二氧化碳微通道蒸发器换热特性研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 4.23MB 81 页 15积分

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摘要

随着生活水平的提高，人类的环保意识逐渐增强，温室气体制冷剂面临着被

淘汰的危险，而二氧化碳以其高效及安全这两大特点被公认为是最有前景的替代

制冷剂之一。微通道以其高效、节能等优势被广泛关注，具有广阔的应用前景。

本文将二氧化碳与微通道技术相结合，展开对二氧化碳在微通道蒸发器内沸腾换

热与流动特性的研究，为二氧化碳微通道蒸发器设计提供理论基础，对提高二氧

化碳微通道蒸发器换热特性具有重要的学术意义和实用价值。

本文首先分析已有的二氧化碳在微通道中沸腾换热与流动特性的关联式，全

面考虑各关联式的使用范围及特点，结合本实验台实际情况，对比分析得出适用

于本实验台的二氧化碳微通道蒸发器沸腾及流动关联式。当二氧化碳处于沸腾两

相区，应采用 Cheng 所开发的基于流态的二氧化碳沸腾换热关联式；而在过热段，

当Re≥2300 时，对流换热系数应采用 Gnielinski 关联式，当 Re＜2300 时，对流换

热系数应采用 Sieder-Tate 关联式。分析几种不同形式的摩擦压降模型，得出当

G≥43 kg·m-2·s-1 时，应采用 Jassim 和Mewell 概率型压降模型，当 G＜43 kg·m-2·s-1，

采用 Friedel 分相压降模型更为合理。在此基础上，基于有限元分析法，采用

MATLAB 与REFPROP 相结合技术，综合考虑空气侧干湿工况以及二氧化碳侧两

相段及过热段，建立二氧化碳微通道蒸发器二维分布参数模型。研究各参数对二

氧化碳在微通道中沸腾换热及流动特性的影响，根据模拟结果可知二氧化碳在沸

腾两相区干涸点附近，其对流换热系数达到最大值，干涸现象发生后，对流换热

系数迅速降低，且二氧化碳在过热段压降非常小，远小于两相段压降。搭建二氧

化碳微通道蒸发器沸腾换热特性研究实验台，得出各微元段壁面及空气出口温度

分布情况，并计算出各微元段二氧化碳对流换热系数。对比分析模拟与实验结果，

各参数误差在可接受范围之内，验证所建立数学模型的合理性。采用热红外成像

技术，发现二氧化碳两相流在微通道蒸发器入口处存在较为严重的分液不均现象，

导致其在微通道中出现部分换热恶化的状况，为此提出相应的改进措施。

最后以熵产数这一无量纲来表征二氧化碳在微通道沸腾换热过程中的不可逆

损失，充分考虑微通道蒸发器空气侧干湿工况，对二氧化碳沸腾两相区与过热段

分别建立熵产模型，计算各微元段熵产数，得出各微元段不可逆损失分布情况。

结果表明，二氧化碳在微通道蒸发器中不可逆损失主要由温差传热引起的；过热

段不可逆损失远小于两相段；在干涸点附近微元段其不可逆损失达到最大值。

关键词：二氧化碳微通道蒸发器换热特性有限元熵产数

ABSTRCT

With the improvement of people’s living standards, the awareness of

environmental protection is gradually enhanced. The greenhouse gas refrigerants are in

danger of being eliminated. While carbon dioxide has been regarded as the potential

alternative refrigerant due to its high efficiency and environmental safety. As the

microchannel has the advantages of high efficiency and saving energy, it has been

widely concerned and has broad application prospects. In this paper, the carbon

dioxide and microchannel technology were combined. The heat transfer and flow

characteristics of carbon dioxide boiling in microchannel evaporator were studied. It

provides a theoretical basis for carbon dioxide microchannel evaporator design and has

important academic significance and practical value.

