跨临界CO_2气冷器耗散分析

跨临界CO_2系统已成为热泵及空调领域的研究热点,本文以CO_2气冷器为研究对象,管内外两种流体因温差传热与流动阻力引起系统(火积)耗散,通过建立的CO_2气冷器跨临界区二维分布参数模型求解系统(火积)耗散数ΔE*。分析系统(火积)耗散数产生的主要原因及沿程分布,讨论CO_2、水入口状态参数对系统(火积)耗散数的影响。结果表明系统(火积)耗散数主要由温差传热引起,温差越大,系统(火积)耗散数越大。各微元段(火积)耗散数与CO_2温降幅度呈反比关系,在临界点ΔEj*达到最大值。随着CO_2质量流率、压力的增大,系统(火积)耗散数逐渐增大;随着水质量流量的增大,系统(火积)耗散数逐渐减小,减小幅度随着压力的增大而减小。系统(火积)耗散数随着CO_2入口温度的增大而减小,CO_2入口温度越大,减小幅度逐渐降低。水入口温度对系统(火积)耗散数的影响非常小。(火积)     

跨临界CO2热泵热水器系统的试验研究

介绍带回热器的跨临界CO2热泵热水试验系统。通过改变气冷器水流量对跨临界CO2水-水热泵多种工况的循环性能进行试验研究,获得一系列试验数据。试验结果表明:跨临界CO2热泵循环可获得比常规工质要高的出水温度;增加气冷器水流量可有效提高系统的制热系数。     

以毛细管为节流装置的CO_2小型热泵热水器实验研究

介绍以毛细管为节流装置跨临界CO2热泵热水试验系统。实验研究了不同气冷器进水温度下系统的COP及其变化、气冷器沿管长水温温升梯度变化。分析了不同环境温度下制冷剂充注量对系统高压侧压力的影响。可以得出:以毛细管做节流装置也可以得到较高的COP;气冷器水温在高温CO2进口段温升幅度最大;系统对环境温度的变化很敏感,环境温度较低时要想得到合适的高压侧压力,制冷剂的充注量要比环境温度高时多。     

四种跨临界CO2压缩式热泵系统的热力性能研究

CO2是具有很大潜力的天然替代工质之一,CO2跨临界循环放热过程中具有较大温度滑移,与水侧温升过程相匹配,因此适合用于热泵热水器系统。国内外学者提出了许多提高跨临界CO2循环效率的方法,其中包括引入回热器、喷射器等设备,从不同角度对比分析在常规跨临界CO2热泵系统中引入回热器、喷射器后系统的性能变化。本文在前人工作的基础上,建立相关热力学计算模型,并进一步对四种不同形式的跨临界CO2热泵系统（常规跨临界CO2热泵系统（TCHS）、带回热器的跨临界CO2热泵系统（TCHSI）、带喷射器的跨临界CO2热泵系统（TCHSE）及带喷射器与回热器的跨临界CO2热泵系统（TCHSEI））的性能进行研究,对比分析排气压力一定的情况下四种循环的热力性能;从最优排气压力的角度出发,分析对比不同系统中气冷器出口温度变化对系统最优排气压力和制热系数的影响,以及喷射器等熵效率对系统性能的影响。以上研究为CO2压缩式热泵系统的实用化进展奠定良好的理论基础。     

多联引射器双温制冷系统的模拟研究

建立了多联引射器跨临界CO2双温制冷系统集总参数模型,并采用Matlab调用Refprop软件进行编程。对不同工况条件下的系统性能进行了模拟研究,分析了气冷器出口参数对系统性能的影响。模拟结果表明:在相同工况下,受气冷器出口温度的影响,系统制冷量及COP呈先增加后逐渐减少趋势,且气冷器出口压力越高,系统制冷量及COP峰值所对应的气冷器出口温度也越高;在相同工况下,受气冷器出口压力的影响,系统制冷量呈逐渐增加趋势,且在较高气冷器出口温度下,系统COP随气冷器出口压力的升高呈先升高后降低趋势,系统存在最佳气冷器出口压力,此时COP取得最大值。     

翅片管式CO2气体冷却器模拟与优化

为了研究CO2在翅片管式气体冷却器内的流动特性,建立了稳态分布参数模型,并进行了实验验证。结果表明:CO2侧换热系数受入口压力和质量流量的影响较大,但入口温度对其影响很小。换热量随着入口压力的变化有一个最大值;且随着流量的增大,最大换热量所对应的入口压力值逐渐增大。压降和换热量均随入口温度的增加而线性增加。适当增加管程数,采用较小管径的气冷器性能更高。     

