二氧化碳微通道气体冷却器的数值仿真与性能优化

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CO_2气体冷却器的熵产分析和优化

从表４和表５中计算结果可知，对于一定外形的换热器，当管数增加（管径为相应最大），温差传热熵产变小，但这种变化的趋势随着管数的增加而趋于平缓；
压降熵产很小，在一定范围内，其变化不影响总熵产数的单调变小趋势，但与前者相反的是，随着管
流动
参数
形式
１０
１２
Ｄｉ
１４
１６
１８
２０
Ｔｗ，ｊ－１－Ｔｓ，ｊＴｗ，ｊ－Ｔｓ，ｊ
（４）
制冷剂与水的传热：
ｑｊ＝（ＫＡ）ｉ，ｊ ΔＴｌｍ
（５）
１．２．２第二定律分析
Ｓｇｅｎ，ｊ＝ ΔＳｒ，ｊ＋ ΔＳｗ，ｊ #０
（６）
等式右边表示两侧流体的熵变：
$ % ΔＳｒ，ｊ＝ｍｒＴｒ，ｊ
!ｈｒ，ｊ－
（５）忽略气体冷却器的散热、漏热损失。
１．２控制方程
基于以上假设，把气体冷却器沿ＣＯ２流动方向分成若干计算微元，ＣＯ２走管程，水走壳程，并利用热力学第一及第二定律在图１所示的微元段上建立能量守恒方程和熵方程。在每一个单元内部，认为工质的物性
２３Ｎｏ．５／２００７
总第１１７期第２８卷
［９］
Ｔｗ，ｉｎ人将数值分析和大量实验数据相结合，分
ｊ－２ｊ－１ｊ顺流
别拟合出了适合于微通道和小管径的ＣＯ２换热关联式。到目前为止，这是比较准确常
图１换热器微元划分示意图
用的两个换热关联式。针对本文研究的小
是均一的。
１．２．１第一定律分析
制冷剂侧：
ｑｒｊ＝ｍｒ［ｈｒ，ｊ－（１Ｔ，Ｐ）－ｈｒ，（ｊＴ，Ｐ）］

跨临界CO2微通道换热器的进展

增加通道数能改善气体冷却器的性能,但是在扁平管宽和微通道管管径不变的情况下,通道数取得太多，使通道间的距离减小,无法承受超临界的高压。
微通道气体冷却器仿真模型验证
扁平管数对气体冷却器换热性能的影响
注意：由此可见扁平管也不需要太多,而且一般换热器也会受到尺寸的限质。
微通道气体冷却器仿真模型验证
Thank You!
韩吉田等设计的微通道内部换热器示意图
微通道气体冷却器仿真模型验证
微通道管内径的变化对二氧化碳气体冷却器性能的影响。
保持扁平管管宽、管长和高度都不变,改变微通道内径从0.6 mm到1.5mm。
换热量最大情况下,设计微通道管直径在0.8mm左右。
微通道气体冷却器仿真模型验证
微通道数对气体冷却器换热性能的影响
非常稳定的化学性质, 既不可燃,也不助燃。
CO2与水混合呈弱酸，不腐蚀不锈钢和铜类。
CO2黏度较小,液体与气体密度的比值较小。
跨临界CO2制冷循环结构及特点
循环系统结构
CO2在压缩机压缩升至超临界进入气冷器冷却，然后流体进入回热器冷却到节流阀节流至亚临界两相流，然后进入蒸发器吸热流入气液分离器，气态亚临界CO2进入回热器吸收一部分从气态冷却器进入回热器超临界CO2流体的热量，再进入压缩机压缩，周而复始。
CO2 跨临界回热循环流程图
Add your text in here
微通道换热器结构及特点
由2个集管和2个集管之间沿水平方向展开的许多扁平微通道换热管组成。
微通道的形状可以采用三角形、方形、圆形和H 形等, 在CO2 微通道换热器中多采用圆形。微通道气体冷却器是超临界二氧化碳制冷装置中的一个重要组成部件 , 其性能的改进对于制冷装置的性能提高起着非常重要的作用.

CO2制冷循环高效换热设备微通道换热器

②实验方案及结果
b.CO2两相流压降（定干度）
G越大，ΔPsmooth越大
Tst越小，ΔPsmooth越大
0<χ<0.9时， ΔPsmooth随χ增加而增加
0.9<χ<1时， ΔPsmooth随χ增加而降低
CO2微通道研究热点
②实验方案及结果
b.CO2两相流压降（定干度）
CO2微通道研究热点
②实验方案及结果
3. 杨凤叶, 刘敏珊, 刘彤, 等. 超临界CO_2微通道平行流气冷器流量分配优化研究[J]. 压力容器, 2013(08):33~37.
4. Li H, Hrnjak P. Quantification of liquid refrigerant distribution in parallel flow microchannel heat exchanger using infrared thermography[J]. Applied Thermal Engineering, 2015, 78: 410~418.
较大的比体积换热系数
管径越小，流动阻力越大
目录
CONTENTS
微通道换热器简介 CO2微通管的换热特性 CO2微通道研究热点参考文献
CO2微通管的换热特性
1.微通道管内径的变化对二氧化碳气体冷却器性能的影响
换热量随通道直径的增加先增大后减小
CO2微通管的换热特性
2.微通道数对气体冷却器换热性能的影响
Thank you
圆管直径0.2-5mm 材料：铝、铜及铜合金
集流管直径15-30mm
圆管平行流换热器结构示意图
微通道换热器简介
平行流管：铝集流管直径15-30mm

