CO2微通道蒸发器的研究和性能分析
姚钼超 12103085213107 专业：建筑与土木工程
1、拟选课题在理论和应用方面的意义
大气参数中最薄弱者是含量很少但对生态影响很大的组分，如臭氧层和温室气体CO2。而常规制冷剂对环境的影响主要表现在对臭氧层破坏和产生温室效应，二者的家中都将对人类居住的环境造成巨大的威胁。
臭氧层被称为地球生物的守护神。大气中臭氧的减少，将会对人体健康及生态环境带来严重的危害。科学家已达成一致结论，任务臭氧的损耗是由消费臭氧的化学物（ODS）所造成，而这其中就包括常规制冷剂CFCs与HCFCs。
温室效应是地球大气层的一种物理特性，但是由于人类活动释放出大量的温室气体，加强了“温室效应”的作用，其直接影响就是地球表面温度上升。而全球气候变暖的其他体现就是海平面上升，20世纪全球海平面平均上升了0.1~0.2m。随着《气候框架公约》的制定，各国的二氧化碳排放量有了明确的标准，在20xx年到20xx年间，全球主要工业国家的工业二氧化碳排放量比19xx年的排放量平均降低2.5％。
随着臭氧层的破坏，温室效应等环境问题已越来越严峻，制冷剂的替代工作更加日益紧迫。
制冷剂的发展经历了起伏的变化过程。应用最早的是乙醚（R747），它的应用标志着制冷系统和制冷剂发展的开始。因其效率较低，在19世纪70年代，性能较好的自然工质如CO2、NH3、SO2等工质开始进入制冷剂的队伍中，并且应用了很长时间。最初的冰箱、空调等使用NH3、SO2等制冷剂，但是一旦泄露，可能会造成重大事故。随后Thomas在19xx年发明了氟利昂，虽然氟利昂制冷剂对人类相对安全，使用效率高，但是其对大气臭氧层有破坏作用。进入20世纪90年代，HFCs制冷剂取得了很好的发展，并开始逐步替代CFCs和HCFCs制冷剂。HFCs臭氧层没有破坏能力，但是温室效应指数仍然较高，这类制冷剂也不能作为长期的替代工质。目前，人们将越来越多的重点又重新移到了那些曾经应用过的自然工质，如CO2。因为其独特的热物理性质，对环境的友好性，CO2已经是目前制冷剂替代物中的热门选择。
作为制冷剂CO2具有独特的优势：①环境友好性（ODP=0，GWP=1）；②安全性（无毒、不燃）；③制冷剂容量大（系统体积小）；④压比低，黏度小，导热性好；⑤与普通润滑剂和结构材料相兼容；⑥价格便宜，维护成本低（不许回收设备）等。
CO2跨临界制冷循环系统主要包括压缩机、气体冷却器、蒸发器、节流阀以及回热器等部件，后来许多研究者又开发了不同型式的膨胀机代替节流阀，用以减少节流损失，提高系统的性能。关于CO2和膨胀机的研究发展情况已经有很多文献进行了详尽的阐述，而气体冷却器和蒸发器是CO2制冷系统必不可少的换热设备，其换热效果直接影响制冷装置的性能和运行经济性。因此发展高效、安全可靠、紧凑的换热器也是提高CO2跨临界循环制冷系统效率的关键所在。
蒸发器是CO2跨临界热泵系统中主要的换热设备之一，其换热和压降特性对整个系统效率的提高起着非常重要的作用。虽然虽然CO2在蒸发器中的吸热过程发生在两相区，但是由于CO2的蒸发压力很高，大约为常规制冷剂蒸发压力的 7 ~ 10 倍，
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而且CO2的热物理性质较特殊，这就使得其沸腾换热特性不同于常规制冷剂．因此也就对CO2蒸发器在结构设计上提出了不同的要求．
随着人们对环境保护的重视，常规制冷剂面临着淘汰。自然工质CO2因其对环境无污染、无破坏，并具有良好的热力学物性，有着广阔的应用前景。本课题通过对CO2跨临界循环系统优化配置方案比较和微通道蒸发器内CO2管束池沸腾机理进行分析，建立计算模型，并对CO2管束池沸腾蒸发器进行分析设计和数值分析，旨在提高换热器和整体系统的性能，为CO2微通道蒸发器的设计提供理论依据和参考，本课题有着广泛的社会意义和经济意义。
2、拟选课题国内、外的研究动态、水平、存在问题、主要参考文献
2.1国外研究状况
2.1.1 CO2循环方式