Firstly, the existing carbon dioxide boiling heat transfer and flow correlations in

microchannel were firstly analyzed in this paper. The use scope and characteristics of

the correlation were fully considered. According to the actual situation of the

experiment bench ，the carbon dioxide microchannel evaporator boiling and flow

correlation were obtained through comparison and analysis. When the carbon dioxide

is in a boiling two-phase region in microchannel, Cheng correlations should be used,

because the carbon dioxide flow boiling heat transfer correlation is based on the flow

state. While in superheat region, as the Reynolds number Re≥2300, the Gnielinski

correlation should be applied to solve the convective heat transfer coefficient. However,

when he Reynolds number Re＜2300, the Sieder-Tate correlation should be used to

solve it. Several different forms of frictional pressure drop model were analyzed. If G

≥43 kg •m-2 •s-1, the Jassim and Mewell correlation which is a probabilistic drop

model should be used to work out the frictional pressure drop value in boiling

two-phase region. If G＜43 kg •m-2 •s-1, the Friedel correlation which is a phase

separation type drop mode was suggested to solve the frictional pressure drop value in

boiling two-phase region. On this basis, based on finite element analysis, a steady state

distributed parameter model for microchannel evaporator was established by using

MATLAB combined with REFPROP technology and considering the dry and wet

conditions on air side as well as the overheat condition on carbon dioxide side. The

impacts of various parameters on carbon dioxide boiling heat transfer were studied.

According to the simulation result, the carbon dioxide convective heat transfer

coefficient reaches a maximum near the dryness point in two-phase region. After the

dryness, the convective heat transfer coefficient decreased rapidly. The pressure drop

value in superheat region is smaller than in boiling two-phase region. Then, the

experiment bench of carbon dioxide boiling heat transfer in microchannel evaporator

was build. According to the experiment result, the carbon dioxide and the air outlet

temperature of each segment were gotten. Meanwhile, the convective heat transfer of

carbon dioxide of each segment in microchannel evaporator was calculated.

Comparisons of analytical and experimental data were made to verify and validate the

model. The phenomenon of liquid separation inequality at the inlet of carbon dioxide

evaporator was found by the infrared imaging technology. Because of this, the heat

deterioration phenomenon occurred in microchannel. Several improvement measures

were been put forward to alleviate this problem.

Finally, the irreversible loss of heat transfer process of carbon dioxide in

microchannel was represented by a dimensionless number —entropy generation

number NS. The situation of wet and dry conditions on air side were fully considered.

At the same time, the entropy generation model in boiling two-phase and superheat

region were built separately. The distribution of each infinitesimal segment irreversible

loss was analyzed. The results from the mathematic model showed that system entropy

was mostly caused by temperature difference of heat transfer between carbon dioxide

and air sides. The overheating segment irreversible loss is far less than the two-phase

segment. The irreversible loss of the infinitesimal segment near dry-point reaches the

maximum value.

Key words: carbon dioxide, microchannel evaporator, heat transfer

characteristics, finite element method, entropy generation number

中文摘要

ABSTRCT

第一章绪论..................................................................................................................... 1

1.1 课题研究背景........................................................................................................ 1

1.1.1 制冷剂发展.................................................................................................... 1

1.1.2 跨临界二氧化碳空调与热泵系统............................................................... 2

1.1.3 二氧化碳与微通道相结合技术................................................................... 3

1.2 国内外研究现状.................................................................................................... 4

1.3 本文研究内容及意义............................................................................................ 6

第二章二氧化碳热微通道蒸发器理论研究................................................................. 8

2.1 二氧化碳蒸发器的发展....................................................................................... 8

2.2 二氧化碳在微通道中两相沸腾换热原理............................................................ 9

2.2.1 二氧化碳物性介绍........................................................................................ 9

2.2.2 二氧化碳在微通道中微尺度效应及两相流动特点................................... 9

2.3 二氧化碳在微通道中沸腾换热机理................................................................. 11

2.4 二氧化碳在微通道中沸腾换热主要影响因素................................................. 11

2.5 二氧化碳在微通道中沸腾换热干涸现象分析................................................. 13

2.6 二氧化碳在微通道中换热关联式..................................................................... 13

2.7 二氧化碳微通道蒸发器压降模型..................................................................... 18