CO2热泵双级冷却套管式气体冷却器性能数值模拟

第３Ｏ卷第５期２０１６年１０月
制冷与空调
ＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎａｎｄＡｉｒＣｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ
Ｖ＿０１．３０Ｎｏ．５Ｏｃｔ．２０１６．５２Ｏ～５２４
（１．ＦａｃｕｌｔｙｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＫｕｎｍｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｙｔｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ，６５０５００；
文章编号：１６７１．６６１２（２０１６）０５．５２０．０５
Ｃ２热泵双级冷却
套管式气体冷却器性能数值模拟
马瑞芳李雯李世平罗会龙
（１．昆明理工大学建筑工程学院昆明６５０５００；２．云南省农村科技服务中心昆明６５００２１）
Ｆｌｕｉｄｌｆｏｗｎｄａｈｅａｔｔｒｎｓａｆｅｒｐｒｏｃｅｓｓｅｓｉｎｂｏｔｈｒｅｒｆｉｇｅｒａｎｔｎｄａｗａｔｅｒｓｉｄｅｓｗｅｒｅｎａａｌｙｚｅｄｗｉｔｈｈｅｔｌａｔｅｓｔｐｙｓｂｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
０引言
ＣＯ２热泵备受国内外学者关注，其工质ＣＯ２
对环境友好，ＯＤＰ值为０，ＧＷＰ值为１。此外，

超临界CO_2微通道平行流气冷器流量分配优化研究_杨凤叶

［1 － 3 ］
，因此，气冷器中第一流程
故文换热的好坏是整个气冷器性能好坏的关键，中主要研究微通道平行流气冷器第一流程流量分配不均匀度对换热器性能的影响。主要使用 ANSYS 软件 FLUENT6． 3 对微通道平行流气冷器流并采用火积耗散对由于流量量分配进行数值模拟，分配不均匀导致的热量传递势能的损失进行直观的描述。模型采用变物性，所有物性均通过计算热物性流体性质软件ＲEFPＲOP 获得。变物性数据采用 piecewise － liner 输入。湍流模拟采用 k—ε 湍流方程，压力速度耦合采用 SIMPLIC 算法，二氧压力出口；扁管壁面为恒化碳采用质量流量进口，壁温。为了评价扁管管内流量分配特性，对扁管从上至下依次编号，引入无量纲参数 σ i 和总不均匀度 S。扁管流量分配不均匀度： — mi － m σi = — m 式中 mi — — —第 i 根扁管内的流量， kg / s m— — —平均单根扁管内的流量， kg / s 总不均匀度： S=
∫Q
0
T
vh
d T + QTd v
v
∫
·
（ 4）
单根扁管内的火积耗散为： E i = E inlet － E outlet + QTdv = 式中
v Tt
0
Q vh dT －
∫
0
Q vh dT + QTdv
v
∫
·
（ 5）
Q vh — — —流体所存储的热量， J Q— — —通过固体壁面的热流密度， J / （ m2 ·s）平行流气冷器整体模型的总火积耗散：
积耗散关键词：平行流气冷器; 流量分配不均匀度; 火

翅片管式CO_2气体冷却器模拟与优化

摘要为了研究Ｃ，Ｏ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：
Ｃ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Ｏ，
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。关键词热工学；Ｃ，Ｏ；翅片管；气冷器；模拟；优化计算
中图分类号：Ｔ６；Ｑ５．Ｔ３１Ｂ２Ｔ０１；Ｐ９．５９
文献标识码：Ａ
ＳｍｕａｉｎａｄＯｐｉｉａｉｎ０ｉｌｔｏｎｔｍｚｔｏｆＣｏ，Ｆｉ．ｕａｏｅｎｔｂｅＧｓＣｏｌｒ
Байду номын сангаас
ｏｔｚｔｎｃｌｕａｉｎｗａａｒｅｕ．ｈｆｅｔｆｔｅｃｎｇｒｔｎｐｒｍｅｅｓａｄｔｅｂａｃｕｅｎｔｅｐｒｏｍａｃｆｐｉａｉａｃｌｔｏｓｃｒｉｄｏｔＴｅｅｆｃｏｆｕａｉａａｔｒｎｈｒｎｈｎｍｂｒｏｅｆｒｎｅｏｍｉｏｏｈｉｏｈ
ｏｅＣＯ２ｓｄｎｔｅｃｅｃｅｔｏｅｔｒｎｆｒｏｆｇｒｎ，ｈａａｉｆａｏｌｒａｄｔｅｐｅｓｒｒｐｗｅｅｓｄｅ．ｄｆｔｈｉｅｏｈｏｆｉｎｆｈａａｓｅｆｒｒｅａｔｔｅｃｐｃｔｏｓｃｏｅｎｒｓｕｅｄｏｒｔｉｄＡｎｉｔｅｉｙｇｈｕ

CO2气体冷却器的熵产分析和优化

１１基本假设．
由于气体冷却器在超临界压力下工作，在整个换
热过程中，热交换介质，尤其是ＣＯ的温度变化很大，
引起物性参数的变化也很大，因此，简单地采用集中参数单节点模型可能会引起较大的误差，而采用分布参
● ●
中图分类号：Ｔ８１４Ｕ３、
文献标识码：Ａ
文章编号：０６８４（０７）５０２ — ５１０ —４９２００ — ０３０
０引言
近年来，自然工质的使用正重新受到重视，中对其跨临界Ｃ：泵热水器的研究正逐渐成为国内外Ｏ热研究的热点。与常规热泵热水器相比，Ｏ跨临界循环Ｃ：在热泵应用领域具有其它工质无法比拟的优势。系统中气体冷却器的放热过程与传统亚临界系统冷凝器中的冷凝放热过程有很大不同，气体冷却器通常在超临界区运行，冷剂没有相变，制而压力和温度是相互独立的参数，制冷剂与水的温度分布曲线更加接近，温差不可逆损失减小，外，另系统压缩机排气温度高，级压单缩情况下能制造出７～００９％的高温热水。ｉＬａ人ｏ等于２０００年通过对Ｃ：临界循环的分析，Ｏ跨拟合出了高压侧最优运行压力的关系式，并表明气体冷却器作为跨
１２控制方程．
代表的热力学第二定律分析方法越来越受到重视和采
用，对传统系统换热器的熵产分析，国内外已有相对较

