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原文传递二氧化碳微通道平行流气冷器传热与流动特性研究

论文题名：	二氧化碳微通道平行流气冷器传热与流动特性研究
关键词：	二氧化碳;平行流气冷器;微通道;流动特性;换热性能;汽车空调系统
摘要：	随着社会经济的飞速发展，能源与环境问题已成为制约人类社会和经济可持续发展的关键因素，例如:最近几年的雾霾天气。所以，国际制冷界越来越重视和提倡使用天然工质。氟利昂（包含HCFC和CFC）等制冷剂对臭氧层有严重的破坏作用并且会引发温室效应，其替代品的研制已成为近年来国际制冷界的研究重点。天然工质二氧化碳作为一个不易燃的，无毒的天然流体，具有零ODP（臭氧消耗潜能）和零有效的GWP（全球变暖潜能）。二氧化碳在安全性、可燃性、优良的热物理特性（比热容、蒸发潜热和粘度等）等方面具有不可匹配的优势，因此，成为天然制冷工质中的首选[1]。微通道平行流气冷器以其结构优势和高效的换热效率，在跨临界二氧化碳汽车空调系统中有着良好的应用。　　本文通过理论分析、数值模拟和实验相结合的方法，对二氧化碳在平行流气冷器通道内的流动和换热性能做了系统的研究，重点分析了平行流气冷器管内和管外的流动和换热特性。论文主要的研究工作及结论如下: 　　1、二氧化碳的物性进行了详细的研究。二氧化碳临界区的界定、临界现象、假临界点温度与压力的关系、临界点物性的变化等现象进行了详细的研究。结果表明，二氧化碳物性不同于一般常态工质，在临界点附近，物性出现剧烈的变化，尤其定压比热容变化更为急剧。　　2、目前存在的关联式均不能很好的给出二氧化碳在管内的换热特性，本文以二氧化碳在套管管内的对流换热为研究对象，分析了管径分别为2mm、0.4mm时，二氧化碳参数:进口压力、进口Re数、流动方向、管径，冷却水进口Re数对壁面温度、流体温度、浮升力及换热系数的影响，获得了新的换热关联式。新的换热关联式引入表征浮升力对换热影响大小的无量纲数Bo*，对现有有关二氧化碳在管内的对流换热研究，提供有效补充。　　3、对平行流气冷器管内流体通道建立三维模型，使用(火积)及(火积)耗散理论对气冷器流量分配进行优化研究，通过公式推导和编程对由于流量分配不均匀度导致的(火积)耗散—热量传递势能的损失进行直观的描述。结果表明，气冷器最优的组合为扁管间距为8.6mm，扁管与集流管的组合深度为0.5，扁管长度越长(火积)耗散越小，具体尺寸视实际需要而定，结论为新产品的工程应用提供参考。　　4、基于传统百叶窗通道，采用正交试验设计方法，分析了百叶窗倾角、长度、间距和翅片间距、厚度、高度等几何参数对流体流动和传热性能的影响。并采用田口方法对9种模型的综合性能及上述因素对整体换热效率贡献率的大小进行研究。结果表明，翅片高度对矩形百叶窗整体换热性能影响最大，百叶窗间距和百叶窗长度次之，百叶窗倾斜角度和翅片厚度对其性能影响最小。　　5、本文新提出的两种变角度百叶窗结构和现研究较多的两种变角度百叶窗结构与一种均匀角度百叶窗结构，建立三维模型，对5种模型的速度场、温度场和压力场进行分析，并对5种结构在不同Re数时进行综合性能评价。结果表明，四种变角度百叶窗翅片的综合性能均优于均匀角度的百叶窗翅片综合性能，且本文提出的一种变角度百叶窗翅片结构目前综合性能最好。　　6、基于强化对流换热理论提出了一种新型高效的百叶窗结构通道，综合研究了新型流道内的流体流动与传热特性，研究发现，新型百叶窗翅片具有较高的综合能效因子，拟合出了新型百叶窗翅片结构传热j因子与阻力f因子的计算关联式。　　7、设计、制作了一套有关新型百叶窗通道的流体流动冷模实验装置，采用激光多普勒测速仪对百叶窗流道中的关键位置点的速度进行了测量，并将实验测量结果与数值模拟结果进行对比。结果表明，实验测量结果和数值模拟结果吻合较好，误差在工程允许范围之内，验证了数值模拟结果的准确性和可靠性。对实验结果所产生误差的可能原因进行分析，研究数据为新型百叶窗结构通道的应用提供基础。
作者：	杨凤叶
专业：	化工过程机械
导师：	刘敏珊
授予学位：	博士
授予学位单位：	郑州大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文