2.8 本章小结............................................................................................................. 22

第三章二氧化碳热微通道蒸发器及实验设计........................................................... 23

3.1 微通道蒸发器结构参数...................................................................................... 23

3.2 实验概述.............................................................................................................. 25

3.2.1 二氧化碳微通道换热特性研究实验台...................................................... 25

3.2.2 焓差实验室.................................................................................................. 26

3.2.3 测试及采集系统.......................................................................................... 26

3.3 实验方案.............................................................................................................. 32

3.3.1 实验目的...................................................................................................... 32

3.3.2 实验内容...................................................................................................... 33

3.3.3 实验步骤...................................................................................................... 33

3.3.4 注意事项...................................................................................................... 34

3.4 实验数据处理...................................................................................................... 35

3.5 本章小结.............................................................................................................. 36

第四章二氧化碳微通道蒸发器传热模拟................................................................... 37

4.1 微通道蒸发器模型.............................................................................................. 37

4.1.1 微通道蒸发器物理模型............................................................................. 37

4.1.2 微通道蒸发器数学模型............................................................................. 38

4.2 微通道蒸发器模型计算过程............................................................................. 40

4.3 数值模拟结果...................................................................................................... 45

4.4 本章小结.............................................................................................................. 53

第五章实验和模拟数据处理及分析........................................................................... 55

5.1 二氧化碳微通道蒸发器模拟与实验对比......................................................... 55

5.1.1 二氧化碳微通道蒸发器传热模拟与实验对比......................................... 56

5.1.2 二氧化碳微通道蒸发器流动模拟与实验对比......................................... 59

5.2 二氧化碳微通道蒸发器性能评价指标.............................................................. 61

5.2.1 评价指标...................................................................................................... 61

5.2.2 二氧化碳微通道蒸发器熵产分析.............................................................. 62

5.3 微通道蒸发器的不足和改进方向...................................................................... 66

5.4 本章小结.............................................................................................................. 66

第六章结论与展望....................................................................................................... 68

6.1 结论...................................................................................................................... 68

6.2 本论文创新点...................................................................................................... 69

6.3 展望...................................................................................................................... 69

符号表............................................................................................................................. 70

参考文献......................................................................................................................... 71

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果............................................. 76

致谢................................................................................................................................. 77

