魏东[1]2002年在《二氧化碳跨临界循环换热与膨胀机理的研究》文中指出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。(叁)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
安青松[2]2008年在《CO_2滚动转子膨胀机内部相变膨胀过程机理分析与可视化试验研究》文中指出本文针对CO_2带膨胀机制冷热泵循环中的关键问题,重点研究了该工质在膨胀机中的内部相变膨胀过程的理论分析和试验观察。论文首先从“基团贡献法”的研究思路出发,将常规复杂的GWP值计算方法进行了简化,进而对一些复杂结构的工质的GWP进行了估算,计算结果与给出的参考数据基本一致。说明宏观性质GWP是物质微观各部分基团性质的综合表现,有利于对未来合成的新制冷剂的GWP性质作出预测性判断。基于对制冷剂各种性能评价标准的对比分析,论文对制冷剂提出了“自然度”评价标准的概念,并从可持续发展的观点,对未来制冷剂发展方向进行了分析预测,明确了未来制冷剂主要的发展方向应该是CO_2等自然工质。论文认为CO_2膨胀机是提高CO_2热泵系统性能的关键部件之一,膨胀机内部膨胀过程涉及从超临界到亚临界并有相变,有复杂的机理。本文从理论分析的角度,对膨胀机内部相变过程进行了探讨。根据调研的相关理论,从不同模型中进行分析对比,提出了一种新的综合理论和模型。论文根据提出的综合模型对膨胀机的相变膨胀过程进行了模拟计算,从参数变化以及汽泡驱动力将膨胀过程进行了简化,划分为叁个阶段,分别为初始核化、自由膨胀和有限膨胀阶段,计算结果表明与观测数据能够吻合保持一致。为直接观察到CO_2膨胀机内部快速降压的全过程,本文设计了两种可视化的实验装置。第一个装置是高压CO_2快速降压试验试块,为区分汽泡和油滴,在润滑油中添加荧光示踪剂,采用高速摄影仪对CO_2与润滑油混合物的快速降压过程进行试验观测。研究发现:降压速率越大,产生的汽化核心数越多,形成的稳定汽泡直径越小。第二个装置是对原CO_2滚动活塞膨胀机进行了改造,添加了内部LED光源,并在汽缸上加工安装耐压石英视窗,对膨胀机端盖及活塞进行了精加工研磨目的为了增加其反光性,实现了膨胀机内部相变膨胀过程高速摄影观测,拍摄了大量膨胀机内部CO_2相变过程的连续图片,通过图像处理可跟踪单个汽泡的行踪,为膨胀过程的理论分析提供实测数据。最后,根据相变成核理论和增加分子聚集度的可能,考虑跨临界循环不存在制冷剂凝结过程,在系统中注入“不凝性气体”,对压缩过程和放热过程没有负面影响,对膨胀过程和蒸发过程增加体相内的汽化核心数,起到正面作用。通过分别添加适当比例两种“不凝性气体”试验结果来看,都对膨胀机的膨胀功回收性能有所提升。
查世彤[3]2002年在《二氧化碳跨临界循环膨胀机的研究与开发》文中研究指明本文以自然工质CO2跨临界循环膨胀机为研究对象，从减小节流损失和回收循环系统膨胀功的角度，重点探索提高系统效率的关键技术问题，旨在使自然工质CO2跨临界循环在环保和节能方面均具有优势，为其向实用化迈进提供理论指导和实践经验。本文的研究涉及热力学、材料力学、流体力学、机械学等学科，主要研究内容主要有以下几个方面：1． CO2跨临界循环膨胀过程的理论分析和膨胀机理的研究以非平衡热力学和相变理论为指导，对CO2膨胀可能经历的叁种相变过程进行了理论分析，选择出位于临界点左侧的相变过程作为膨胀机设计的依据，即经历超临界流体区和过冷液区，到达气液两相区的等熵膨胀过程。