论文中英文摘要
干毅-
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2
论文中英文摘要
作者姓名:
陶于兵
< br>论文题目
:
CO
2
家用空调系统实验研究及换热器强化换热数值模拟
作者简介
:陶于兵,男,
1979
年<
/p>
11
月出生,
2003
< br>年
9
月师从于西安交通大
学何雅
玲教授,攻读硕博连读博士学位,于
2008
年
6
月获博士学位。
中
文
摘
要
近年来
全球环境与能源问题日益严重,臭氧层破坏、温室效应以及能源危机已成为人类
面临的主
要挑战。现有制冷空调等工业大量使用的氯氟烃类制冷工质,不仅会对臭氧层造成
破坏,
而且它们本身也是一种温室气体。积极寻找制冷剂的替代工质,已成为目前制冷工业
迫在
眉睫的任务,
CO
2
以其良好的热物性
和对环境的无害性,已逐渐引起了各界的广泛关注。
另一方面,随着能源需求与日俱增、
化石能源的大量消耗,排放了大量的温室气体,使得大
气层的温室效应日益显著,人类正
面临着全球能源日益枯竭和环境污染日益严重的问题,如
何有效利用能源和保护生态环境
是各国面临的重大课题。因此,对在各领域大量应用的换热
设备,进行强化换热及节能减
阻研究显得至关重要。
本文针对国际上普遍关注的制冷工质替
代及换热器强化换热、节能减阻问题,开展实验
及理论研究。实验方面,搭建了国内首台
CO
2
家用空调系统性能测试实验台,
对系统的
COP
以及工质在换热器内的流动与换热特性随运行工
况的变化规律进行了实验研究,探讨了提高
系统性能的可靠方案;对带有内部回热器的<
/p>
CO
2
跨临界循环的节流损失及其主要影
响因素,
节流损失对系统
COP
的影
响进行了实验分析,
指出了减小系统节流损失、
提高系统性能的
可
靠途径。理论方面,提出了适体坐标和块结构化相结合的复合网格生成方法,自行开发
了三
维适体坐标下的网格生成程序及
SIMPLE
算法程序,并运用该程序对工业领域及空调系统常
用的翅片管换热器进行了大
量数值模拟研究,分析了几何参数对波纹翅片管换热器的总体换
热及阻力性能、
翅片效率等的影响规律,
并从场协同原理的角度对研究结果进行了合理解
释。
同时,考察了平直翅片和波纹翅片表面的局部换热系数和翅片效率分布情况,并在此
基础上
进行了新型高效换热器的设计开发。具体内容及结论如下:
在
CO
2
家用空调系统实验研究方面:
(
1<
/p>
)
搭建了国内首台
CO
< br>2
家用空调系统性能测试实验台。
目前国际上,
CO
2
作为天然制
冷剂
,已经在汽车空调、热水热泵及商业制冷等系统得到了成功应用,然而在家用空调方面
还
处在实验探讨阶段。为了促进
CO
2
制
冷剂在家用空调系统的应用,本文考虑到
CO
2
跨临界
循环的高压侧压力非常高(
7.0-12.0M
Pa
)存在爆炸及容易泄露等问题,自行设计了实验系统
p>
方案,搭建了系统性能测试实验台,系统的设计方案及实验结果的精度和可靠性得到了日方<
/p>
合作伙伴详细验证及充分肯定。在实验台上,分析了家用空调系统的工况参数对蒸发器和气
体冷却器内部的流动和换热性能以及整个系统的总体性能的影响,实验结果发现,
CO
2
家用
空调系统
的
COP
通常在
2-3
之间,略低于常规空调系统;气体冷却器的冷却效果是影响系统
COP
的主要因素,
因此,
强化冷却器的冷却效果是提
高系统
COP
的有效手段;
通过对循环
进
行优化、
对冷却器采取强化换热措施可以使
< br>CO
2
系统的
COP
达到与常规空调系统相当的水平,
从而证明了
CO
2
天然制冷剂用于家用空调系统的可行性。
(
2
)分析了带有内部回热器的
CO
2
跨临界循环的节流损失、节流损
失对
COP
的影响、
影响节流损失的
主要因素。结果表明,内部回热器可以在很大程度上减小节流损失,然而带
有内部回热器
的跨临界循环,
节流过程中仍然有
5%
的冷量损失,
并造成系统
COP
减小近
20%
;
进一步对影响节流损失的主要
因素进行了分析研究,发现冷却器的冷却效果是影响节流损失
的主要因素,冷却效果越好
,节流损失越小,系统
COP
越高。
在换热器的强化换热及节能减阻性能研究方面:
(
3
)
提出了适体坐标和块
结构化相结合的复合网格生成方法,
自行开发了三维适体坐标
下
的网格生成程序及基于
SIMPLE
算法的数值模拟程序。目前
空调领域大量使用的都是波纹
翅片管换热器,波纹翅片管换热器翅片表面之间是波纹形通
道,另外还有管子的存在,结构
非常复杂,网格生成困难,因此对其三维数值模拟研究迟
迟未能展开。本文提出了适体坐标
和块结构化相结合的复合网格生成方法,开发了适体坐
标下的网格生成程序和基于
SIMPLE
算法的流动换热过程的
三维数值模拟程序,所开发的程序可用于三维复杂区域的网格生成及
流动与换热问题的数
值求解,
可以获得换热区域的总体换热及阻力性能,
以及局部换
热系数、
局部温度场、流场的分布特性,并在其基础上对换热设备表面的形状和尺寸进行
优化,从而
实现换热设备的高效强化换热和节能减阻设计。而且该模拟程序可以有效处理
计算区域中同
时存在流体和固体的流固耦合问题。
(
4
)
基于自行开发的三
维适体坐标下网格生成程序及
SIMPLE
算法程序,
对三角形波纹
翅片管换热器空气侧层流流动与换热特性进行了三维数值模
拟研究。重点考查了空气流动的
雷诺数、翅片间距、翅片波纹倾角、管排数对流动与换热
性能的影响规律,并从场协同角度