第一章绪论

1.1 课题研究背景

1.1.1 制冷剂发展

节能与环保是21世纪科学技术发展的两个重要议题,从1834年使用制冷剂至

今，制冷剂与节约能源和环境保护紧密挂钩。制冷剂是一种通过在制冷系统中不

断的循环，使其状态不断改变实现制冷与供热的物质。在蒸发器内制冷剂通过吸

收外界（空气、水等）的热量，在压缩机的作用下，将这部分热量从冷凝器中排

至周围的环境中（通常为水、空气、土壤等）。从制冷剂对环境的影响方面讲，

制冷剂发展大致可以分为四个阶段，而每个阶段都可以看作是一种类型的制冷剂

替代了另一种类型的制冷剂。

第一阶段，以氨气，二氧化碳，水，等为代表的制冷剂，时间在1834年到1930

年间，这段时间的制冷剂技术处于发展阶段，大部分是从工业品或者自然界获得。

随着制冷技术的发展，对制冷系统的效率要求越来越高，为了减小制冷系统体积，

降低成本，于是就出现了热力性能较好制冷剂。

第二阶段，以R12为代表的氯氟烃（Chloro-fluoron-carbon，简称CFC）类制冷

剂，它们具有不可燃、无毒、无刺激性、不爆炸以及较为适中的压力与较高的制

冷效率等优点，迅速取代了其他的制冷剂，并由此广泛被使用到制冷与供热循环

中去。但由于CFC类制冷剂化学物性非常稳定，在使用不当的情况下，发挥到空气

中去，在紫外线的催化作用下回导致臭氧层的破坏。也正是因为此，CFC这一危害

引起了国内外社会的高度重视。1985年各国达成《保护臭氧层的维也纳公约》，

并于1987年修订《蒙特利尔议定书》。由1990年伦敦会议，到1992年和2009年的

哥本哈根会议对蒙特利尔议定书的修改等等，国际社会签署了一系列减少CFC并最

终取缔CFC的协议[1]。

第三个阶段，以R22为代表的氢氯氟烃（hydro-chloro-fluoron-carbon，简称

HCFC）类和以R134a为代表的氢氟烃（hydro-fluoron-carbon，简称HFC）类制冷剂，

因对臭氧层没有破坏性，现已成为应用较为广泛的制冷剂。虽然R22的破坏臭氧层

潜能（Ozone Depression Potential，简称ODP）为0.045，R134a的ODP值为0，其化

学性质稳定，一旦释放将会导致温室效应。R22的全球变暖系数值（Global Warming

Potential，简称GWP）为1700，R134a的GWP值为1300。

第四个阶段即当今，人们对环境保护的意识越来越强烈，CFCs、HCFCs 和

二氧化碳微通道蒸发器换热特性研究

HFCs等制冷剂因对臭氧层的破坏及产生温室效应将面临全面禁用的状况，二氧化

碳因其为天然工质（ODP=0，GWP=1）,具有较高的传热性能，且其流动阻力较小，

单位容量制冷量很大，被公认为是一种不存在环境问题与潜在的不确定因素的制

冷剂。挪威科技大学的劳伦兹教授等人将二氧化碳作为制冷剂，采用跨临界循环

开发了汽车空调，这一重大突破使得二氧化碳作为制冷剂重新受到全世界的重视。

1.1.2 跨临界二氧化碳空调与热泵系统

相比其他制冷循环而言，二氧化碳制冷循环系统压力较高，在设计二氧化碳

热泵与空调系统时，需要对所有零部件重新设计。一旦超临界二氧化碳技术成熟，

这会引起行业内的重大调整。在欧洲，欧盟通过相关法案(EC842/2006)，对汽车空

调系统制定了严格的标准，2011年前设计的汽车中不可使用GWP 指数大于 150

的氟化制冷剂，2017年前所有生产的汽车全面禁止使用GWP 大于 150 的氟化制

冷剂。到那时，R134a制冷剂将不再可以继续使用于汽车空调中。2015年4月，澳

大利亚最佳环境选择组织（GECA）制定的新标准中规定对于那些破坏臭氧层的制

冷剂必须淘汰，并规定制冷剂GWP值需低于10。目前，德国汽车巨头戴姆勒已经

实现二氧化碳汽车空调样机的研发，并预计可以满足欧盟汽车空调HFC制冷剂替

代的2017年最后时限。德国大众将计划于2016年对部分车辆空调系统进行重新设

计，以二氧化碳为制冷剂，并实现该类汽车的量产。

日本是目前全世界将二氧化碳作为制冷剂应用于空气能热泵热水器最为普及

的国家之一。二氧化碳热泵热水器自上市以来一向受到日本人民的热捧，其销量

一直稳步上升。日本市场上有很多不同类型的二氧化碳热泵热水器，其系统结构

精致且换热性能极佳，其最大的优点在于水温可以达到非常高的温度，水侧较高

的温升并没有影响其系统换热效率。二氧化碳热泵热水器在经济危机的影响下仍