CO2热泵双级冷却套管式气体冷却器性能模拟分析

CO2 热泵双级冷却套管式气体冷却器性能模拟分析
马瑞芳 1 罗会龙 1 杜培俭 2 林辩启 1 李永亮 2 杨晓川 2
(1 昆明理工大学建筑工程学院，昆明 650500；2 昆明东启科技股份有限公司，昆明 650106)
摘要
建立了跨临界 CO2 制冷系统中双级冷却套管式气体冷却器模型，对管内 CO2 侧和水侧的流动及换
图 2 双级冷却套管式气体冷却器计算模型
为适度简化计算，假设：1）在每个微单元内， (6) 管的内壁温恒定，水、CO2 定性温度采用平均温度，这以减小由于变物性所带来的计算误差； 2）水、 CO2 式(6)中为相对粗糙度，根据实测数据，本文计算选用的绝对粗糙度为 5 m。平均分到每一根套管内，且管道间没有热传导。 CO2 侧的传热系数：对于每个流程中给定的第 j 段，可以根据能量平衡，水侧和 CO2 侧的换热量分别由式(1)和式(2) (7) hc Nu d 确定：式(7)中：为的导热系数(W· m-1K-1) ； d 为内管直 (1) Q j cwp mw (Tw1, j Tw2, j )
基金项目：国家科技支撑计划项目(2012BAA13B02)；国家自然科学基金
力剧烈变化，使得管内的流动换热数值计算较为复杂。对比分析文献[2~6]， Gnielinski 公式的计算值与实验值吻合较好。本文以能量平衡的方法建立气体冷却器模型，采用 Coolpack 软件进行 CO2 的热物性计算，分析各因素对双级套管式气体冷却器换热性能的影响。
Abstract A model was developed for two-stage tube-in-tube gas cooler in trans-critical carbon dioxide refrigeration systems. Fluid flow and heat transfer processes in both refrigerant and water sides were analyzed with the latest physical properties database and the corresponding correlations. The model was validated by the comparison between simulation result s and experimental data under various conditions. Further more, the influences of major parameters on two-stage tube-in-tube gas cooler performance were analyzed and discussed. The model developed in this paper could be used for the optimal design of gas coolers. Keywords CO2 heat pump Trans-critical cycle Two-stage tube-in-tube gas cooler Numerical simulation

微通道节流制冷器热力学仿真及结构优化

微通道节流制冷器热力学仿真及结构优化杜艳君;陈双涛;李家鹏;陈军;侯予;陈良【摘要】建立了微通道节流制冷器系统热力学模型,通过对微通道换热器性能优化和所适配的节流结构设计,依据最小熵产法,提出了制冷器性能优化方法.对制冷器内部的流动换热进行了数值仿真,并对换热器的结构尺寸(长、宽、高)进行优化,得到了125 K制冷温度且质量流量在1-5 mg范围内换热器结构的最优设计参数.基于优化后的换热器结构,分别对节流结构进行设计,以满足系统运行工况参数要求.最后,将换热器的优化结构和设计的节流结构组成的微通道节流制冷器行系统仿真,对优化设计参数进行校核,校核偏差小于1％.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2018(000)006【总页数】6页(P8-13)【关键词】微通道节流制冷器;数值仿真;结构优化;节流结构【作者】杜艳君;陈双涛;李家鹏;陈军;侯予;陈良【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院西安710049;西安交通大学能源与动力工程学院西安710049;昆明物理研究所昆明650223;昆明物理研究所昆明650223;西安交通大学能源与动力工程学院西安710049;西安交通大学能源与动力工程学院西安710049【正文语种】中文【中图分类】TB6111 引言早期的微型节流制冷器由螺旋盘管式翅片管式换热器、膨胀喷嘴和封闭腔室组成，通过高压气体膨胀产生的焦耳-汤姆逊节流效应达到制冷效果，装置很小，如某制冷器直径为7 mm、长度为44 mm[1]。

