沈 航 陶樂(lè)仁 王 棟，2 王 勤 劉銀燕 戴楊洋

(1上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093)(2安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 馬鞍山 243002)

小型CO2制冷系統(tǒng)用氣冷器的仿真研究

沈 航1陶樂(lè)仁1王 棟1，2王 勤1劉銀燕1戴楊洋1

(1上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093)(2安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 馬鞍山 243002)

用有限單元法建立了氣冷器穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。運(yùn)用該模型對(duì)小型CO2制冷系統(tǒng)用氣冷器的傳熱性能、系統(tǒng)內(nèi)的假臨界現(xiàn)象及平均密度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：在質(zhì)量流量相同時(shí)，進(jìn)口溫度的變化對(duì)氣冷器換熱的影響很小，對(duì)氣冷器管內(nèi)假臨界狀態(tài)的出現(xiàn)位置影響很??；在氣冷器進(jìn)口溫度相同時(shí)，質(zhì)量流量越大，假(準(zhǔn))臨界點(diǎn)出現(xiàn)的位置越向后移，當(dāng)質(zhì)量流量足夠大時(shí)，氣冷器內(nèi)可能不會(huì)有假臨界現(xiàn)象發(fā)生；氣冷器進(jìn)、出口處CO2的算術(shù)平均密度值與氣冷器內(nèi)真實(shí)平均密度值相近，而對(duì)數(shù)平均密度和平方平均密度與氣冷器內(nèi)CO2的真實(shí)平均密度值相差較大。

氣冷器 CO2仿真 小型制冷系統(tǒng)

1 引 言

近年來(lái)，制冷劑對(duì)臭氧層的破壞和全球溫室效應(yīng)等環(huán)境問(wèn)題日益突出，隨著CO2跨臨界制冷循環(huán)的提出，CO2作為理想的制冷劑開(kāi)始重新得到重視[1]。但CO2制冷循環(huán)效率要比傳統(tǒng)工質(zhì)的低，跨臨界系統(tǒng)高壓側(cè)是超臨界流體，不存在相變，有溫度的滑移，流體密度大，而且在臨界點(diǎn)附近熱力物性變化很大，因而CO2氣體冷卻器的研究也備受關(guān)注[2]。由于CO2制冷循環(huán)主要應(yīng)用于汽車空調(diào)及熱泵熱水器等方面，因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)微通道氣冷器、套管式水冷氣冷器及管殼式氣冷器研究較多，李蒙[3]等對(duì)微通道氣體冷卻器進(jìn)行了模擬研究，探討了微通道管內(nèi)CO2工質(zhì)的換熱特性及壓降，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性；劉圣春[4]等對(duì)CO2熱泵熱水器用套管式氣冷器進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，提出了設(shè)計(jì)此類氣冷器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；李敏霞[2]等通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的管殼式氣冷器進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究，提出了一套改進(jìn)氣冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)的建議，以提高氣冷器的換熱效率。此外，在國(guó)外，此方面的研究同樣是熱點(diǎn)，Sarkar[5]對(duì)CO2熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了換熱器的面積比(氣冷器的換熱面積和蒸發(fā)器的換熱面積之比)對(duì)系統(tǒng)的影響；Yin[6]等建立了單板多流程微通道氣冷器模型，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差很小。

在小型CO2制冷系統(tǒng)中，氣冷器一般采用翅片管式換熱器，王晶[7]等人對(duì)翅片管式CO2氣體冷卻器進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)研究，探討了制冷劑側(cè)的傳熱系數(shù)、換熱量、壓力及質(zhì)量流量相互之間的關(guān)系。本文以一套自行設(shè)計(jì)的CO2跨臨界制冷系統(tǒng)的氣冷器為研究對(duì)象，用有限單元法建立了氣冷器穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型，對(duì)小型CO2制冷系統(tǒng)用氣冷器的傳熱特性及系統(tǒng)的假臨界現(xiàn)象進(jìn)行了研究。

2 翅片管式CO2氣體冷卻器數(shù)學(xué)模型

2.1 氣冷器結(jié)構(gòu)及微元?jiǎng)澐?/p>

本研究的氣冷器為風(fēng)冷式翅片管換熱器，結(jié)構(gòu)為：Φ7×0.6 mm紫銅管，外套鋁翅片，肋片節(jié)距為3.4 mm，肋片厚度為0.2 mm，沿氣流方向的管排數(shù)為5，迎風(fēng)面的管間距15 mm，翅片寬度66 mm。圖1為氣冷器的實(shí)物圖。

