維模型，對(duì)5種模型的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行分析，并對(duì)5種結(jié)構(gòu)在不同Re數(shù)時(shí)進(jìn)行綜合性能評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，四種變角度百葉窗翅片的綜合性能均優(yōu)于均勻角度的百葉窗翅片綜合性能，且本文提出的一種變角度百葉窗翅片結(jié)構(gòu)目前綜合性能最好。
　　6、基于強(qiáng)化對(duì)流換熱理論提出了一種新型高效的百葉窗結(jié)構(gòu)通道，綜合研究了新型流道

7、內(nèi)的流體流動(dòng)與傳熱特性，研究發(fā)現(xiàn)，新型百葉窗翅片具有較高的綜合能效因子，擬合出了新型百葉窗翅片結(jié)構(gòu)傳熱j因子與阻力f因子的計(jì)算關(guān)聯(lián)式。
　　7、設(shè)計(jì)、制作了一套有關(guān)新型百葉窗通道的流體流動(dòng)冷模實(shí)驗(yàn)裝置，采用激光多普勒測(cè)速儀對(duì)百葉窗流道中的關(guān)鍵位置點(diǎn)的速度進(jìn)行了測(cè)量，并將實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，誤差在工程允許范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果所產(chǎn)生誤差的