由于闭式循环需要超高压压缩机，结构复杂、成本高，因此一般采用开式循环。

但由于其制冷量和质量流量相对较大，导致每瓶气体的运行时间较短，一定程度上限制了其在冷却实验室设备、低噪声电子设备或仪器方面的发展。

微通道节流制冷器是由配置在同一块基板材料上的微通道换热器、节流结构、蒸发器构成，采用光刻工艺加工，典型结构如图1所示。

制冷器通道尺寸能达到微米级，质量流量随之减小，原有的缺点不复存在，此外，又有结构简单、无运动部件和无振动等优点。

二氧化碳微通道气体冷却器的数值仿真与性能优化

ha = Ga c pa S t
3 模型的计算与验证
本文应用此模型对微通道气体冷却器进行了模拟计算 , 采用 EES 软件 , CO2 和空气的热物性来自 N IS T Ref rigerant Database R EFPRO P[ 6 ] . 采用文献 [ 2 ] 的实验条件得到了仿真结果 , 并与实验数据进行了比较 ( 见表 3) . 图 4 、图 5 为表 3 中条件 1 时的模拟结果 , 分别显示了制冷剂传热系数 h 、N usselt 数、温度 T r 及压降 Δ pr 、Reynolds 数在 3 个流程内沿流动方向的变化 . 由图中看到 , 第一流程内温降最多 , 在第二流程内温度到达虚拟临界温度 , 传热系数 h 、 N u 达到峰值 , Re 迅速下降 , 这是由于在虚拟临界点附近 CO2 的热物性变化迅速引起的 . 由表 3 发现 , 制冷剂出口温度的计算值与实验值非常接近 , 差别在 ± 01 5 ℃ 之间 , 而管内压降的值两者相差较大 , 计算值明显小于实验值 . 这种差别产生的原因还不能很确切地知道 . 根据文献 [ 2 ] 的说明 , 对实验用气体冷却器进行剖切后发现 : 微通道内径只有标准值 01 79 mm 的 94 % , 其中还有 39 %的管道出现了不同程度的堵塞 . 这可能是实验压降较大的主要原化工学报 Vol1 56 No1 9 Journal of Chemical Indust ry and Engineering ( China) September 2005
基金项目 : 国家自然科学基金项目 (59806002) .
・1 7 2 2 ・
化工学报
第 56 卷
Fig1 1 Configuration of louvered fin CO 2 gas cooler

超临界CO2气体冷却器的研究设计及可视化实验的开题报告

超临界CO2气体冷却器的研究设计及可视化实验的开题报告一、选题背景随着现代工业技术的发展，各种新型设备和工艺逐渐应用于工业生产中。

其中，由于工业生产过程中涉及到大量的能量传递问题，如何高效地获得、传递和利用能量成为了工业领域中要解决的重要问题之一。

在此背景下，超临界CO2气体冷却器的研究逐渐引起了人们的关注。

超临界CO2气体冷却器是一种新型的高效能量转换设备，它可以将高温高压的CO2气体在变压器、电缆、发动机等能量传递系统中进行冷却和能量回收，从而使系统的效率得到提高。

由于其具有高效、环保、安全等特点，因此在工业生产和科学研究领域都有广泛的应用前景。

二、研究目的和意义本研究旨在通过对超临界CO2气体冷却器的研究设计和可视化实验，探索其在能量转换系统中的应用发展方向和优化空间，同时也为工业生产和科学研究领域提供有益的参考信息，有以下具体目标：1. 分析超临界CO2气体冷却器的工作原理与特点，明确研究方向和重点。

2. 设计并制作超临界CO2气体冷却器的实验装置，确保实验的准确性和可靠性。

3. 开展超临界CO2气体冷却器的可视化实验，通过图像和数据分析探究其效率和输出能力等相关参数。

4. 在实验基础上，开展超临界CO2气体冷却器的性能分析和优化探究，为其应用提供科学依据。

三、研究内容1. 超临界CO2气体冷却器的工作原理和特点分析。

2. 超临界CO2气体冷却器实验装置的设计和制作。

3. 超临界CO2气体冷却器可视化实验的开展。

4. 超临界CO2气体冷却器的性能分析和优化探究。

四、研究方法1. 文献综合分析：通过检索相关文献和研究资料，分析超临界CO2气体冷却器的工作原理和性能特点等相关信息。

2. 实验设计：设计制作超临界CO2气体冷却器实验装置，确保实验的准确性和可靠性。

3. 可视化实验：使用相应的软件平台，开展超临界CO2气体冷却器的可视化实验，获得相关的图像和数据分析结果。

4. 数据分析：通过对实验结果进行数据处理和分析，探究超临界CO2气体冷却器的性能和优化空间。

基于模型的二氧化碳微通道气体冷却器性能分析

范围．
关键词微通道气体冷却器
二氧化碳分布参数模型５Ｂ６
文献标识码
Ａ
文章编号
０３４８—１５（０２８—０３ —０１７２０）０８２５
ＭｏＤＥＬＩＧＮＡＮＤＰＥＲＦｏＲＭＡＮＣＥＮＡＬＹＳＳＯＦＡＩＣＡＲＢＯＮＤＩｏＸＩＤＥＩＭＣＲＯＣＨＡＮＮＥＬＡＳＣｏｏＬＥＲＧ
ＨＵＡＮＧｎｇｎｇ，ＬＩＤｏｐｉＡＮＧＺｈｅｎｑｉｎ，ＤＩａＮＧＧｕｏｉｎｇａｌａｎｄＺＨＡＮＧＣｈｕｕｎｌ
（ｎｔｕｅｏｅｒｅａｉｎｒｏｅｉｇｎｅｉｇ，ＳａｇａｉｏｎｉｅｓｔＩｓｉｔｔｆＲｆｉｒｔｎａｄＣｙｇｎｃＥｎｉｅｒｇｏｓｎｈｎｈｉａｔｇＵｎｖｒｉＪｏｙ，Ｓｎｈｉ２０３Ｃｉａ）ａａｈｇ０００，ｈｎ
基于模型的二氧化碳微通道气体冷却器性能分析
黄冬平梁贞潜丁国良张春路
（海交通大学制冷与低温工程研究所。上海２０３）上０００摘要建立了跨临界二氧化碳制冷装置中对整个系统性能有很大影响的重要部件微通道气体冷却器的分布参
ｉｏｆｇｒｔｎｐｒｅｅｓｓｃｓｍｉｒｈｎｅｄａｅｅ，ｎｍｂｒｏｉｒｃａｎｌ，ｕｔｃｎｉｕａｉａａｔｒ，ｕｈａｃｏａｎｌｉｓｏｍｃｍｔｒｕｅｆｍｃｏｈｎｅｓｎｍｂｒｏｕｅ，ｅｆｔｂｓ