由于CO2的临界温度较低，应用与系统中主要有亚临界循环、跨临界循环、超临界循环。
1）亚临界循环
亚临界循环是指系统的最高压力及压缩机排气压力
不超过临界压力的循环，与常规制冷剂的循环相同，如图
右图 所示。目前，CO2的亚临界循环都是在复叠式制冷
系统中作为低压级应用的，单个的 CO2亚临界循环并没
有多大的使用价值。
2）跨临界循环
跨临界循环是指蒸发压力低于临界压力，冷凝压力
高于临界压力的循环。目前CO2的循环多是这类循环，
如图 右图所示。因为冷凝过程发生在超临界状态下，
CO2的冷却过程主要靠显热来传递，该过程具有较大的
温度滑移，因而，这类系统多是用来作为 CO2热泵热水
器使用，能够提供65℃以上的热水。
3）超临界循环
超临界循环是指蒸发压力、冷凝压力等全部都高于临
界压力，所有的循环过程都发生在超临界区域，工质的循
环过程没有发生相变过程，换热过程都是显热形式。这种
循环因为其压力要求太高，实际应用中并不多，只是应用
于少数科研领域。
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2.1.2 CO2系统蒸发换热器的研究成果
CO2跨临界系统同常规制冷剂循环系统一样，也主要由压缩机、节流阀门、蒸发器、气体冷却器组成。蒸发器是CO2跨临界系统换热的主要部件之一，它性能的好坏对整个系统的性能有重要影响。目前，CO2蒸发器的研究多是集中在管内流动沸腾，而且换热管道朝着越来越小的趋势发展，微通道结构的换热器在汽车空调、家用热泵热水器等方面得到了极大的推广应用。
Bredesen等人通过使用内径7mm的水平光管对CO2管内流动沸腾换热进行了实验研究。他们发现，CO2的换热系数高于常规制冷剂，而压力降低于常规制冷剂。质量流速和蒸发温度对沸腾换热有重要影响：当质量流速较低，蒸发温度较高时，核态沸腾占主导地位；当质量流速较高，蒸发温度较低时，对流沸腾换热占主导地位。
Yun等人通过使用内径2.0mm 和0.98mm水平管内流动沸腾换热进行实验研究，他们发现，与常规制冷剂相比，CO2在较低的干度下就会发生干涸现象，导致换热系数急剧下降，换热效果恶化。结合实验数据，给出了发生干涸前和发生干涸后的两个换热关联式。通过比较发现，在发生干涸前，实验数据与换热关联式的数据比较接近，但是发生干涸后，实验数据和换热关联式的数据之间存在较大的偏差。
Perrersen等人通过使用内径0.79mm的小尺寸通道，对CO2在管内的流动沸腾换热进行了实验研究。研究了质量流速、热流密度以及蒸发温度对换热系数的影响，同时，他们还对管内CO2的流动沸腾换热过程进行了可视化分析。结果发现：高质量流速和高温下，干涸现象对换热影响比较大；在质量流速较低时，间断流占主导地位；质量流速较高时，环状流占主导地位，夹带明显增加，液膜厚度不规则，在中等干度区，就可能出现干涸现象，兑换热产生不利影响。
Zhao等人对CO2在微通道换热器内的流动沸腾换热进行了研究，并与传统制冷剂 R134a相比较，发现CO2具有较高的流动沸腾换热系数和较低的压降。CO2在微通道内的换热受到微通道的尺寸和几何结构等参数的影响
2.1.3 CO2跨临界循环系统的研究现状
CO2作为制冷剂，临界温度（31.1℃）比较低，而临界压力（7.4MPa）比较高，在制冷系统中通常是跨临界循环，系统的运行压力比较高，性能比较低，提高系统的循环效率、改善系统部件是推广和应用CO2跨临界系统的关键。
国内外对于二氧化碳的研究重点多是关于跨临界CO2系统的，但是系统较大的缺点就是节流损失大，因此需要采取一些措施来提高系统的性能，比如采用膨胀机、喷射器以及涡流管等，但这些设备同时也会使系统变得复杂。而使用回热器一方面可以使压缩机吸气过热，避免压缩机液击，另一方面也可以用来提高跨临界CO2
制冷系统的效率，因此，国内外的
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很多研究人员进行了回热器对系统性能影响的研究。杨俊兰、马一太等人对带回热器的CO2跨临界循环进行了分析，结果表明：系统中增加回热器可以提高系统的循环性能。王洪利等对带回热器和不带回热器的CO2跨临界双级压缩系统进行了分析，发现：带回热器的系统比不带回热器的系统的平均性能高5%～10%。