CO2热泵热水器气冷器的热力性能研究

本文以CO2定压比热容最大的准临界温度为分界点,将气冷器的换热过程分为：准临界前区间、准临界区间和准临界后区间3个温度区间,CO2在100～0 ℃的放热过程,计算发现准临界区间温度的放热量占比达49.8%,基于(火积)理论的模拟结果也表明放热量主要集中在第二阶段的准临界区间内。以准临界区间的换热特性为基础,提出一种在名义工况下,最佳气冷器进气压力和温度的简单算法：发现制取65 ℃热水时,气冷器最佳进气压力为11.34 MPa,进气温度为79.96 ℃。在不同进气压力下进行实验验证,并分析气冷器中水的温度分布。结果表明：CO2和水流量均为15.0 g/s时,11.3 MPa进气压力下,在准临界温度区间内,水温从17 ℃迅速升至41 ℃,加热量占比为50.1%,出水温度为64.1 ℃,系统COP最高为3.23。     

润滑油对CO_2气体冷却器性能的影响

本文对含有PAG润滑油的CO2气体冷却器建立了理论模型,通过人工神经网络对含油的CO2对流换热系数进行预测,通过与实验结果进行比较,验证了模型的准确性。进一步分析和计算结果表明:气冷器的热效率随管道的长度的增加而增大,但增幅逐渐放缓。对于实际使用的气冷器,考虑设备运行的经济性,应合理设计气冷器的长度。对于小管径的气冷器(Dh≤2mm),少量的润滑油(ω≈1%)即会明显削弱气冷器的传热系数与热效率;但对于大管径的气冷器(Dh≥4 mm),少量的润滑油对气冷器的影响不明显。在实际小管径气冷器运行过程中,要尽量降低进入气冷器中的润滑油含量,以保证气冷器较高的换热性能。气冷器的热效率随CO2侧压力的增加而增大,但增幅逐渐变缓。CO2侧压力越接近临界压力,由于润滑油的存在导致气冷器热效率降低的幅度越大,并且气冷器的管径越小,降低幅度越明显。     

水冷套管式CO_2气冷器的设计及实验研究

本文设计了一台CO_2套管式气冷器并对其进行了换热特性的实验研究。该气冷器采用逆流三重套管,CO_2在内管流动,冷却水在内外管间流动。实验研究了不同CO_2质量流量、入口压力和冷却水温度对传热系数、换热量和换热器效能系数的影响。实验结果表明,随着CO_2质量流量的增加,传热系数和换热量均呈先增后减的趋势,换热器效能系数逐渐减小;CO_2质量流量不变时,传热系数、换热量和换热器效能系数均随气冷器CO_2入口压力的升高而逐渐增大;随着冷却水温度的升高,传热系数、换热量和换热器效能系数均逐渐减小。     

水箱水温对CO2热泵热水器性能影响的实验研究

通过实验对比研究了循环加热和一次加热热水时,水箱水温对CO2热泵热水器性能的影响。循环加热工况时,随着水温的升高,压缩机的进、排气压力逐渐升高,功耗增加;气体冷却器的CO2进、出口温度升高,内侧CO2和外侧水的温差逐渐减小,换热量减小;CO2热泵系统的COP下降。一次加热工况时,进水温度一定,系统的各项运行参数稳定,COP基本保持不变。以水温度17℃为例,系统COP在3.5左右,远远高于循环加热的COP。实验结果表明水箱水温对系统的性能有一定影响。根据实验结果提出了水箱结构改进方案,使气冷器入口水温稳定在较低水平,可有效提高系统的性能。     

Pinch point analysis and design considerations of CO2 gas cooler for heat pump water heaters

Due to strong nonlinear variation of supercritical CO₂ specific heat capacity with temperature, pinch point would occur in water-cooled CO₂ gas cooler, which has great impacts on the heat transfer characteristics of gas cooler and overall system performance. Pinch point analysis was conducted for CO₂ gas cooler in the present study. The effects of refrigerant pressure, mass flow ratio (m_w/m_c), inlet water temperature and heat transfer area on pinch point location, approach temperature difference and heat transfer rate were analyzed in detail. Based on the analysis of pinch point location in CO₂ gas cooler, the critical flow ratios were proposed to effectively control the approach temperature difference. Furthermore, the actual conductance of gas cooler was calculated and compared with that estimated by LMTD method. The results showed that CO₂ gas cooler may be undersized by as much as a factor of 30–60% for different pressures if LMTD method is used. However, the UA value evaluated by LMTD method also may be overestimated under high refrigerant pressures when the approach temperature difference tends to be zero. Results of the present study are helpful to practical designs of CO₂ gas cooler and heat pump water heaters.     