小型CO2热泵系统用气体冷却器仿真研究

小型CO2热泵系统用气体冷却器仿真研究作者：王勤陶乐仁王栋刘银燕来源：《能源研究与信息》2017年第01期摘要： CO2气体冷却器的结构和换热效果对CO2跨临界循环影响较大.为设计出高效的气体冷却器，有必要对其性能进行模拟和优化.采用有限单元法建立了小型CO2热泵热水器中气体冷却器稳态分布参数模型，分别对其CO2侧和水侧的流动与换热进行了数值仿真，运用该模型分别针对CO2侧进口压力对气体冷却器设计管长和CO2换热性能的影响进行了分析.结果表明，CO2侧进口压力在8～12 MPa时，从8 MPa开始每递增1 MPa，换热系数峰值比压力增加1 MPa前的依次递减约57.14%、33.33%、25.00%、9.83%，设计管长比压力增加1 MPa前的依次递减约55.60%、18.75%、11.33%、9.09%.综合考虑管道耗材与CO2换热能力，针对小型CO2热泵系统，气体冷却器CO2侧进口压力取8.5～10 MPa较合理.研究可为气体冷却器设计提供理论指导.关键词：气体冷却器；有限单元法； CO2；仿真中图分类号： TU 83文献标志码： AAbstract： The structure and heat transfer performance of CO2 gas cooler have great impact on CO2 transcritical cycle performance.In order to design a gas cooler with high efficiency，it is necessary to conduct the performance study by numerical simulation and thus the optimization of CO2 gas cooler.Steadystate distributed parameter model of gas cooler in a small CO2 heat pump system was established using finite element method.The flow and heat transfer characteristics on both sides of water and CO2 were studied.The effect of CO2 inlet pressure on designed tube length and heat transfer coefficient of CO2 was analyzed.The results showed that when the CO2 inlet pressure increased from 8 to 12 MPa in 1 MPa increments，the maximum heat transfer coefficient of CO2 decreased by 57.14%，33.33%，25.00% and 9.83% in order.The designed tube length of gas cooler decreased by 55.60%，18.75%，11.33% and 9.09% in order.The reasonable inlet pressure of CO2 was achieved in the range of 8.5 to 10 MPa，taking the tube cost and heat transfer coefficient of CO2 into consideration.The model can provide a theoretical guidance for the design of gas cooler.Keywords： gas cooler； finite element method； carbon dioxide； numerical simulation由于CFCs （氯氟烃）与HCFCs （含氢氯氟烃）会对臭氧层造成破坏并对全球变暖产生重要影响，为保护环境，制冷剂的替代问题已成为全世界共同关注的对象.前国际制冷学会主席G.Lorentzen提倡使用自然工质作为替代制冷剂，并首先提出了CO2跨临界循环理论，受到了制冷领域的普遍关注[1].CO2跨临界循环的放热过程是一个伴随有较大温度滑移的变温过程，这与水加热时温度升高相吻合，是一种特殊的洛伦兹循环，可以减少由温差引起的传热不可逆损失，有利于提高循环的COP（性能系数）；另一方面，CO2跨临界循环高压侧压力较高，这也导致了压缩机排气温度较高，但这非常适合用于热泵热水器领域，可得到更高温度的热水.1994年，挪威科技工业研究所Sintef率先对CO2跨临界循环进行了研究，结果表明，将水温从9 ℃加热到65 ℃，其COP可达4.1，比电加热热水器和燃气热水器节约能耗75%左右[2].日本DENSO公司在2000年制造了第一个基于Shecco技术的热泵热水器.此后，大金、三洋、日立、三菱、松下等公司相继研发出适合民用的热泵热水器.近十五年来，挪威、德国、奥地利、美国等国家的学者，日本三洋、大金、日立等公司研发人员以及我国天津大学、上海交通大学等高校研究人员均对CO2热泵热水器系统进行了广泛研究，其中在日本政府的大力支持下CO2热泵热水器已于2001年进入商业应用阶段[3].理论与实际应用均表明，CO2作为替代制冷剂不仅在保护环境方面功效卓著，而且在热泵热水器领域应用前景广阔.CO2超临界放热过程发生在超临界区，温度与压力相互独立，换热过程依靠显热完成，加上CO2特殊的热物性与流动传输性，使其放热过程与传统制冷剂有很大不同.气体冷却器（简称气冷器）作为热泵热水机组重要部件之一，其换热效果直接影响系统的性能和运行经济性[4]，因此有必要对CO2超临界放热过程的流动特性进行研究.1CO2气冷器模型建立本文所研究的气冷器为水冷式套管换热器，采用光滑圆管作套管，内套三根螺旋铜管进行换热.螺旋铜管示意图如图1所示.内管通入CO2制冷剂，内管与外管间通入冷却水.由于气冷器内的换热过程发生在临界区附近，当CO2处于准临界状态时，物性变化非常剧烈.本文采用微元法，即将气冷器沿制冷剂流动方向划分成微元段，再对每个微元段按集总参数法建模[5].为了简化模型，对每段微元作如下假设：①忽略气冷器与周围环境的换热；②气冷器稳态运行；③制冷剂平均分配至每段微元内，管路沿轴向不存在热传导；④CO2和水沿管路轴向一维流动，并忽略水侧压降.沿着CO2流动方向将气冷器划分为等长度的N段.在每段微元中，CO2与水处于逆流换热状态.第j段微元（j=1、2、…、N）如图2所示，其中：do，i为微元段外管内径，m；di，i、di，o分别为微元段内管内径和外径，m；twj，in、twj，out分别为微元段内外管间环隙水侧进口、出口温度，℃；trj，in、trj，out分别为微元段内管中CO2侧进口、出口温度，℃.因为是全逆流，每段微元的制冷剂出口参数等于后一段微元的制冷剂入口参数[6].每段微元中，根据水侧吸热量、CO2侧放热量以及由传热方程计算的对流换热量建立平衡方程进行求解.式中，Re为CO2侧雷诺数.2CO2套管式气冷器模型的设计本文建模时假定制冷剂只有一个流程，即可看成是一维流动.沿着制冷剂流动的方向，采取步长为0.05 m来划分微元.计算以气冷器的进口端为起点，每段微元的制冷剂出口参数即为下一段微元的制冷剂进口参数.