在此基础上，对该相变膨胀过程进行了深入的机理分析，得出了该膨胀过程的特点，即：CO2等熵膨胀过程为稳态或亚稳态相变过程，以单相存在的过热液体处于亚稳定状态，一旦有了汽化核心，它就立刻分裂成更为稳定的两相；CO2膨胀机中的气泡是在快速降压下过热液中生长的，气泡的成长速度大于常压场下气泡的成长速度，而且蒸气密度随时间变化较大。而且分别对于亚临界区和两相区探讨了膨胀过程中膨胀功的来源，为膨胀机的设计提供了理论指导。2． CO2跨临界循环滚动活塞膨胀机的理论分析和设计在分析比较不同类型膨胀机的特点和使用范围的基础上，提出选择研制CO2跨临界循环滚动活塞膨胀机的目标。从热力学原理出发，分析了CO2跨临界循环滚动活塞膨胀机的工作过程，确定了膨胀机的主要结构参数，计算了吸入阀开口的时间、膨胀机流量、膨胀过程中气缸内流体的物性参数变化规律以及膨胀机的功率特性。探讨了膨胀机的吸气控制方案，决定采用机械式控制方法，并分析了变工况下的调节方案。在对滚动活塞膨胀机的滑板、滚动活塞、偏心轮轴进行运动与受力情况分析计算的基础上，从泄漏、机械摩擦、流动阻力几个方面进行了不可逆损失分析和计算，并提出了改进措施。<WP=3>3． CO2跨临界循环滚动活塞膨胀机的实验研究开发了CO2滚动活塞膨胀机样机，研制了CO2跨临界循环膨胀机试验系统，并对CO2跨临界循环中的滚动活塞膨胀机和膨胀机循环的运行性能进行了实验研究。验证了所开发的CO2滚动活塞膨胀机的实际工作的可行性，得出其设计工况下的实际运行效率，并找出了存在的问题；检验了所开发的CO2滚动活塞膨胀机工作变化特性，得出不同CO2流体流量和转速下，其性能的变化规律；检验了变工况设计方案的可行性，得出不同工况下带膨胀机的CO2跨临界循环系统COP的变化规律，可以看出CO2滚动活塞膨胀机只适合在定工况下运行。与采用节流阀的CO2跨临界循环系统的对比实验验证了CO2滚动活塞膨胀机对于提高效率的作用。
武孟[4]2009年在《二氧化碳跨临界循环特性及系统控制研究》文中指出国内外已有研究表明,同传统制冷剂相比,二氧化碳在蒸发潜热、比热、动力粘度等物性上具有优势,采用二氧化碳作工质的制冷循环在热力特性等方面上比传统制冷剂系统有更优越的性能。本文从二氧化碳跨临界循环热力学特性入手,采用coolpack软件对基本理论循环进行模拟,分析了循环COP受各运行参数影响情况。在分析循环特性的基础上讨论了利用膨胀机、两级压缩、旁通阀等方法对基本理论循环改进后系统COP的变化情况。文中对带膨胀机循环及两级压缩循环最优压力计算进行分析。通过软件模拟了两种循环最优压力受系统各运行参数的影响情况,根据所得模拟数据,拟合得到两种循环最优压力计算关联式。由于在实际系统运行时,很难控制高压压力时刻处于最优点,本文分析了在保证循环COP达到一定要求时,不同的运行工况下,系统对最优高压控制精度的要求。通过分析现有二氧化碳系统控制方案,借鉴传统制冷剂系统控制措施,本文提出一种耦合式的二氧化碳跨临界制冷系统控制方案。该方案同时考虑了系统对循环最优压力和制冷量的控制需求,将压缩机控制和电子膨胀阀控制通过数据拟合关联起来,根据不同环境温度调整系统控制目标,实现了系统控制的同步性和稳定性。检验控制方案优劣,整定控制算法参数,均需建立系统动态仿真模型。本文在详细分析二氧化碳跨临界系统各部件动态响应特性,参考现有制冷系统部件建模方式的基础上,建立了适合于二氧化碳跨临界系统控制研究用的部件动态仿真模型。详细分析了部件间的输入输出参数关系,建立起系统动态模型计算流程,最后对模型进行验证。本文的研究成果能对二氧化碳跨临界循环性能的提高、系统控制策略的研究、控制方案的检验等方面提供可靠的参考依据。