CO2在系统中的压缩比并不大（2～4），但是最高压力和最低压力的差很大（5～7MPa），采用膨胀剂代替节流阀回收制冷剂从高压到低压的膨胀功，可以使系统的整体性能提高。据相关的文献介绍，单级压缩带膨胀机的CO2跨临界循环系统的制冷系数可超过相同条件下R22和R134a的简单循环。
为了提高跨临界循环系统的效率，采用双级压缩可降低压缩机排气温度，减少压缩机耗功，提高系统性能。同时，高压侧与低压侧的压差可达到5～7MPa，这样对系统的安全、泄露、摩擦等的要求比较高。因此，在 CO2跨临界循环中采用双级压缩技术可降低压比和压差，提高压缩机效率；田华、马一太等还通过带中间冷却器的双级系统进行理论计算，发现系统存在最优的高压压力和最优的低压压力。刘军朴等人采用热力学方法对 CO2跨临界双级压缩循环进行了分析，结果表明：在相同的工作条件下，两级压缩COP比单级压缩 COP高5%左右。
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增大蒸发器出口处制冷剂的过热度，避免液态制冷剂进入压缩机，对压缩机造成液击，保护压缩机；如果在系统中添加膨胀机，可以回收节流过程中损失的膨胀功，利用回收的膨胀功来驱动压缩机，这样就可以减少系统输入的功，同样提高系统的性能。总之，回热器和膨胀机的加入都会使系统的性能得到提高，根据这种思路，我们将两者都添加到同一个系统中，来考察系统的性能变化情况，系统简图及压焓图如上图所示。
近年来的研究表明，CO2双级压缩循环系统具有较大的性能提升空间。带回热器和带中冷器都能提高性能，效果差别不大；带膨胀机提升的性能更高些；带膨胀机和回热器系统提升的最大。因而，在以后的系统分析及试验中，应在系统中配置膨胀机和回热器，从而最大优化系统配置，提高系统性能。
对于广义的辐射供冷/供暖顶板空调系统的研究在欧洲己经进行了近半个世纪"冷却顶板出现在19xx年左右,但直到19xx年左右才建立了它的标准测试方法"毛细管系统作为平面辐射供冷/供暖的最新一代产品,其节能潜力在欧洲和北美均得到普遍认可"早期的毛细管系统的供冷量一般为50~80W/m2,故相关产品主要使用在欧洲特别是北欧地区"这个地区的房间热湿负荷都较低,很多情况下,房间的制冷设备就只有冷却顶板,没有专门的通风系统,主要通过自然通风换气"近年来随着设备的改进,冷却顶板的供冷量有所增加,但受限于进/回水温度,在实际工程应用中的毛细管产品的单位冷量很少达到100W/m2".目前,欧洲针对毛细管干式末端的热工研究基于两大标准:德国国家标准化组织的DN4715和工厂、设计制造安装公司组织制定的FGK标准"研究表明,毛细管平面辐射空调系统对冷负荷变化的反应时间介于金属辐射板和混凝土辐射板之间。
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2.2国内研究状况
2.2.1太阳能利用
我国现代对于太阳能热利用的研究起步较晚。通过反射、吸收或其他方式收集太阳辐射能，并使太阳能转换为热能得到利用，称为太阳能的热利用。现代技术的发展促进了太阳能热利用，使太阳能利用的方式逐渐多样化起来。我国太阳能热利用的装置主要有：太阳灶、太阳能热水器、太阳干燥器、太阳能采暖和致冷、热气机、太阳能焊接机、高温炉、太阳能水泵和热发电以及太阳能海水淡化等。
中国农村能源行业协会的陈晓夫等人(2002)以及广西勤丰裕环境工程有限公司的段中亚等人(2008)先后在不同时期对我国太阳灶的技术进展与应用进行了探讨，指出太阳灶作为缓解能源紧缺、改善生态环境的一项措施，要把太阳灶的推广工作坚持下去。并建议国家要重视太阳灶的研究和开发新的太阳灶，以保持我们在技术上的领先优势。
北京建筑工程学院的蔡伟、解国珍等人(2007)结合北京郊区新农村建设实际工程，设计了一套太阳能采暖系统，并分析了太阳能采暖系统的可行性和经济效益。