由于微元很短，所以在对每段微元进行计算时，以其制冷剂进口处物性代替整段微元内制冷剂的物性，以其冷却水出口处物性代替整段微元内冷却水的物性.每段微元中制冷剂进口物性均通过调用MATLAB软件中的Refprop8查询，所有程序采用MATLAB2012a进行编写.表1为气冷器仿真基准工况.气冷器模拟设计算法采用微元求解法.程序开始后，根据已知条件、能量平衡原理以及相关对流换热原理，计算第j段微元CO2进口温度、冷却水出口温度和微元段换热量，并将计算结果与twj，in相比较.如果计算结果大于twj，in，则将在第j段微元中计算得到的出口参数赋值为下一段微元入口参数，继续计算下一段微元CO2进口温度和冷却水出口温度；如果计算结果小于twj，in，则程序停止运算，输出结果.气冷器模型计算流程如图3所示.经过计算，在第104段微元处冷却水进口温度为16.93 ℃，小于设定值17 ℃，此时整个循环结束.由于计算步长为0.05 m，所以若要满足基准工况，所需气冷器设计管长为5.2 m.将各段微元换热量相加，可得总换热量为1 501.42 W.3气冷器仿真结果分析3.1CO2侧和水侧温度沿制冷剂流动方向的变化图4为由计算获得的气冷器CO2侧和水侧温度沿制冷剂流动方向的变化.CO2进入气冷器后初始阶段温度下降较快，之后温度趋于平缓，水侧温度从入口至出口缓慢上升.其原因是微元段水侧出口温度与CO2侧进口温度最初的温差较大，此时换热量较大，CO2侧温度下降较快.随着CO2侧温度逐渐下降，其定压比热容随之变大，换热系数与定压比热容成正比，所以此时CO2的换热系数较大，温度下降也趋于平缓.最后，当CO2侧温度下降至亚临界区域时，定压比热容与换热系数均逐渐减小，温度逐渐降低.水侧温度从入口至出口近似线性上升，导致CO2侧和水侧温差沿制冷剂流动方向逐渐减小.3.2CO2侧进口压力对CO2换热系数的影响图5为由程序模拟出的在不同CO2侧进口压力下CO2换热系数随温度的变化.由图可知，CO2换热系数峰值随着压力增大逐渐减小.CO2侧进口压力在8～12 MPa时，以8 MPa为基准每递增1 MPa，其换热系数峰值比压力增加1 MPa前的依次递减约57.14%、33.33%、25.00%、9.83%.这是因为CO2在临界点附近物性变化最为剧烈，所以进口压力越接近临界压力，其对应换热系数峰值越高.由图5可知，CO2热物性在不同压力时的换热过程中变化剧烈，在假临界温度附近换热系数最高，随着温度升高换热系数逐渐减小，而且减小的幅度也逐渐变小.3.3内、外管径对气冷器设计管长的影响在基准工况下分别改变铜管内、外管径，模拟CO2气冷器设计管长随内、外管径的变化，结果如图6所示，图中，管径参数皆取外径作为参考值，壁厚与基准工况一致.在相同外管径条件下，内管径在0.005 5～0.008 5 m范围内从0.005 5 m开始依次递增0.001 0 m时，气冷器设计管长比管径增加0.001 0 m前依次递减约30.33%、18.95%、15.58%；在相同内管径条件下，外管径在0.018～0.024 m范围内逐渐增大0.003 0 m时，气冷器设计管长会递增约2 m.从节约材料角度分析，设计气冷器时应选择内管径较大、外管径较小的铜管作为套管.可见，选择合适的管径对材料成本等有非常重要的影响.3.4CO2进口压力对气冷器设计管长的影响CO2气冷器设计管长随CO2侧进口压力变化如图7所示.气冷器设计管长随进口压力增大总体呈下降趋势，但下降速率趋于平缓.因为随CO2侧进口压力增大，CO2定压比热容逐渐减小.由图5可知，CO2侧换热系数随压力升高逐渐降低，总换热系数也随之下降.此时，当放出相同热量时，CO2侧温度在较高进口压力工况时相比于在较低进口压力工况时下降得更快，每段微元中CO2侧出口温度更低.由式（1）～（4）可知，微元段水侧进口温度也随之下降，此时预计达到目标冷却水进口温度所需的微元段数目减少.由于微元段长度一定，所以设计管长随进口压力增大逐渐减小.由图5可知，CO2侧换热系数随压力增大逐渐降低，且减小幅度逐渐变小，则所需微元段数目减少的速率随之降低，所以设计管长随CO2进口压力增大逐渐减小，且减小速率逐渐放缓.CO2侧进口压力在8～12 MPa时，从8 MPa开始每递增1 MPa，其设计管长比压力增加1 MPa前的依次减小约55.60%、18.75%、11.33%、9.09%.在8.5～10 MPa 范围内，所需设计管长减小速率开始放缓，超过10 MPa后，减小趋势并不明显，且压力过高，易引发制冷剂泄漏、管道破裂等问题，所以小型CO2热泵系统进口压力设定在8.5～10 MPa可节约管材，且不易发生危险[10].4结论（1）对气冷器内CO2侧和水侧温度沿制冷剂流动方向随管长分布进行了模拟仿真，结果显示，CO2侧和水侧温差逐渐减小，CO2温度变化与水加热温度变化趋势相吻合，有利于减少由温差导致的传热不可逆损失.（2） CO2热物性在不同压力时的换热过程中变化剧烈，在假临界温度附近换热系数最高，随温度升高换热系数逐渐减小，且减小幅度逐渐变小.（3）气冷器设计管长与内管径变化呈负相关，与外管径变化呈正相关.从节约材料角度分析，设计气冷器时应选择内管径较大、外管径较小的铜管作为套管.（4）小型CO2热泵系统用气冷器设计管长随进口压力的增大逐渐减小，在8.5～10 MPa 范围内，所需设计管长减小速率开始放缓，比较有利于节约气冷器设计管材，且在可控的铜管耐压安全范围内，不易发生危险.参考文献：[1]秦海杰，李鹏冲.CO2跨临界循环与常规制冷剂循环性能比较[J].制冷与空调，2014，14（2）：50-53.[2]ZHANG J F，QIN Y，WANG C C.Review on CO2 heat pump water heater for residential use in Japan[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2015，50：1383-1391.[3]吕静，周传煜，王伟峰.跨临界CO2热泵热水器的应用研究[J].节能，2009，28（1）：10-13.[4]吕静，徐峰，王金雨，等.二氧化碳套管式气体冷却器换热性能的实验研究[J].制冷学报，2014，35（4）：67-72.[5]刘圣春，马一太，刘秋菊.CO2水冷气体冷却器理论与实验研究[J].制冷与空调，2008，8（1）：64-68.[6]谌盈盈，廖胜明，黄珍珍.跨临界二氧化碳热泵热水系统气冷器的仿真分析[J].制冷与空调，2007，21（4）：26-31.[7]GNIELINSKI V.New equations for heat and mass transfer in turbulent pipe and channel flow[J].International Chemical Engineering，1976，16（2）：359-368.[8]杨世铭，陶文铨.传热学[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.[9]DEWITT F P，INCROPERA D P.Fundamentals of heat and mass transfer[M].3rd.New York：John Wiley & Sons，1990.[10]胡卫荣.空调换热器用铜量对空调器性能的影响分析[J].能源研究与信息，2015，31（1）：38-42.。

