二氧化碳微通道平行流氣冷器傳熱與流動特性研究.pdf

1、隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，能源與環(huán)境問題已成為制約人類社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的關鍵因素，例如:最近幾年的霧霾天氣。所以，國際制冷界越來越重視和提倡使用天然工質。氟利昂（包含HCFC和CFC）等制冷劑對臭氧層有嚴重的破壞作用并且會引發(fā)溫室效應，其替代品的研制已成為近年來國際制冷界的研究重點。天然工質二氧化碳作為一個不易燃的，無毒的天然流體，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，因此，成為天然制冷工質中的首選[1]。微通道平行流氣冷器以其結構優(yōu)勢和高效的換熱效率，在跨臨界二氧化碳汽車空調系統(tǒng)中有著良好的應用。
　　本文通過理論分析、數(shù)值模擬和實驗相結合的方法，對二氧化碳在平行流氣冷器通道內(nèi)的流動和換熱性能做了系統(tǒng)的研究，重點分析了平行流氣冷器管內(nèi)和管外的流動和換熱特性。論文主要的研究工作及結論如下:
　　1、二氧化碳的物性進行了詳細的研究。二氧化

3、碳臨界區(qū)的界定、臨界現(xiàn)象、假臨界點溫度與壓力的關系、臨界點物性的變化等現(xiàn)象進行了詳細的研究。結果表明，二氧化碳物性不同于一般常態(tài)工質，在臨界點附近，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)的對流換熱為研究對象，分析了管徑分別為2mm、0.4mm時，二氧化碳參數(shù):進口壓力、進口Re數(shù)、流動方向、管徑，冷卻水進口Re數(shù)對壁面溫度、流體溫

4、度、浮升力及換熱系數(shù)的影響，獲得了新的換熱關聯(lián)式。新的換熱關聯(lián)式引入表征浮升力對換熱影響大小的無量綱數(shù)Bo*，對現(xiàn)有有關二氧化碳在管內(nèi)的對流換熱研究，提供有效補充。
　　3、對平行流氣冷器管內(nèi)流體通道建立三維模型，使用(火積)及(火積)耗散理論對氣冷器流量分配進行優(yōu)化研究，通過公式推導和編程對由于流量分配不均勻度導致的(火積)耗散—熱量傳遞勢能的損失進行直觀的描述。結果表明，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，扁管長度越長(火積)耗散越小，具體尺寸視實際需要而定，結論為新產(chǎn)品的工程應用提供參考。
　　4、基于傳統(tǒng)百葉窗通道，采用正交試驗設計方法，分析了百葉窗傾角、長度、間距和翅片間距、厚度、高度等幾何參數(shù)對流體流動和傳熱性能的影響。并采用田口方法對9種模型的綜合性能及上述因素對整體換熱效率貢獻率的大小進行研究。結果表明，翅片高度對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度次之，百葉窗傾斜角度和翅片厚度對其性能

6、影響最小。
　　5、本文新提出的兩種變角度百葉窗結構和現(xiàn)研究較多的兩種變角度百葉窗結構與一種均勻角度百葉窗結構，建立三維模型，對5種模型的速度場、溫度場和壓力場進行分析，并對5種結構在不同Re數(shù)時進行綜合性能評價。結果表明，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構目前綜合性能最好。
　　6、基于強化對流換熱理論提出了一種新型高效的百葉窗結構通道，綜合研究了新型流道

7、內(nèi)的流體流動與傳熱特性，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構傳熱j因子與阻力f因子的計算關聯(lián)式。
　　7、設計、制作了一套有關新型百葉窗通道的流體流動冷模實驗裝置，采用激光多普勒測速儀對百葉窗流道中的關鍵位置點的速度進行了測量，并將實驗測量結果與數(shù)值模擬結果進行對比。結果表明，實驗測量結果和數(shù)值模擬結果吻合較好，誤差在工程允許范圍之內(nèi)，驗證了數(shù)值模擬結果的準確性和可靠性。對實驗結果所產(chǎn)生誤差的