CO2在近临界区的冷凝特性研究

    1 引言

    CO₂作为自然绿色环保工质,由于其优越的热物性和无可比拟的环保优势,越来越受到人们的青睐。但目前的研究工作大多集中在跨临界循环的汽车空调、热泵和热水器[1]、[2]上,对CO₂在普通制冷循环的研究较少。随着自然工质替代进程步伐的加快,应扩大对CO₂应用领域的研究, CO₂用于普通制冷系统的水冷却冷凝过程,冷凝温度在30℃左右,接近CO₂的临界温度。本文针对CO₂的特性,对CO₂在近临界区水平管内冷凝过程的局部换热系数和压降进行研究,得到CO₂在水平管内冷凝过程中局部换热系数和压降随CO₂蒸汽干度的变化关系,同时得到水平管的管径、冷凝温度和质量流率对局部换热系数和压降的影响情况,相信本研究对CO₂用于制冷系统冷凝过程的实验研究及CO₂制冷系统冷凝器的设计提供了相应的理论依据。

    2 热力计算

    本文对图1中所示的,从5点的饱和气体状态点到6点的饱和液体状态点,干度从1到0.1之间,利用Dobson[3]关联式,对CO₂近临界区冷凝过程中的局部换热系数和压降的变化情况进行热力计算。

    式中:

    R_el—CO₂液体的雷诺数;

    P_rl—CO₂液体的普朗特数;

    x_tt—湍流参数;

   Cpl)CO2的比热, kJ/kg K;

    μl—CO₂液体的动力黏度, kg/m s;

    ρl—CO₂液体的密度, kg/m³;

    dP/dL—CO₂沿水平管单位长度上的压降,bar/m;

    Re—CO₂的雷诺数;

    ρ—CO₂的密度, kg/m3

    3 计算结果和分析

    由图2、图4和图6可以看出,随着CO₂的在水平管内冷凝过程的进行, CO₂的局部对流换热系数随CO₂蒸汽干度的降低而降低,这是由于随着冷凝过程的进行,冷凝液膜加厚导致局部换热系数下降。在相同的水平管径和冷凝温度下, CO₂的质量流速增加,局部对流换热系数增大;在相同的质量流率和冷凝温度下,管径减小,局部对流换热系数增大;在相同的质量流率和管径下,冷凝温度增加,局部对流换热系数增大。

    由图3、图5和图7可以看出,随着CO₂的在水平管内冷凝过程的进行, CO₂沿水平管单位长度上的压降随CO₂蒸汽干度的降低而降低,但变化不大。在相同的水平管径和冷凝温度下, CO₂的质量流率增加,压降增大,但压降增加的不大;在相同的质量流率和冷凝温度下,管径减小,压降明显增大;在相同的质量流率和管径下,冷凝温度降低,压降增大。