CO2微通道气体冷却器压降与传热特性研究

CO2微通道气体冷却器压降与传热特性研究李程;巫江虹;崔晓龙;文光彩;何冰强;陈基镛【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2010(044)009【摘要】在微通道平行流式气冷器内进行了CO2的压降和换热特性实验研究,探讨了跨临界CO2循环换热过程中制冷剂质量流量、系统压力对气冷器换热性能、进出口压降的影响.实验结果表明:在接近临界温度时,CO2物理性能受压力和温度的影响较大,换热系数是远离临界区的7～9倍;随着CO2质量流量的提高,微通道管内流体Re相应提高,而较高的Re又使得湍流扩散率、管内温度梯度增大,同时在制冷剂入口附近的微通道换热器高温区域面积增大,表明当系统压力相同时,制冷剂入口温度随CO2质量流量的增加而增大.在一定的质量流量或压力下,存在着一个最佳的压力或质量流量,使得气冷器进出口压降达到最小.随着Re增加,气冷器的CO2压降关联式的预测精度均有所提高,为此提出了新的换热关联式和压降关联式.【总页数】6页(P48-53)【作者】李程;巫江虹;崔晓龙;文光彩;何冰强;陈基镛【作者单位】华南理工大学机械与汽车工程学院,510641,广州;华南理工大学机械与汽车工程学院,510641,广州;广州万宝集团公司,510620,广州;广州万宝集团公司,510620,广州;华南理工大学机械与汽车工程学院,510641,广州;广东水利电力职业技术学院,510635,广州;宝马利汽车空调设备有限公司,529565,广东,阳江【正文语种】中文【中图分类】TB657.5【相关文献】1.微通道内超临界CO2压降与传热特性的数值分析 [J], 吴金星;王任远;尹凯杰;潘彦凯2.跨临界CO2汽车空调微通道气体冷却器的设计开发 [J], 邓建强;姜培学;石润富;李建明3.电冰箱用微通道冷凝器制冷剂侧传热与压降特性试验研究 [J], 吕凯萍;杜鹏飞;王德昌;李立顺;李延辉4.微通道内超临界二氧化碳的压降与传热特性 [J], 淮秀兰;Shigeru Koyama5.陶瓷微通道内的传热和压降特性 [J], 俞坚;马重芳;JOHN Lawer因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

CO2微通道气体冷却器

整体翅片式微通道换热器在汽车空调乃至家用空调中，具有取代传统微通道换热器及管翅式换热器的可能性，具有很好的应用前景。
参考文献
[1] Lorentzen G., Pettersen J. A new efficient and environmentally benign system for car air conditioning[J]. Int. J. Refrig, 1993, 16 (1): 4-12 . [2] Jostein Pettersen. An efficient new automobile air-conditioning system based on CO2 vapor compression[J]. ASHRAE Transations, 1994, 16: 226-234. [3] 李炅. 二氧化碳微通道气体冷却器的流动传热特性研究[D].华南理工大学,2011.
低流动阻力
仿真模拟
沿气流方向（i 方向）和制冷剂的流动方向（j 方向），换热量都在减小
合适的制冷剂流动距离
气体冷却器换热量
结论
预测气体冷却器换热量和制冷剂侧压降的误差分别为± 5％和± 8％
在高雷诺数下，整体翅片式微通道气体冷却器换热性能优于传统微通道换热器。
二氧化碳微通道气体冷却器迎面风速呈倾斜式空气分布（降序）有最好的换热效果。
背景及意义
CO2汽车空调
1994 年， “RACE”
2003
CO2微通道气体冷却器
管片式气冷器
超临界：10MPa
平流式气冷器
紧凑
CO2微通道气体冷却器
微通道气体冷却器结构图
仿真模拟整体翅片式微通道气体冷却器
换热量
仿真模拟