圖1 所用氣冷器實(shí)物圖Fig.1 CO2 gas cooler

目前，在對(duì)CO2氣冷器特性進(jìn)行模擬研究時(shí)，多采用“微元法”進(jìn)行建模，計(jì)算時(shí)采用定步長(zhǎng)，以制冷劑進(jìn)口端為起點(diǎn)，每段微元采用集總參數(shù)法建模，再依據(jù)各種方程和關(guān)聯(lián)式，一步步計(jì)算，直到算到出口溫度等于設(shè)計(jì)值時(shí)為止。

建模時(shí)，假定制冷劑只有一個(gè)流程，即可看成一維流動(dòng)，沿著制冷劑流動(dòng)的方向，采取的定步長(zhǎng)為0.25m來(lái)劃分微元，計(jì)算時(shí)，以氣冷器的進(jìn)口端作為起點(diǎn)，每段微元制冷劑的出口參數(shù)即為下段微元制冷劑的進(jìn)口參數(shù)，在對(duì)每段微元進(jìn)行計(jì)算時(shí)，以其制冷劑進(jìn)口處物性代替整段微元內(nèi)制冷劑的物性，為了簡(jiǎn)化模型計(jì)算，對(duì)每段微元作如下假設(shè)：(1)系統(tǒng)為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行；(2)管內(nèi)外均為一維均相流動(dòng)且流速溫度分布均勻；(3)管子無(wú)軸向熱傳導(dǎo)；(4)微元內(nèi)流體物性按照常物性處理。微元體示意圖如圖2所示。

圖2 微元體示意圖Fig.2 Sub-element in coil for gas cooler model

2.2 模型建立

傳熱方程應(yīng)該用對(duì)數(shù)平均溫差進(jìn)行計(jì)算，但由于是對(duì)微元進(jìn)行計(jì)算，可用算術(shù)平均溫差來(lái)代替對(duì)數(shù)平均溫差[3]，因此，總的傳熱方程式如式(1)(外表面積為考慮了翅片管表面效率的當(dāng)量面積)：

(1)

式中：Q為換熱量，W；k為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為面積，m2；T為溫度，K；下標(biāo)a表示空氣；下標(biāo)r表示為制冷劑；下標(biāo)j表示第j段；下標(biāo)i表示入口；下標(biāo)o表示出口。

(2)

式中：d為直徑，m；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；下標(biāo)w表示管外，下標(biāo)n表示管內(nèi)。

管兩側(cè)流體處于熱平衡狀態(tài)，方程式為：

(3)

式中：m為質(zhì)量流量，kg/s；H為焓，kJ/kg；cp為比定壓熱容，kJ/(kg·K)。

CO2管內(nèi)換熱研究很多，但得到的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式使用條件多是小管徑、大質(zhì)量流量和高熱流密度情況，文獻(xiàn)[2]對(duì)多個(gè)相關(guān)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了計(jì)算，得出Pital&Groll關(guān)聯(lián)式比較適用于低熱流密度與低質(zhì)量流量下的計(jì)算情況，因此，制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)采用Pital&Groll關(guān)聯(lián)式[8]為：

(4)

式中：Nu為努塞爾數(shù)，下標(biāo)b表示壁面。

空氣側(cè)的傳熱系數(shù)關(guān)系式取文獻(xiàn)[9]中對(duì)于叉排管簇空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算關(guān)聯(lián)式：

(5)

式中：Re為雷諾數(shù)；D為當(dāng)量直徑，m；l為管長(zhǎng)，m；系數(shù)ψ和指數(shù)n見(jiàn)表1；系數(shù)C和指數(shù)m見(jiàn)表2。

表1 系數(shù)ψ和指數(shù)n[9]Table 1 Coefficients ψ and exponential n

表2 系數(shù)C和指數(shù)m[9]Table 2 Coefficients C and exponential m

管內(nèi)(制冷劑側(cè))壓降為：

(6)