CO_2微通道气冷器流量分配和换热特性的数值模拟及验证

本文建立了CO_2微通道气冷器集流管和微通道扁管两部分的物理模型并进行网格划分,模拟研究了扁管插入集流管深度f分别为4、5、6 mm和入口管在集流管1/6、1/2位置处对质量流量分配的影响,实验验证了CO_2微通道气冷器扁管壁面温度分布。结果表明:当f为4 mm、入口管位于集流管1/6处时,质量流量分配最均匀,此时不均匀度为0.4×10~(-3);模拟扁管内CO_2换热特性发现随着CO_2质量流量的增加,扁管换热量增加,流量由2.3 kg/h增至2.5 kg/h,换热量提高了21.4%;当质量流量一定时,CO_2的出口温度随着CO_2入口温度的升高而升高,在不同CO_2入口温度条件下,微通道扁管壁面温度实验值与模拟值误差在10%以内,验证了模拟的准确性。     

LiBr-H2O吸收式热泵的热力学分析

本文建立了LiBr-H2O吸收式热泵系统的理论模型，对热泵系统的热力学循环进行模拟计算。分析了不同操作参数（包括循环倍率、低温废水入口温度、热水入口温度、高温蒸汽入口温度）对热泵的性能系数（COP）、火积效率、?效率和熵产这4种性能评价指标的影响规律，对比了这4种性能评价标准下的系统性能变化的一致性，并探讨了作为新指标的火积效率是否适用于吸收式热泵分析。模拟结果表明：当循环倍率、热水入口温度和高温蒸汽入口温度增加时，热泵系统性能均变差，只有低温废水入口温度升高时，系统性能才逐渐提高。计算结果表明：在不同的操作参数条件下4种性能评价指标变化并不一致，有些甚至相反，但COP和火积效率的变化趋势却始终保持了很好的一致性，因此说明火积效率也可以用于吸收式热泵的性能分析。     

电磁式发动机水冷系统流固耦合传热研究

针对电磁式发动机电磁线圈由工作温度过高导致其内阻过大、发动机工作效率降低的问题,应用流固耦合传热理论对发动机水冷系统的传热性能进行研究。以电磁式发动机水冷系统流场和固场为研究对象,建立流固耦合传热的数学模型;利用UG （Unigraphics）软件建立水冷系统流固耦合模型,对水冷系统的流场和温度场分布进行仿真分析。结果表明：水冷系统死角区域内的流体会使周围流体的运动阻力加大,流速变小;冷却水套材质采用导热性较好的铝合金,可提高无流区的散热能力;水套进出口采用对角结构设计,可使水冷系统热量吸收较均匀。根据汽车行业相关标准进行温升实验,测量水冷系统各关键部位的温度,测得进水口处的温度为26.4 ℃,出水口处的最高温度为46.7 ℃,表明冷却系统设计合理,具有较好的传热降温作用。所设计的电磁式发动机水冷系统在新能源汽车领域具有较广的应用前景。     

竖直矩形通道内不凝性气体对凝结换热特性的影响

本文以去离子水为工质,实验研究了竖直矩形窄通道内少量残余不凝性气体对蒸汽凝结换热特性的影响。采用热阻分离法得到凝结侧换热表面传热系数,分析了不凝性气体的含量、冷却水质量流速、进口温度和热流密度对蒸汽凝结侧表面传热系数的影响。结果表明:当热流密度为1.668 kW/m~2,即蒸汽质量流速较小时,2%体积分数的不凝性气体使凝结侧表面传热系数下降了33%,但当热流密度为3.887 kW/m~2,蒸汽质量流速较大时,2%体积分数的不凝性气体仅使凝结侧表面传热系数降低了14%,此外,凝结换热表面传热系数随冷水质量流速和不凝性气体分数的增加而变小,随冷水进口温度和热流密度的增加而变大。     

Comparative Investigation on the Heat Transfer Characteristics of Gaseous $$\hbox {CO}_{2}$$ and Gaseous Water Flowing Through a Single Granite Fracture

\(\hbox {CO}_{2}\) and water are two commonly employed heat transmission fluids in several fields. Their temperature and pressure determine their phase states, thus affecting the heat transfer performance of the water/\(\hbox {CO}_{2}\). The heat transfer characteristics of gaseous \(\hbox {CO}_{2}\) and gaseous water flowing through fractured hot dry rock still need a great deal of investigation, in order to understand and evaluate the heat extraction in enhanced geothermal systems. In this work, we develop a 2D numerical model to compare the heat transfer performance of gaseous \(\hbox {CO}_{2}\) and gaseous water flowing through a single fracture aperture of 0.2 mm in a \(\upphi 50\,\times 50\hbox { mm}\) cylindrical granite sample with a confining temperature of \(200\,^{\circ }\hbox {C}\) under different inlet mass flow rates. Our results indicate that: (1) the final outlet temperatures of the fluid are very close to the outer surface temperature under low inlet mass flow rate, regardless of the sample length. (2) Both the temperature of the fluid (gaseous \(\hbox {CO}_{2}\)/gaseous water) and inner surface temperature rise sharply at the inlet, and the inner surface temperature is always higher than the fluid temperature. However, their temperature difference becomes increasingly small. (3) Both the overall heat transfer coefficient (OHTC) and local heat transfer coefficient (LHTC) of gaseous \(\hbox {CO}_{2}\) and gaseous water increase with increasing inlet mass flow rates. (4) Both the OHTC and LHTC of gaseous \(\hbox {CO}_{2}\) are lower than those of gaseous water under the same conditions; therefore, the heat mining performance of gaseous water is superior to gaseous \(\hbox {CO}_{2}\) under high temperature and low pressure.