157.CO2 家用空调管翅式气体冷却器性能的数值研究

CO2家用空调管翅式气体冷却器性能的数值研究陶于兵，　何雅玲，　吴志根，　陶文铨　（西安交通大学能源与动力工程学院，动力工程多相流国家重点实验室，７１００４９，西安）　摘要：为了分析ＣＯ２家用空调系统中气体冷却器的工作性能及影响因素，对家用空调系统中常用的管翅式换热器，建立了一个分布式仿真模型进行了变工况、变管路布置的数值模拟，对管翅式换热器几种常见的管路布置方式，给出了气体冷却器的换热和压降性能随制冷剂和空气进口状态变化的情况。

同时引入微通道平行流冷凝器变流程数目的思想，提出了一种新型“双进单出”逆流布置的换热器，该换热器的换热性能和“单进单出”逆流布置相当，但是ＣＯ２的压降要比“单进单出”逆流布置低５０％，具有较好的应用潜力。

　关键词二氧化碳；气体冷却器；换热器性能分析；管路布置Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｃｏ２　ｔｕｂｅ－ｆｉｎ　ｇａｓ　ｃｏｏｌｅｒ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ　ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｅｔｅｍ TAO Yu-bing, HE Ya-ling, WU Zhi-gen, TAO Wen-quan(State K ey Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiao Tong University, Xi’an 710049)Ａｂｓｔｒａｃｔ: In order to study the performance of CO2 tube-fin gas cooler used in residential air-condition system, a distributed simulation model was developed a nd numerical simulations were conducted under different working conditions and different refrigerant circuitry. For several refrigerant circuitries often used in engineering, the variation tendencies of the heat transfer and pressure drop with the inlet conditions of air and refrigerant are provided. In addition, a new circuitry mode is proposed stimulated by the parallel condenser with microchannels in which the number of flow channels varies along the flow direction. This proposed mode has the same heat transfer capability while the refrigerant pressure drop only half of that of conventional circuitry, exhibiting great application potentialＫｅｙ　ｗｏｒｄｓ: carbon dioxide; gas cooler; performance analysis of heat exchanger; refrigerant circuitry随着人们环保意识的增强，目前空调热泵制冷系统中广泛应用的氟利昂工质的替代问题，已经成为人们关注的又一焦点，自然工质的重新使用正在不断受到重视。

CO_2气体冷却器的设计及实验研究

300． 26
38． 3
25
324． 20
40． 3
30
348． 14
42． 5
35
372． 08
46
40
396． 03
51． 8
45
419． 97
60． 5
50
443． 91
72． 1
55
467． 85
86． 3
60
491． 79
气冷器中 CO2 工质与水的最小传热温差约为 6 ℃ ，足够满足传热的要求。
图 2 CO2 管内冷却的各换热关联式比较 Fig． 2 Comparison of different cooling heat transfer
correlations in CO2 tube
图 1 气体冷却器结构示意图 Fig． 1 Schematic diagram of gas cooler structure
文献标识码： A
文章编号： 1005-9954（ 2014） 11-0056-05
DOI： 10． 3969 / j． issn． 1005-9954． 2014． 11． 012
Design and experimental study on CO2 gas cooler
XIE Miao-miao，GUAN Xin，DANG Xiang-bing （ School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science ＆ Technology，Shanghai 200093，China） Abstract： It shows superiorities in transcritical CO2 heat pump system for water heating applications due to its large high-side temperature glide and better matching with the secondary fluid． In order to optimize the performance of gas cooler and improve the performance of CO2 heat pump system，the gas cooler of CO2 heat pump water heater was designed，and the experimental study was carried out． The structure of the double pipe gas cooler was designed based on the Gnielinski heat exchange correlation formulas，with gas cooler length 14 m，inner tube 6 mm，outer tube diameter 14 mm，and wall thickness 1 mm． The experiments were carried out under different conditions with CO2 heat pump system experiment platform． The average COP of heat pump system is 1． 8， the average instantaneous condensing power is 1 400 W，and the heat transfer coefficient of the instantaneous total average value is 745 W / （ m2 ·K）． Key words： CO2 ； gas cooler； double pipe； COP

CO2汽车空调气体冷却器的仿真分析

CO2汽车空调气体冷却器的仿真分析
简林桦;梁子伟;邢琳;关欣
【期刊名称】《能源工程》
【年(卷),期】2016(000)005
【摘要】以CO2汽车空调气体冷却器为研究对象,使用ANSYS软件对CO2气体冷却器的换热模型进行了数值模拟,显示了CO2在气冷器内沿程的温度场和速度场的变化,分析了排气压力、CO2的流量以及冷却水流量对CO2流动和换热的影响.模拟结果表明:压力增高时,出水温度提高,气冷器的CO2出口温度降低,适当提高排气压力是有利的;CO2流量的增加使两侧流体的出口温度都相应提高,而CO2的出口温度提高对系统是不利的,制冷剂流量不能太大;增大水流量能降低气冷器的出口温度,对系统循环有利,可适当增大冷却水的流量.
【总页数】8页(P21-28)
【作者】简林桦;梁子伟;邢琳;关欣
【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093
【正文语种】中文
【中图分类】TB61
【相关文献】
1.CO2气体冷却器性能测试实验台设计 [J], 杨二阳;李征涛;杨淑玲;戎耀鹏;韩聪
2.CO2热泵双级冷却套管式气体冷却器性能数值模拟 [J], 马瑞芳;李雯;李世平;罗会龙
3.跨临界CO2汽车空调微通道气体冷却器的设计开发 [J], 邓建强;姜培学;石润富;李建明
4.小型CO2热泵系统用气体冷却器仿真研究 [J], 王勤;陶乐仁;王栋;刘银燕
5.二氧化碳热泵热水器微通道气体冷却器的仿真分析 [J], 李蒙;陈曦;张华
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