复合空调系统中超临界CO2先进传热理论及机理研究

At present, the problem of ozone hole and global warming become increasingly serious. The natural refrigerants have got more and more attention from the international refrigeration sector. Carbon dioxide (CO2) has advantages in security, flammability, thermal properties (specific heat, latent heat of evaporation and dynamic viscosity) and cost, so it is the first choice in natural refrigerants. The purpose of the project is to descript and explain the principles of convection heat transfer of supercritical carbon dioxide from microcosmic angle, clarify the causes of heat transfer enhancement and the effects of variable properties on heat transfer efficiency of supercritical carbon dioxide, research the characteristics of macro fluid flow and heat transfer and micro molecular structure of supercritical carbon dioxide in micro channel under the nearby of critical region and the supercritical state using theoretical derivation and macro numerical simulation and micro molecular dynamics method, obtain the new heat transfer correlation of turbulence model which considered the effect of buoyant force of supercritical carbon dioxide in micro channel, establish and deduce the product dissipation energy equation of variable properties liquid based on the supercritical carbon dioxide, exploit the new complex supercritical carbon dioxide air conditioning system with minitype thermal energy storage and cold storage.

目前臭氧空洞和全球气候变暖问题日益严重，国际制冷界越来越重视和提倡使用天然工质。其中，CO2在安全性、可燃性、热物性（比热、蒸发潜热和动力粘度等）和成本等方面具有优势，成为天然制冷工质中的首选。本项目主要目标是从微观角度描述解释超临界CO2对流换热原理，阐明超临界CO2强化换热的原因及变物性对换热效率的影响,从理论推导，结合宏观数值分析和微观分子动力学计算，研究在临界区域附近、超临界状态下,超临界CO2微通道内宏观流动换热特性以及微观分子结构特征，拟合出超临界CO2微细管道中考虑浮升力的湍流模型的换热关联式，建立推导超临界CO2为基础的适合变物性流体的火积耗散能量方程，开发具有小型蓄热库和蓄冷库的新型CO2复合空调系统。

能源紧缺与环境恶化长久以来都是世界尤其是我国面临的重大问题。二氧化碳在环境友好性、安全性和单位体积制冷量等方面具有较大优势，成为首选的天然制冷工质，尤其在汽车空调领域。本项目对二氧化碳的物性进行了详细的研究，分析了温度对超临界二氧化碳定压比热容、密度、导热系数和动力粘度等物性的影响。采用分子模拟软件Materials Studio计算了超临界二氧化碳的密度及自扩散系数，并研究了自扩散系数在不同温度以及压力下的变化趋势。研究了超临界二氧化碳在微细圆管、内螺纹管和三叶管内对流换热的特性，考虑了进口雷诺数、冷却压力、壁面热流密度和流动方向等因素的影响，并拟合了超临界二氧化碳在竖直微通道圆管内流动时的换热关联式。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。研究了百叶窗倾角、长度、间距和翅片间距、厚度、高度等几何参数对传统矩形百叶窗流动与传热性能的影响，提出了新型弧形百叶窗翅片和变角度百叶窗翅片，分析了其流动与传热性能，对不同结构参数翅片的综合性能进行了评价，拟合了新型弧形百叶窗翅片结构传热j因子与阻力f因子的计算关联式，并进行了新型弧形百叶窗的流体流动实验研究；提出了错列梭形翅片流道，分析了流道内流体流动与传热特性，并进行了流体流动实验研究。研究了多种结构参数和工况参数对微通道平行流气冷器的流量分配性能的影响，确定了影响较大的结构参数；开发了新型变组合深度集流管式气冷器和集流管内插分流片式气冷器，并对其在不同结构参数下的流量分配性能进行了研究，得到了流量分配性能较优的气冷器结构形式。