分析讨论了这些参数的改变引起对流换热效果强化或恶
化的物理本质。研究结果表明,随流
速增加、波纹倾角增加、翅片间距减小、管排数减小
,换热器的换热特性得到强化,与此同
时阻力损失也增加。基于场协同原理,建立了单位
体积换热量和全场平均协同角之间的对应
变化关系。采用之,对波纹翅片圆管及椭圆管换
热器的换热特性随几何参数的变化关系给予
了合理解释,使场协同原理可以更方便地应用
于指导换热器结构的优化设计。
(
5
)分析了波纹翅片的翅片效率及翅片表面平均温度随雷诺数、
波
纹翅片倾角、翅片间
距、翅片厚度及横向管间距的变化规律。结果表明,随着雷诺数、波
纹倾角、翅片间距、横
向管间距的增加以及翅片厚度的减小,翅片表面温度逐渐降低,翅
片效率逐渐减小;针对文
献中常用的忽略翅片效率及翅片厚度的等温模型假设,指出在翅
片材料的导热系数较高,空
气流速相对较小的情况下,
几何参数
对翅片效率的影响较低,
因此在精度要求不高的条件下,
可以采
用忽略翅片效率的等温模型;但是翅片厚度对换热及阻力性能的影响较大,在翅片厚
<
/p>
度和翅片间距的比值不是很小的情况下,应该考虑翅片厚度的影响。
(
6
)
进
一步考察了波纹翅片表面的局部换热系数及局部翅片效率分布,
获得了节能减阻
型换热器的设计原理。波纹翅片管换热器由于结构复杂,三维数值模拟工作开展较少,特别
是波纹翅片表面局部换热系数及局部翅片效率分布的研究尚未见报道,而这些局部参数又是
p>
设计高效节能型换热器所必需的,因此,开展这方面研究非常必要。本文采用数值模拟的方<
/p>
法获得了波纹翅片表面的局部换热系数及局部翅片效率的分布特性。结果表明,局部换热系
数沿空气流动方向逐渐减小;在波峰和波谷的位置,由于波峰破坏边界层,波谷处存在回
流
涡,局部换热系数的变化曲线出现波动;流速越高、波纹倾角越大,波动越明显;局部
翅片
效率沿流动方向逐渐增加,其分布特性主要依赖于翅片表面的温度分布。获得了节能
减阻型
换热器的设计原理:在流速较低时,翅片管换热器的对流换热主要发生在入口区域
,出口部
分的波纹对换热的强化很小,却极大地增加了阻力损失,因此适当增加波纹翅片
管换热器入
口区域的翅片换热面积及波纹倾角,减小出口部分的换热面积及波纹倾角,可
以达到强化换
热、减少阻力、节省耗材的目的。
(
7
)设计了新型的局部波纹翅片形状,并进行了数
值模拟验证。传统的换热器强化换热
措施,在强化换热的同时,往往都会引起阻力的大幅
增加,而且通常都是阻力增加的百分比
大于换热强化的百分比。
本文基于局部换热系数的模拟结果及节能减阻型换热器的设计原理,
设计了波纹翅片位于
上游,平直翅片位于下游的新型翅片形式,并且将该新型翅片的换热及
阻力特性同现有的
波纹翅片和平直翅片进行了对比研究。对比结果表明,相对于原来的波纹
翅片,新型翅片
的换热性能仅仅减小
4%
,而阻力损失却减小了
18%
;相对于平直翅片,新
型翅片的换热性能增加了
45%
,而阻力损失仅增加了
26%<
/p>
,换热的强化大于阻力的增加,证
明了新型翅片结构具有很好的强
化换热及节能减阻性能。
(
8
)
提出了椭圆管波纹翅片的换热器结构形式,
数值研究了椭圆管波纹翅片换热器的流
动与换热特性。结果表明,椭圆管布置相对于圆管
布置,可以在压降仅增加
10%
的条件下,
使换热性能强化
30%
,因此椭圆管代替圆管,可以达到较
好的强化换热和节能减阻的综合效
果。随着椭圆管向心率、翅片间距、横向管间距的增加
以及翅片厚度的减小,椭圆管波纹翅
片换热器的换热系数减小,同时阻力因子也减小。<
/p>
(
9
)
进一步分析了椭圆管的横截面形状对换热及阻力性能的影响。
将
5
种不同管截面形
状的波纹翅片管换热器的换
热和阻力性能进行了对比研究,结果表明,
4
种椭圆管的换热性
能都比圆管好,分别平均强化了
17
.0%
,
16.9%
,
14.6%
,
12.3%
;和
圆管具有相同最窄空气流
通截面的椭圆管的平均阻力损失比圆管高
7.1%
,其他
3
种椭圆管的阻力性
能都比圆管好,分
别减少了
23.9%
,
20.7%
,
17.0%
;从换热的角度,和圆管具有相同当量直径的椭圆管的强化
换热效果最好;
而从减阻的角度看,则是和圆管具有相同管周长的椭圆管的减阻效果最好,
在实际应用时
可以根据具体强化换热与节能减阻要求加以合理选择。
p>
关键词:
CO
2
制
冷剂;跨临界循环;流动与换热;强化换热;场协同原理
Experimental Study on
CO
2
Residential Air-
condition System and
Numerical
Simulation on Enhanced Heat Transfer of Heat
Exchangers
Tao
Yubing
ABSTRACT
In recent
years, the
problems
of
environment and
energy
have been more and more
serious.
Ozone depletion,
greenhouse effect and energy crisis have become
the main challenges for human
being.
The refrigerants used in refrigeration and air-
condition systems not only make ozonosphere
destroyed seriously but also cause
