超临界二氧化碳在紧凑式微通道气冷器中换热基础问题研究

最近对制冷剂的研究和空调制冷剂的发展表明：二氧化碳由于其无毒、不燃、安全、经济、资源丰富的绿色(ODP为零，GWP接近零)天然流体等特点将会作为空调制冷剂的首选。在跨临界二氧化碳空调制冷循环过程中，气冷器在超临界状态下运行。同时由于汽车结构紧凑及特殊的移动特性，使得气冷器首选微通道紧凑式结构。微通道使换热器空气侧面积增加，结构重量减轻，具有较高的传热效果。本项目目标是探明微通道内超临界二氧化碳对流换热机制。阐明微通道结构、超临界物性变化以及操作条件之间的相互关系。建立描述最低能量耗散原理与超临界二氧化碳传热之间的相互关系，从边界层理论以及分子热运动的角度揭示产生超临界换热现象的微观机制。总结出影响换热性能的几个关键因素，建立适用于超临界二氧化碳在微通道内的换热关联式，发展超临界二氧化碳换热的最低能量耗散模型与理论。为紧凑式微通道气冷器的设计研究提供理论依据。

项目立项以来，项目负责人和项目组主要成员按照项目计划书所列研究内容和研究计划，通过理论分析、计算流体力学软件数值模拟和试验手段，完成了所有项目研究内容，取得了一定的成果。.（1）采用数值模拟方法研究了超临界CO2在0.1mm-2.5mm多种不容管径内的局部流动与换热特性，分析了局部流体温度、壁面温度分布、流体湍动能分布及湍流雷诺数分布，获得了管内流动的细观信息；考察了进口流量、流动方向及管径等影响因素，结果表明，由于浮升力的影响，在小管径内，竖直向上流动传热得到强化，而竖直向下流动时传热明显削弱。较小管径下的换热系数高于大管径下的换热系数。通过对管径小于等于0.5mm，超临界CO2竖直流动时冷却换热的数值计算，利用数据拟合了新的换热关联式，可作为气冷器设计的参考依据，是对现有超临界CO2换热研究的有效补充。.（2）研究出一种新的微通道平行流气冷器整体结构建模方法，大大降低了网格划分时间及对计算机硬件的要求，提高了工作效率。对微通道平行流气冷器扁管与集流管组合结构进行了一系列优化设计，得出了最优的参数组合，为新产品的工程应用提供参考。采用火积理论对由于流量分配不均匀导致的热量传递势能的损失进行直观的描述。.（3）研究了六种不同百叶窗过渡段类型对翅片单元流道内对流换热性能影响。研究发现，适当增加过渡段翅片直段长度，可以使压降明显降低，而换热量无明显下降。由不同百叶窗翅片角度组合形成的翅片结构具有较高的综合换热效果，但不同的角度组合又增加了翅片制造的难度。.（4）自主研发出新型百叶窗翅片类型，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换热效果，同时压降没有明显增加，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。.（5）根据试验原理与测量要求，制定了对流体流动的试验方案，设计、制作了一套新型百叶窗翅片结构内流体流动的冷模试验装置，对数值模拟计算得到的速度结果进行了验证。.（6）采用分子动力学方法对超临界CO2的微观结构进行了研究，得到三种团簇二聚体。研究了润滑油浓度对超临界CO2微观结构及流动换热影响，为得到实际润滑油的最佳添加比，提供新方法。使用Lammps软件编译程序，计算了超临界CO2输运系数—粘度，准确预测了粘度的变化趋势，为后期导热、比热等特性的计算以及CO2/润滑油混合体系的输运特性及换热特性的研究奠定了基础。