式中：ΔP為壓降，Pa；ρ為密度，kg/m3；l為管長(zhǎng)，m；f為摩擦系數(shù)；cm為制冷劑平均速度，m/s。

f=0.316 4/Re0.25(Re≤105)

(7)

f=0.184/Re0.2(Re>105)

(8)

制冷劑加速度壓降為：

(9)

則總壓降即為：

(10)

在模擬計(jì)算時(shí)，所需的CO2物性參數(shù)取自NIST提供的Refprop(reference fluid thermodynamic and transport properties)軟件。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)的目的是將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證上述模型的準(zhǔn)確性，從而為模擬計(jì)算結(jié)果提供依據(jù)。圖3為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置為一套小型冷柜式的CO2跨臨界制冷系統(tǒng)，柜內(nèi)的熱負(fù)荷可以自由調(diào)節(jié)，裝置處于環(huán)境室內(nèi)，該環(huán)境室的溫度可在-30—50 ℃范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，控制精度為±0.5℃，由于本文主要是為了研究氣冷器的換熱特性，且所用換熱器不是微通道，管內(nèi)制冷劑壓降較小，因此，僅對(duì)制冷劑的溫度進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)時(shí)在氣冷器沿制冷劑流動(dòng)方向的進(jìn)口處、1/4處、1/2處、3/4處及出口處布置了5個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，通過(guò)進(jìn)口處的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整試驗(yàn)工況，確保氣冷器進(jìn)口處計(jì)算值與實(shí)際值一致，溫度傳感器為銅-康銅熱電偶(精度為0.5 ℃)通過(guò)安捷倫數(shù)據(jù)采集儀來(lái)采集溫度信號(hào)。實(shí)驗(yàn)分別對(duì)質(zhì)量流量為2.5 g/s，CO2進(jìn)口溫度為120、115、110、105 ℃四種工況進(jìn)行了研究，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，氣冷器空氣側(cè)的進(jìn)口溫度為32 ℃，風(fēng)速為1.8 m/s，理論計(jì)算時(shí)的初始條件保持與實(shí)驗(yàn)條件一致，表3給出了4種工況下的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的溫差。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖1.壓縮機(jī)；2.氣冷器；3.環(huán)境室；4、5.壓力傳感器；6.中間冷卻器；7.流量計(jì)；8.過(guò)濾器；9.毛細(xì)管；10.蒸發(fā)器Fig.3 Experimental system

表3 計(jì)算值與測(cè)量值的對(duì)比Table 3 Comparison of calculated values and measured values

由實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比結(jié)果可以看出，兩者溫差最大僅為0.9 ℃，計(jì)算值略微偏低，但誤差較小。

4 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，空氣側(cè)進(jìn)口溫度為32 ℃，風(fēng)速為1.8 m/s，制冷劑側(cè)進(jìn)口壓力為9.5 MPa，改變制冷劑的入口參數(shù)，研究氣冷器的換熱情況。

4.1 不同進(jìn)口溫度對(duì)氣冷器換熱的影響

CO2系統(tǒng)存在損失且放熱滑移溫度相對(duì)較大，因此，系統(tǒng)的COP對(duì)出口溫度很敏感，目前對(duì)于氣冷器出口溫度對(duì)系統(tǒng)性能影響有較多的研究報(bào)道，相關(guān)文獻(xiàn)也較多，但對(duì)于氣冷器進(jìn)口溫度對(duì)整個(gè)換熱器的傳熱性能的研究卻非常少。由于小型CO2制冷系統(tǒng)的節(jié)流裝置多采用毛細(xì)管制作，系統(tǒng)中一般也沒(méi)有儲(chǔ)液設(shè)備，因此，系統(tǒng)的質(zhì)量流量只是隨著負(fù)荷變化做微小改變，所以，有必要對(duì)質(zhì)量流量不變時(shí)，氣冷器內(nèi)的制冷劑的降溫特性進(jìn)行研究。