李晓凤[5]2013年在《添加剂对CO_2跨临界热泵膨胀过程及系统性能影响的研究》文中提出本文以带膨胀机的跨临界CO2水水热泵系统为对象，以优化CO2膨胀机的运行、提升系统性能为目的，提出在纯CO2中加入添加剂方案，并通过理论和试验研究，分析了添加剂（氮气、氩气、二甲醚和R32）对CO2水水热泵系统性能、膨胀机及气体冷却器的影响。对含添加剂的CO2跨临界带膨胀机循环系统进行了理论分析，结果显示加入氮气和氩气可以提高膨胀机回收功，单位制热量和压缩机比功随着氮气或氩气含量的增加而降低，而COP则随着氮气或氩气含量的增加先增加后降低，系统COP存在最优值。COP随着二甲醚或R32含量的增加而增加，单位制热量和压缩机比功随着二甲醚含量的增加先增加后降低，而随着R32含量的增加而单调增加。本文还对膨胀机内的CO2相变过程进行了理论分析，应用微观液体“准晶格”理论分析得出添加剂可以在相变时作为汽化核心，提高核化率。并从宏观上对含添加剂CO2稀溶液和极限过热度进行了分析，结果表明添加氮气和氩气有利于CO2相变，而添加二甲醚和R32则相反。另外对CO2气体冷却器进行理论分析计算，加入氮气和氩气后，气体冷却器性能下降。而含二甲醚和R32的CO2气体冷却器换热性能增强。设计加工了CO2快速降压试块，对CO2以及含添加剂的CO2快速降压膨胀过程进行了试验。结果显示，氮气可以促进CO2的相变，但是二甲醚则会延缓其相变。最后在带膨胀机的CO2水水热泵系统上进行了含添加剂的试验。试验结果表明，加入氮气和氩气后，膨胀机的回收功增加，制热量随氮气或氩气含量的增加先增加后降低，系统COP在氮气或氩气含量1%时最大。含R32和二甲醚的膨胀机输出功随着添加剂含量的增加先增加后下降，系统COP增加，而且运行压力下降。
陈江水[6]2013年在《CO_2热泵热水器的性能仿真研究》文中提出CO2工质环保无污染,以CO2为循环工质的热泵热水器(文中简称为CO2热泵)能获得高温热水。CO2热泵技术的研究还有很多值得深入的地方,如如何减少热泵节流损失、降低使用要求等,如何使用膨胀机回收膨胀功以提高系统性能系数。本文通过建立CO2热泵系统循环和关键零部件的性能仿真模型,分析CO2物性、工作环境、关键零部件等对热泵性能及其不可逆损失的影响,提出CO2热泵系统循环和关键零部件的设计准则。本文的主要研究工作如下：一、对CO2热泵的循环方式进行了研究和比较,并对CO2跨临界双级压缩带膨胀机循环的性能和(?)进行了计算。从提高CO2热泵性能系数的角度出发,分别研究和比较了带回热器、膨胀机或节流阀等叁种跨临界双级压缩循环,获得CO2热泵系统循环系数最大的循环方式为带膨胀机的循环,对CO2跨临界双级压缩带膨胀机循环的(?)进行了计算。根据计算和仿真结果,提出了CO2热泵循环设计建议：提高低压级压缩机、膨胀机的绝热效率,降低其(?)损,从而提高循环系统整体性能。二、对CO2热泵膨胀机进行了膨胀过程分析和不可逆损失分析。对膨胀机的膨胀过程进行分阶段研究,膨胀机膨胀功来源不同,膨胀回收功将受进出口状态的影响。对CO2滚动活塞膨胀机的不可逆损失研究表明,膨胀机不可逆损失除受流体状态影响之外,还受到膨胀机结构的影响。为了降低膨胀机不可逆损失,提出了膨胀机的设计原则：保持合理的接触间隙,使膨胀机不可逆损失总量保持在较低水平,从而提高膨胀机的绝热效率。叁、对CO2气体冷却器的换热性能分析。