不凝气体对二氧化碳换热性能影响研究.doc
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1、精品论文不凝气体对二氧化碳换热性能影响研究马一太,胡静,李敏霞(天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室,天津 300072)5摘要:本文首先分析跨临界 CO2 制冷循环蒸发器内工质的热物性和沸腾换热特点。当有不凝气体存在时,易产生液体空化,形成异相扰动,实现非均匀核化过程,对成核温度和汽泡 存在的条件有较大影响,并通过经典换热关联式分析不凝气体存在对换热性能的影响。本文为跨临界 CO2 制冷循环蒸发器的进一步传热强化研究提供理论依据。10关键词:工程热物理;不凝气体;空化;异相成核;沸腾中图分类号:TK121Influence of non-condensable gas on heat
2、transfer performance of carbon dioxide15Ma Yitai, Hu Jing, Li Minxia(Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy,TianjinUniversity,Tianjin 300072)Abstract: In this paper, some characteristics of thermodynamic properties and flow boiling heat transfer are analyzed in trans-
3、critical carbon dioxide refrigeration system. Non-condensable gas in20subcritical CO2 leads to heterogeneous nucleating process in liquid, and accelerates the phase change process. Those can change threshold of nucleation and the condition. And the influence of non-condensable gas on heat transfer p
4、erformance of carbon dioxide is analyzed by classic heat transfer correlation. The paper provides theoretical basis for enhancing heat transfer in trans-critical carbon dioxide refrigeration system.25Key words: Engineering Thermophysics ; non-condensable gas ; cavitation ; heterogeneousnucleation;bo
5、iling0引言CO2 性质稳定,容易获得,易于被自然界接纳或吸收,不会造成环境污染,是环害工质30的永久替代物,具有非常光明的应用前景,可为目前常规制冷热泵装置的换代产品。对于纯 二氧化碳的制冷循环有大量的研究,但是对于存在不凝气体成分对于循环性能的研究却很 少。而在制冷循环系统的操作和维护中不可避免的会有一些不凝气体成分,如用于试压作业 的氮气残余,用于检漏作业的氦气残余等。这些气体成分如果要完全去除比较困难,如果允 许有较高的残余量,将会显著减少生产成本。如果这些气体对系统性能影响不大甚至有所提35高,意义非常重大,本论文对此进行研究。 目前对传统制冷系统中的制冷剂加入添加剂或混合物这方
6、面研究较多,有的研究证明可以提高循环的效率或传热效率。对于 CO2 制冷系统的影响,初步研究表明,CO2 中添加少量 物质,在膨胀机中形成气化核心,有利于提高膨胀机的效率1。这部分物质会参与整个循环 过程,其中的蒸发器是 CO2 制冷系统必不可少的换热设备,其换热性能直接影响制冷装置40的性能和运行经济性。在液体蒸发换热的过程中,如果存在气泡,会降低成核过热度,提前发生沸腾现象2-5,本文主要研究不凝气体对 CO2 蒸发器换热效果的影响,能否起到强化换基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(20090032110003)作者简介:马一太(1945-),男,教授,主要研究方向:制冷空调
7、替代工质及能源综合利用技术研究等. E-mail:ytma- 8 -热的作用。1含有不凝气体的亚临界 CO2 溶液特征1.1亚临界 CO2 的热力学性质45CO2 属于非极性分子,分子之间没有偶极作用和诱导作用,只有源于瞬时振荡偶极矩的 色散作用,故 CO2 分子之间的结合力较弱。CO2 跨临界循环中的蒸发吸热过程处于两相区, 换热过程主要依靠潜热来完成。虽然 CO2 蒸发器的的蒸发温度低于临界温度,但是工作压 力较高,大约是传统制冷剂压力的 7-10 倍,沸腾过程比较靠近临界点,处于亚临界区。表 现出来的性质有:较高的饱和压力,较低的表面张力和液相/汽相的密度比率。501.2含有不凝气体的亚
8、临界 CO2 溶液性质由于不凝气体的浓度很低,可认为是稀溶液,满足依数定理,该溶液相对于纯液态 CO2 沸点升高,凝固点降低。对于已经溶解的不凝气体,基本上被 CO2 分子所包围,因而不凝 气体分子只受到 CO2 分子的作用力,而不凝气体分子之间的作用可忽略。这种作用力在稀 溶液范围内可以看作为常数,故表现出溶质的蒸气压与它的浓度呈正比关系,满足亨利定律,55即:定温下气体物质在液体中的溶解度与该气体物质在液面上的平衡分压成正比6。pg = K H Cg(Cg 0)(1)式中 Cg 为被溶解的气体物质在溶液中的摩尔分数,比例常数 KH 为亨利常数。 由于不凝气体的存在,制冷剂的物理性质会发生变
9、化,其中与沸腾影响较大的是饱和压力、表面张力、液相/汽相比。Wu 等6对九种不同添加剂的分析和测试得出结论,认为添加60剂的加入能减小表面张力,而且表面张力随着添加剂浓度的增加而减小,Wasekar 等7都得 出近似的结论,本文通过计算得到不凝气体对二氧化碳物性的影响,如图 13 所示。图 1 不凝气体对 CO2 饱和压力的影响65Fig.1 Influence of a non-condensable gas on saturation pressure of carbon dioxide图 2 不凝气体对 CO2 表面张力的影响Fig.2 Influence of a non-conden
10、sable gas on surface tension of carbon dioxide70图 3 不凝气体对 CO2 液相/汽相密度比的影响Fig.3 Influence of a non-condensable gas on density ratio of liquid to vapour of carbon dioxide液体沸腾汽化成核率与表面张力成比例,如公式所示,表面张力的减小引起成核率的急75剧增加,相应也会引起成核数量的大量增加。3N e-s(2)1.3不凝气体的在液体中的存在形式液体的性质介于固体和气体之间,一般液体的体积比固体大 10%左右,而汽化时体积 为原来的 1
11、000 倍,因此液体中分子的排列情况更接近于固体,分子距离较近,彼此有较强80的相互作用,液体的内部压强也可以认为是由分子无规则运动引起的压强和分子力引起的压 强两部分,与气体分子不同的是,液体中由分子引起的压强占主导地位,要使液体中产生空 化,就需要很大的拉力将液体拉开。文献表明6,表面张力与液体内部汽化引起分子断裂所需要的作用力成比例,如公式(3)所示:F s 3 2(3)859095100105110本文选取相对 CO2 沸点较高的微量惰性气体,不与 CO2 发生反应,溶解度很小,易于 在液体中存在未溶解气体。在液体中,发生空化的主要特征是出现空泡,空泡可以是蒸气泡, 也可以是含有未溶解
12、气体的气体泡。但是在它们的形成过程中,通常以不稳定的形式存在, 当气泡太大会由于浮力作用而浮上表面,气泡太小又会由于表面张力的升高而是气体完全溶 解,蒸汽完全凝结。要使未溶解的气体或未凝结的蒸汽在液体中稳定地出现,需要一定的“寄 生基质”。由于工程上的金属面不是绝对光滑的,上面存在的坑穴斑痕就可以作为这种“寄 生基质”,所以就出现了附着在固体上的微汽泡或汽泡,其中 为接触角。不凝性气体很容 易在空穴处产生气核,得热逐渐长大产生气泡,开始附着于壁面,最终浮力大于表面张力而 离开壁面上升,微孔中因表面毛细效应,气泡会不断产生捕获,继而产生气泡8-9。不凝气体还会预先存在液体中,以纳米汽泡的形式稳定
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- 气体 二氧化碳 性能 影响 研究
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