初定質(zhì)量流量為2.5 g/s，CO2進(jìn)口溫度分別取120、115、110、105 ℃四種工況，對(duì)這4種工況進(jìn)行模擬計(jì)算。圖4給出了質(zhì)量流量不變，進(jìn)口溫度改變時(shí)，CO2沿管長(zhǎng)的溫度變化曲線。從圖4中可以看出：在質(zhì)量流量不變的情況下，雖然CO2進(jìn)口溫度不同，但在氣冷器的中部以后，曲線基本重合了，說(shuō)明即使進(jìn)口溫度相差較大也不影響氣冷器的出口溫度，即對(duì)系統(tǒng)的制冷量沒(méi)有影響，但進(jìn)口溫度越大，氣冷器換熱量越大，壓縮機(jī)功耗也會(huì)相應(yīng)增大，從而降低了系統(tǒng)的COP，因此，降低壓縮機(jī)的排氣溫度可以顯著的增加系統(tǒng)的COP。

【實(shí)驗(yàn)探究】探究1：把微波爐直接接在家庭電路里，啟動(dòng)微波爐，微波爐正常工作，再試一次，微波爐還是能正常工作，說(shuō)明微波爐沒(méi)有問(wèn)題，微波爐里的火花另有原因。

圖4 定流量不同進(jìn)口溫度時(shí)CO2沿管長(zhǎng)溫度變化曲線Fig.4 Change of CO2 temperature with constant mass flow

在氣冷器設(shè)計(jì)時(shí)，出口溫度是選取系統(tǒng)最優(yōu)高壓側(cè)壓力的重要依據(jù)[10]，對(duì)系統(tǒng)COP有直接影響。理論上，氣冷器出口溫度越低，系統(tǒng)效率越高，但由圖4可以看出，管內(nèi)CO2溫度在氣冷器前段下降非常劇烈，而往后則越加緩慢，到接近末端的時(shí)候曲線趨于水平，這表明，單純通過(guò)增加管長(zhǎng)來(lái)降低出口溫度是不合適的，增加管長(zhǎng)雖然可以降低出口溫度，但效果不明顯，況且，還額外增加了氣冷器的制作材料費(fèi)，還增加了設(shè)備的重量，所以，在對(duì)氣冷器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮這幾個(gè)因素。

4.2 對(duì)假(準(zhǔn))臨界現(xiàn)象的探討

4.2.1 不同進(jìn)口溫度對(duì)氣冷器內(nèi)各點(diǎn)比定壓熱容的影響

在超臨界流體的臨界點(diǎn)附近存在一種假(準(zhǔn))臨界點(diǎn)狀態(tài)，此時(shí)，比定壓熱容cp值變?yōu)樽畲笾?，傳熱系?shù)最大[11]。圖5為質(zhì)量流量不變，進(jìn)口溫度不同時(shí)，氣冷器內(nèi)CO2的比定壓熱容cp值沿管長(zhǎng)方向的變化曲線。從圖5可以看出，cp值沿管長(zhǎng)方向是先增后減的，4種工況下總的變化趨勢(shì)一致，大小因入口溫度不同而有所差異。氣冷器管內(nèi)制冷劑Cp出現(xiàn)最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)的溫度及壓力滿足文獻(xiàn)[11]所給出的假(準(zhǔn))臨界溫度和壓力的關(guān)系式(式(11))。

圖5 定流量不同入口溫度的cp值沿管長(zhǎng)的變化曲線Fig.5 Change of cp values with constant mass flow

Tpc=-31.40+12.5p-0.6927p2+

0.031 60p3-0.000 752 1p4

(11)

式中：p為壓力，MPa，7.5MPa≤p≤14.0MPa；Tpc為假臨界溫度，K。

因此，可以認(rèn)定圖5中cp值最大時(shí)，該點(diǎn)制冷劑處于假(準(zhǔn))臨界狀態(tài)?？梢钥闯?，質(zhì)量流量恒定時(shí)，入口溫度的偏差對(duì)氣冷器管內(nèi)假臨界狀態(tài)的出現(xiàn)位置影響不大，且對(duì)應(yīng)的cp值變化很小。

4.2.2 不同質(zhì)量流量對(duì)氣冷器內(nèi)各點(diǎn)比定壓熱容的影響

進(jìn)口溫度不變，質(zhì)量流量不同時(shí)，氣冷器內(nèi)CO2的比定壓熱容cp沿管長(zhǎng)方向的變化曲線如圖6所示。

圖6 進(jìn)口溫度不變、質(zhì)量流量改變時(shí)cp值沿管長(zhǎng)變化曲線Fig.6 Change of cp values with constant inlet temperature