可以有接近400万台的销量，可见二氧化碳热泵热水器在日本市场上取得了较好的

成绩，获得了市场的充分肯定。不单单在日本，欧洲各国对二氧化碳热泵热水器

也相当的肯定。2008年，德国Thermea公司在纽伦堡举行的Chillventa国际贸易展览

会上发布了3个商用型二氧化碳热泵产品，其供热时的额定COP可达5.5。随之，英

国ICS与意大利DeLonghi两家公司联合开发二氧化碳商用型热泵热水器系统，其出

水温度可达90℃。英国另外一家公司Stroma LZC也展示其商用型二氧化碳热泵热

水器系统，其出水温度超过80℃，额定工况下运行其效率可达5.8。

因日本与欧盟对二氧化碳热泵技术进行技术长期封锁，很久以来，中国在二

氧化碳热泵技术的发展上步伐较慢，很难有突破性进展。在国内只有解决了压缩

机等重要零部件的技术难题，二氧化碳热泵方可在我们得以发展。然而最近几年，

第一章绪论

随着国际市场对中国的逐步开放，很多国外先进技术流入国内市场，一大批企业

着手研发跨临界二氧化碳热泵产品，甚至有些企业制定了二氧化碳热泵热水器的

未来发展计划。国内很多企业打破了国外技术封锁，纷纷展开二氧化碳压缩机的

研发，如上海日立、西安庆安、广东美芝和广东万和等，同时为各个层次使用部

门提供二氧化碳热泵技术解决方案。国家于2010年开始实施二氧化碳热泵热水器

的核心配件标准——GB/T26181-2010《家用和类似用途二氧化碳制冷剂热泵热水

器用全封闭型电动机-压缩机》的政策，此标准一经公布，大批量研发人员开始展

开对二氧化碳热泵压缩机的研究。

随着各种污染气体的排放，紫外线辐射增强，全球气候逐渐变暖，海平面高

度渐渐上升，因臭氧层的破坏会引起一系列危机，人们的环境保护意识逐步增强，

大批节能环保产品得到大众的关注与认可。对于已经在国外市场上销售的二氧化

碳热泵热水器得到国内专家的关注，其多重节能环保等方面的优势得到广泛的认

可。国家为之制定了相关的法律规定，规范了二氧化碳热泵热水器的设计与应用，

同时大力倡导及推广二氧化碳热泵热水器，导致大量的资金及人才被投入到二氧

化碳热泵技术的研发上，二氧化碳热泵技术难题一旦有所突破，将带动国内二氧

化碳热泵热水器的快速发展。

1.1.3 二氧化碳与微通道相结合技术

微通道技术起始于上个世纪 80 年代，应用于计算机等电子设备中的高密度电

子器件冷却问题难以解决，此时微通道技术应运而生。90 年代初人们将微通道冷

却技术应用于微电子机械系统中，很好的解决了微电子机械的传热问题。

Tuckerman 和Pease 于1981 年提出了微通道散热器的概念；1985 年，Swife, Migliori

和Wheatley 研制出用于两流体进行热交换的微通道换热器。随着制造业的发展，

人们所能制造的换热器水力直径可达 10-1000μm。已有的研究表明，当流道水力

直径小于 3mm 时，制冷剂两相流动及传热规律将不同于常规尺寸，这种尺寸效

应随着通道的减小而越明显。当微通道尺寸内径小于 0.5~1mm 时，其对流换热系

数可增大到 50%~100%。

二氧化碳（二氧化碳，R-744）是一种不可燃、无毒的自然工质，能够在低于

0℃的蒸汽压缩循环中运行的工质[2,3]，具有传热性能好、流动阻力小，单位容积

制冷量大的特点,其蒸发潜热、动力粘度、比热等物性方面具有较大优势。与传

统制冷剂循环系统相比，跨临界二氧化碳系统更具竞争力。因此，二氧化碳受到

了全世界特别是欧洲各国的重视。

微通道蒸发器换热表面积大、面积/体积比高，使其具有优越的传热性和较高

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摘要随着生活水平的提高，人类的环保意识逐渐增强，温室气体制冷剂面临着被淘汰的危险，而二氧化碳以其高效及安全这两大特点被公认为是最有前景的替代制冷剂之一。微通道以其高效、节能等优势被广泛关注，具有广阔的应用前景。本文将二氧化碳与微通道技术相结合，展开对二氧化碳在微通道蒸发器内沸腾换热与流动特性的研究，为二氧化碳微通道蒸发器设计提供理论基础，对提高二氧化碳微通道蒸发器换热特性具有重要的学术意义和实用价值。本文首先分析已有的二氧化碳在微通道中沸腾换热与流动特性的关联式，全面考虑各关联式的使用范围及特点，结合本实验台实际情况，对比分析得出适用于本实验台的二氧化碳微通道蒸发器沸腾及流动关联式。当二氧化碳...

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