对套管式CO2气体冷却器进行微元建模研究,将每一个微元的出口状态作为下一个微元的入口状态,从而确保准确计算CO2气体冷却器中流体状态的动态变化。研究显示,CO2气体冷却器的换热性能除受其进出口CO2流体、冷却水状态影响之外,还受其结构影响。因此,CO2气体冷却器的设计原则是：采用小管径的长管结构,提高流体侧换热效率,从而提高气体冷却器的换热性能。本文对CO2热泵系统循环进行了仿真研究和比较,从优化热泵部件性能的角度,对膨胀机等关键零部件进行了性能仿真分析,结论能为CO2热泵的设计提供理论指导。
胡静[7]2014年在《添加剂对CO_2跨临界循环系统性能的影响》文中指出本文以带节流阀的跨临界CO_2循环系统为研究对象,以提高系统效率,降低运行成本为目的,提出在该系统中添加一定浓度的添加剂方案。考虑到CO_2制冷性能效率较低,尤其在较低蒸发温度工况下,故为了提高CO_2的系统性能,本文提出制冷系统的优化方案,通过热力学分析设计6种CO_2制冷循环系统类型,分析采用二级压缩、膨胀机和经济器对系统的影响,并从系统性能(COP)、压缩机排气温度和热力学完善度叁个角度进行比较。本文选择N_2、Ar、R32和二甲醚四种物质作为添加剂,研究它们对CO_2工质的热物性参数和跨临界循环系统性能的影响,并进行分析比较。N2和Ar通常是不凝气体,二甲醚和R32的沸点比CO_2高,且分子量相近,它们作为添加剂被加入后,对CO_2工质的物性参数都有不同程度的影响。从热物性影响的角度分析,通过理论计算可知N2的加入会降低蒸发器的制冷量、压缩机比功与排气温度,提高系统的制冷性能系数,且该系数随不凝气体浓度的增加而增加。加入R32后,蒸发器制冷量和压缩机功率均增大,压缩机排气温度升高,总体表现出使制冷性能系数提高。CO_2蒸发器是CO_2跨临界制冷循环中重要的组成部分,其换热性能直接影响整个系统的性能及紧凑性。通过机理分析得出不凝气体能作为汽核点,促进异相成核,降低核态沸腾发生的成核位垒,减小过热度,从而降低成核温度。通过理论计算,得出降低成核温度能够提高蒸发器的换热系数和制冷量。通过建立带节流阀的CO_2跨临界制冷循环系统试验台,可实现节流阀/膨胀机相互切换,分别对纯CO_2和添加四种添加剂后CO_2混合工质进行制冷循环试验,得出不同添加剂在不同浓度工况下的参数值。分析试验结果可知,在较低的蒸发器入口温度和小于3%的添加剂浓度的工况下,添加N2和Ar后可以改善蒸发器换热性能,并且换热性能随添加剂浓度的增加不断改善。但在浓度为4%时,工质物性参数变化较大,从而引起蒸发器换热性能恶化。此外,N2和Ar的加入会增大压缩机的功率,综合表现出在蒸发温度小于0℃,浓度小于3%的工况下,有利于系统制冷性能系数提高,而浓度在4%时会降低系统制冷性能系数。N2和Ar浓度为1%和2%时,对CO_2热物性影响较小,但会提高压缩机排气压力,从而增大冷却器内流速,使制热量和制热性能得到提高,N2和Ar浓度达到3%和4%时,由于对CO_2物性参数影响较大,从而使系统制热性能下降。R32和二甲醚作为添加剂,主要通过改变CO_2工质的物性参数产生影响。除蒸发温度较高的工况外,添加剂的加入能提高蒸发器换热性能系数和制冷量,同时减小压缩机功率,综合表现为系统制冷性能改善。