從之前分析可知，各條曲線的最高點(diǎn)即為假(準(zhǔn))臨界狀態(tài)。由圖6可以看出，質(zhì)量流量不同，假(準(zhǔn))臨界點(diǎn)出現(xiàn)的位置變化范圍較大，質(zhì)量流量越大，假(準(zhǔn))臨界點(diǎn)出現(xiàn)的位置越后移，當(dāng)質(zhì)量流量足夠大時(shí)，氣冷器內(nèi)可能不會(huì)有假臨界現(xiàn)象發(fā)生。

在文獻(xiàn)[1]介紹的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，質(zhì)量流量為2.5 g/s，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，排氣溫度產(chǎn)生突降，判斷其原因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)處于假(準(zhǔn))臨界狀態(tài)，但沒(méi)有進(jìn)一步分析假(準(zhǔn))臨界點(diǎn)在系統(tǒng)中出現(xiàn)的具體位置，由圖6可以看出，因?yàn)槲墨I(xiàn)[1]中的質(zhì)量流量為2.5 g/s，所以，對(duì)應(yīng)圖6中第二條曲線，此點(diǎn)的出現(xiàn)導(dǎo)致了整個(gè)系統(tǒng)處于假臨界狀態(tài)(在一定的壓力條件下，進(jìn)口溫度不變，質(zhì)量流量改變時(shí)，沿管長(zhǎng)中定壓熱容Cp的峰值點(diǎn)為假臨界狀態(tài)點(diǎn))，進(jìn)而使得整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)的溫度都產(chǎn)生突降。

4.3 氣冷器內(nèi)CO2平均密度的計(jì)算

在文獻(xiàn)[1]中，作者對(duì)小型CO2制冷系統(tǒng)的最佳充注量進(jìn)行了理論計(jì)算，為了計(jì)算方便及簡(jiǎn)化整個(gè)計(jì)算過(guò)程，直接用氣冷器進(jìn)、出口的算術(shù)平均密度來(lái)代替實(shí)際氣冷器內(nèi)CO2的平均密度，在此，可利用模擬程序來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

在進(jìn)行微元計(jì)算時(shí)，可將每段微元的進(jìn)出口密度的算術(shù)平均值看做此段微元內(nèi)CO2的平均密度，將其與該段微元的內(nèi)容積相乘，可得該段微元內(nèi)CO2的質(zhì)量，將所有微元內(nèi)CO2質(zhì)量的累加就是氣冷器內(nèi)CO2總質(zhì)量，之后除以總體積，即可算出實(shí)際氣冷器內(nèi)CO2的平均密度。后將其與氣冷器進(jìn)、出口的算術(shù)平均密度、對(duì)數(shù)平均密度、平方平均密度進(jìn)行比較，分別對(duì)質(zhì)量流量為2.5 g/s，CO2進(jìn)口溫度為120、115、110、105 ℃四種工況進(jìn)行了計(jì)算，表4列出了各工況時(shí)的4種平均密度計(jì)算結(jié)果。

表4 不同氣冷器進(jìn)口溫度下，CO2的4種平均密度計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 4 Comparison for four average density calculated results of CO2 at different inlet temperature of gas cooler

算術(shù)平均密度：

(12)

對(duì)數(shù)平均密度：

(13)

平方平均密度：

(14)

由表4可以看出，氣冷器進(jìn)、出口的算術(shù)平均密度與采用微元法計(jì)算的平均溫度值相比誤差在4%以內(nèi)，而其他兩個(gè)平均密度值與之相比則相差較大，因此，文獻(xiàn)[1]中用氣冷器進(jìn)、出口的算術(shù)平均密度來(lái)代替實(shí)際氣冷器內(nèi)CO2的平均密度是可行的。

此外，為了更為直觀的觀察管內(nèi)CO2的密度變化情況，又通過(guò)程序算出了管內(nèi)的各點(diǎn)密度值。圖7即為流量為2.5 g/s時(shí)4種不同入口溫度下的各點(diǎn)CO2密度沿管長(zhǎng)方向上的變化曲線。從圖7中可以看出，4種工況下，管內(nèi)CO2的密度沿管長(zhǎng)的變化都是接近于線性變化，從氣冷器的進(jìn)口端逐漸增大在氣冷器出口達(dá)到最大值，這也表明了用氣冷器首尾的算術(shù)平均密度作為氣冷器內(nèi)CO2的總的平均密度可行，同時(shí)也符合文獻(xiàn)[10]中的結(jié)論：在超臨界壓力下CO2密度沿管長(zhǎng)單調(diào)變化。