可见,我国正在不断地投入人力、物力对太阳能热利用进行研究，前人的研究成果可以为今后的研究设计提供参供依据。
我国的太阳房研究工作起步较晚，在上个世纪70年代才开始试验推广被动式太阳房。19xx年，在甘肃省民勤县建成第一幢被动式太阳房，经过两年多时间的使用，进行了一些测试，证明冬季基本可以靠太阳能供暖，仅在特别恶劣的天气需要其它热源辅助。之后又在天津武清县、青海刚察县建起了被动式太阳房，均取得了不错的效果。20世纪80年代初，通过国际合作项目，在联合国开发署支持下建立了甘肃太阳能采暖降温研究基地，使太阳房得到进一步发展。在“六五”、“七五”、“八五”期间，国家科技攻关计划中都列入了太阳能建筑顶目(喜文华等 2001)。
我国起步研究时间虽然较晚，但由于受到国家重视，发展迅速，在全国各地都开始了研究工作，并取得了一些成果。在基础理论方面，编写了适合我国国情的《被动式太阳房热工设计手册》；在材料构型方面，科技工作者们创造了花格蓄热墙等新型的采暖方式，并对墙体、屋顶、地面的保温措施也因地制宜地创造了多种多样的具有中国特色的保暖形式；在工程技术方面，各省、各地区针对自己的地域特点和居住习惯，分别开发了适合当地的设计技术，形成了具有中国特色而又各个不同的被动式太阳房设计技术；此外还出版了多册被动式太阳房实例汇编和设计图集。
2.2.2低温辐射供暖末端装置的研究现状
国内辐射供暖的研究起步较晚，但随着低温辐射地板越来越广泛应用于在新建建筑和公共建筑。近几年，辐射供暖在国内的研究已经形成一种热潮。
亢燕铭等利用热舒适理论讨论了地板辐射供暖方式与其他方式在房间内人体热舒适方面的差异，建议北京地区在地板辐射供暖节能50%的建筑中可相应将室内供暖温度降低 2℃。傅卫红等基于传热学辐射换热的基本原理，对辐射供暖房间能耗计算进行了简化。钟珂等通过研究，提出外围护结构内表面辐射吸收系数是影响辐射供暖房间节能效果的关键因素，并给出同时保证建筑节能和人体健康要求的取值范围。李晓峰利用 Airpak软件，模拟研究应用不同低温辐射供暖设备和低温对流供暖设备建筑的能耗、室内温度分布、室内空气流速分布、 6
PMV-PPD 场的分布等等。
2.2.3针对毛细管网型空调末端的研究
国内学者已经对毛细管辐射采暖系统进行了一定的研究姚万祥等利用计算流体动力学仿真与试验测试研究相结合的方法，对毛细管辐射空调系统双表面传热情况下，冬季供暖和夏季供冷时的温湿度气流分布及热舒适性进行了研究，研究表明毛细管辐射空调系统具有优异的热舒适性。傅允准等研究了毛细管辐射采暖性能室内温度场分布特性不同热源方案毛细管采暖系统能耗技术经济分析以及其对环境的影响。杨洁等针对采用湿式施工法的毛细管辐射末端，对其在冬季工况下换热特性进行了试验研究，并对不同铺设面层厚度及不同管间距的毛细管辐射末端的换热性能进行了对比试验分析，本研究就毛细管辐射采暖系统的特点毛细管铺设方法热源方案选择，以及其毛细管系统存在的问题，进行了分析探讨。
20xx年落成的清华节能示范楼，汇集了当今世界上最先进的建筑节能技术和产品，其中的毛细管网平面辐射空调备受关注之后的一年多时间里，一些高档楼盘和办公楼等也都率先使用了这一技术，如北京科委的创业大厦南京锋尚社区等项目。20xx年1月，北京某公寓成功采用毛细管供冷供热末端加置换式独立除湿新风的末端系统，竣工后，效果良好 年月，哈尔滨工业大学和北京开思拓维设备材料有限责任公司联合开发内含毛细管网栅的立体装饰辐射板，并申请发明专利。20xx年11月，申请毛细管重力循环供暖/冷末端设备发明专利，并于20xx年4月获得授权。20xx年，哈尔滨工业大学狄文静对毛细管供热辐射板进行研究，完成毛细管供热辐射板的选材、设计与试制以及部分实验室测试工作。
2.2.4太阳能直供毛细管采暖技术
在我国，由于受气候原因及采暖观念的影响，到目前为止，在这方面投入的人力、物力仍相对不足，研究缺少实际工程经验的验证，而在工程中也缺少对热工性能及采暖基本规律的理论支持。