李敏霞, 马一太, 苏维诚, 管海清[8]2005年在《跨临界二氧化碳压缩膨胀机的研究》文中提出为提高二氧化碳跨临界循环效率,解决系统节流损失大的问题,研究开发了新型的滚动活塞转子式压缩膨胀机,来代替二氧化碳跨临界系统中的节流阀。给出了滚动活塞转子式压缩膨胀机的设计思路和设计特点。对压缩膨胀机主轴的受力和力矩进行了分析和计算,分析结果表明在二氧化碳压缩膨胀机工作过程中,两个气缸内的流体流动过程相反,作用于主轴上的作用力和力矩的大小、方向都不相同,选择两个偏心轮合适的相位角有利于主轴上总力矩的平稳变化,设计时应选择最佳相位角,但同时两个偏心轮之间的主轴部分将是最薄弱的环节。
吕静[9]2005年在《二氧化碳跨临界循环及换热特性的研究》文中提出本文以自然工质二氧化碳为研究对象,以提高跨临界循环性能为目标,从理论和实验两方面对管内超临界二氧化碳的冷却传热特性进行了研究,并对跨临界二氧化碳汽车空调系统的性能及其影响因素进行了理论分析,指出系统中的热力膨胀阀、气冷器和压缩机叁部件的能量损失最大,提出以膨胀机代替节流元件,可以减小节流损失;增加吸气热交换器可明显提高制冷量和COP值。研究表明蒸发温度、高压侧压力及气冷器出口温度等参数影响循环效率,其中高压侧压力对系统性能的影响最大,并存在最优值。分析了影响超临界二氧化碳对流换热的主要因素:压力、质量流量、流体流动方向、管径和浮升力、润滑油和热流密度等,并对超临界二氧化碳水平管内换热机理进行了探讨,认为超临界二氧化碳换热特性的主要影响因素可以归结为比热和流动边界层内物性的变化。设计并研制了超临界二氧化碳换热特性实验台,可在较宽的温度、压力和质量流量范围内开展超临界和亚临界二氧化碳单管、多管的对流换热和换热器性能的实验研究,解决了高压管内流体的测温和密封问题。通过对超临界二氧化碳在水平管内冷却换热的实验研究,探讨了压力、入口温度、质量通量密度和冷却水量(热流密度)对换热性能和压降的影响,得出了换热量、平均换热系数、局部换热系数和压降的变化规律。并将实验结果与4个经验关联式进行对比分析,找出了适合本实验条件的关联式。本文的研究工作为二氧化碳的实际应用提供了理论依据和实验经验。
李先碧, 冯雅康[10]2008年在《二氧化碳跨临界循环制冷的开发与研究进展》文中研究指明由于近年来制冷剂对臭氧层的破坏和全球温室效应等环保问题日益突出,CO2作为理想的制冷剂开始重新得到重视。给出了CO2跨临界制冷循环的典型流程和特点;对国内外针对超临界CO2特性的、CO2制冷循环、CO2制冷设备的开发以及CO2跨临界循环系统安全性与可靠性等四个方面的研究现状进行了综述,指出了二氧化碳跨临界循环制冷今后的发展趋势。
参考文献：
[1]. 二氧化碳跨临界循环换热与膨胀机理的研究[D]. 魏东. 天津大学. 2002
[2]. CO_2滚动转子膨胀机内部相变膨胀过程机理分析与可视化试验研究[D]. 安青松. 天津大学. 2008
[3]. 二氧化碳跨临界循环膨胀机的研究与开发[D]. 查世彤. 天津大学. 2002
[4]. 二氧化碳跨临界循环特性及系统控制研究[D]. 武孟. 中南大学. 2009
[5]. 添加剂对CO_2跨临界热泵膨胀过程及系统性能影响的研究[D]. 李晓凤. 天津大学. 2013
[6]. CO_2热泵热水器的性能仿真研究[D]. 陈江水. 广东工业大学. 2013
[7]. 添加剂对CO_2跨临界循环系统性能的影响[D]. 胡静. 天津大学. 2014
[8]. 跨临界二氧化碳压缩膨胀机的研究[J]. 李敏霞, 马一太, 苏维诚, 管海清. 机械工程学报. 2005
[9]. 二氧化碳跨临界循环及换热特性的研究[D]. 吕静. 天津大学. 2005
[10]. 二氧化碳跨临界循环制冷的开发与研究进展[J]. 李先碧, 冯雅康. 制冷与空调(四川). 2008