great greenhouse effect. Looking for alternative
refrigerant has
become an exigent task
for refrigeration industry. Due to the favorable
thermophysical properties
and benign
environment effects, CO
2
has
attracted extensive attentions in recent years. On
the other
hand, the requirement for
energy is more and more increasing and the
combustion of fossil energy
exhausts a
large amount of greenhouse gas which aggravates
the greenhouse effect. We are facing
the threats of fossil energy drying up
and environmental pollution. How to effectively
utilize energy
and efficiently protect
ecological environment has become the key issue
for all the countries. So it
is very
important to study the enhanced heat transfer and
decreased pressure drop characteristics of
the heat transfer equipments which are
widely used in many fields.
The
objectives
of
present
dissertation
are
focused
on
the
alternative
refrigerants
of
air-condition
system
and
energy
saving
of
heat
transfer
equipments.
The
corresponding
experimental
and theoretical studies are performed. In the
experimental study, the domestic first test
rig for the performance of
CO
2
residential air-
condition system is set up. The effects of
operating
conditions on the heat
transfer and fluid flow performances of heat
exchangers and the system total
performances are experimentally
investigated. The throttling loss, effect of
throttling loss on COP
and influencing
factors on throttling loss are analyzed for the
CO
2
transcritical cycle with
an inner
heat
exchanger.
Some
reliable
approaches
to
reduce
throttling
loss
and
improve
the
system
performance
are
presented.
In
the
theoretical
analysis,
a
hybrid
grid
generation
technology
is
proposed
based
on
body
fitted
coordinates
and
block
structured
grid
generation
method,
three-dimensional
grid
generation
and
numerical
simulation
codes
are
developed.
Then
the
heat
transfer and fluid flow characteristics
of wavy fin-and-tube heat exchangers which are
widely used
in
industry
fields
and
air-
condition
systems
are
numerically
studied.
The
effects
of
geometric
parameters and
operating conditions on the total heat transfer
and fluid flow performance and fin
efficiency
of
the
heat
exchanger
are
examined.
Then
the
distributions
of
local
heat
transfer
coefficient and fin
efficiency on the plain plate fin and wavy fin
surface are examined. Based on the