在我国北方城镇中，住宅供热采暖系统多采用以热电联产或区域锅炉房为热源的集中供热，这种供暖模式产生的低温热水可满足毛细管辐射采暖的供暖要求；而在广大的农村地区，住宅一般比较分散，无法采用热电联产或区域锅炉房集中供热；但是可利用的太阳能资源丰富，而且住宅一般为平房，也较分散，可以大范围地应用太阳能集热器作为毛细管辐射采暖的热源又不会为附近的住宅带来影响。本课题旨在研究以太阳能集热器作为热源的低温热水毛细管辐射采暖系统的运行规律，为后续的系统改进研究及工程推广提供必要的理论基础。
2.3目前CO2跨临界循环系统存在的一些问题
（1）CO2双级压缩循环系统具有较大的性能提升空间。带回热器和带中冷器都能提高性能，二者效果差别不大；带膨胀机提升的性能更高些；带膨胀机和回热器系统提升的空间最大。因而，在以后的系统分析及试验中，应在系统中配置膨胀机和回热器，从而最大优化系统配置，提高系统性能。
（2）自然工质CO2替代传统工质 R22 后，热泵系统中各个部件的匹配需要重新研究。以蒸发器在CO2跨临界热泵系统中起着至关重要的作用，对蒸发器的模拟计算和优化研究显得尤为重要。
（3）CO2作制冷剂在热泵热水器以及汽车空调方面已经取得了很好的研究成果，但是在家用空调、中央空调领域的研究还很匮乏。
3、课题拟解决哪些主要技术问题，完成课题的条件（包括个人业务水平、教研室或学术组的技术、设备条件）和拟采取的技术措施和办法
通过对CO2跨临界系统微通道蒸发器的国内外研究的认识和了解，在建立 7
了一定理论认识的基础上，本研究将对CO2跨临界系统的特性研究在天津城市建设学院实验室开展实验与模拟研究。
（一）拟解决主要技术问题：
（1）
（2）、
（3）
（二）拟采取的技术措施和方法：
⑴ 查阅相关资料，收集相关数据
本课题以模拟分析软件和数值计算的结果为理论依据，以天津城市建设学院实验室的实测数据为验证数据。在此基础上，对系统进行分析优化，从而得出结论。需用到的相关数据主要有：天津市逐年的气象条件和具体时间的气象条件包括风速、温度、等；毛细管表面积；太阳能集热器的面积；蓄热水箱的尺寸；实验室方面的面积；毛细管系统的进出口温度；实测的几组数据如毛细管系统的进出口温度，当时的冷水/热水流量、压力，实验室内相应测点的温度等； ⑵建立数学模型
以能量方程、毛细管和集热方程为基础和依据，建立太阳能集热系统模型，建立毛细管辐射供暖模型以及房间传热模型。通过联合方程组求解得出系统运行过程中辐射面和室内空气温度的动态变化规律,得到数值计算结果。
(3)得出结论
将通过计算机求解数学模型方程组可以得到系统运行过程中辐射面和室内空气平均温度, 与实验结果进行比较验证模型准确性并得出相关结论。
（三）完成课题的条件：
由天津城市建设学院所提供的毛细管末端实验台，为课题研究提供了可验证的运行数据，为课题的顺利进行提供了良好的实验条件。此外，本人经过大学本科四年和研究生阶段的学习，学习了暖通空调、工程热力学、空调用制冷技术、供热工程、计算流体力学、高等传热学等方面的知识，掌握了一定的理论基础，再加上导师张志刚教授以及相关老师的指导，都为该课题的开展打下了坚实的基础、做好了良好的前期准备。
4、课题进展计划（包括各阶段和最后完成时间及内容经费支出的概算等）
2012.09—2012.10 查询相关资料，对当今国内外毛细管冷热辐射系统的研究现状进行全面了解，在指导老师的指导下，完成开题报告并着手准备实验（包括对系统的运行调试以及布置测点等）。
2012.11—2012.12 根据开题报告中老师们所提出的建议和不足，继续收集各方面资料，建立太阳能直供毛细管辐射系统的数学模型。同时开始进行实验测试。
2013.01—2013.05通过理论分析与相应的软件模拟相结合，对数学模型及计算方法进行验证和修正，编制一些相关的程序。
2013.06—2013.10通过实测数据对该系统进行理论分析，并得出合理的结论。
2013.11—答辩前期整理论文初稿、修改装订并进行毕业答辩。
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