圖7 CO2密度沿管長(zhǎng)方向的變化Fig.7 Change of CO2 density

5 結(jié) 論

對(duì)小型CO2制冷系統(tǒng)中所應(yīng)用的翅片管式氣體冷卻器進(jìn)行了仿真研究，用有限單元法建立了氣冷器穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型具有較高的準(zhǔn)確性。通過(guò)模擬計(jì)算，獲得如下結(jié)論：

(1)探討了入口溫度對(duì)氣冷器換熱的影響，結(jié)論為：在質(zhì)量流量相同時(shí)，不同入口溫度對(duì)氣冷器換熱的影響很小，通過(guò)增加管長(zhǎng)來(lái)降低氣冷器出口溫度可以增加系統(tǒng)COP，但也會(huì)增加設(shè)備材料費(fèi)，對(duì)氣冷器優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該同時(shí)考慮這兩方面因素。

(2)對(duì)假(準(zhǔn))臨界現(xiàn)象進(jìn)行了研究，結(jié)論為：質(zhì)量流量恒定時(shí)，入口溫度的偏差對(duì)氣冷器管內(nèi)假臨界狀態(tài)的出現(xiàn)位置影響不大，且對(duì)應(yīng)的Cp值變化很?。毁|(zhì)量流量不同，假(準(zhǔn))臨界點(diǎn)出現(xiàn)的位置變化范圍較大，質(zhì)量流量越大，假(準(zhǔn))臨界點(diǎn)出現(xiàn)的位置越后移，當(dāng)質(zhì)量流量足夠大時(shí)，氣冷器內(nèi)可能不會(huì)有假臨界現(xiàn)象發(fā)生。

(3)計(jì)算了氣冷器內(nèi)CO2平均密度，并將結(jié)果與氣冷器進(jìn)、出口的算術(shù)平均密度、對(duì)數(shù)平均密度及平方平均密度進(jìn)行比較，結(jié)論為：氣冷器進(jìn)、出口的算術(shù)平均密度與真實(shí)平均密度相近，誤差在4%以內(nèi)，對(duì)數(shù)平均密度和平方平均密度與真實(shí)平均密度相比相差較大；此外，還通過(guò)計(jì)算證實(shí)了在超臨界壓力下CO2密度沿管長(zhǎng)是單調(diào)變化的。同時(shí)也驗(yàn)證了文獻(xiàn)[1]中計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1 王 棟，李 蒙，武衛(wèi)東，等. 小型CO2制冷系統(tǒng)最佳充注量的計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，47(3)：80-84.

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Simulation study on gas cooler of a small CO2refrigeration system

Shen Hang1Tao Leren1Wang Dong1,2Wang Qin1Liu Yinyan1Dai Yangyang1

(1School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)(2School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Technology，Maanshan 243002，China)

Steady-state distributed parameter model of gas cooler was established using the finite element method，and the accuracy of model was verified by experiment. The heat transfer performance of gas cooler，pseudo critical condition and the average density of refrigerant for a small refrigeration system were researched based on the model. The results showed that the change of entrance temperature has little effect on the heat exchanger and the pseudo critical state position the gas cooler for the same mass flow. The position of pseudo critical point-in-time moves backward with the increasing mass flow rate at the same entrance temperature. When the mass flux is large enough，it may be have no pseudo critical phenomenon at the gas cooler. The arithmetic average density of refrigerant in the inlet and outlet of gas cooler is similar to the actual value. The difference between the logarithmic mean density and actual average density is larger than that between square average density and actual average density.

gas cooler；carbon dioxide；simulation；small refrigeration system

2015-12-31；

2016-03-07

上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(1N-15-301-101)低溫余熱有機(jī)朗肯循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)項(xiàng)目、安徽工業(yè)大學(xué)青年基金(QZ201510)項(xiàng)目。

沈航，男，25歲，碩士研究生。

TB651

A

1000-6516(2016)02-0026-06