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1、上海交通大学硕士学位论文基于半理论模型的跨临界CO2制冷系统仿真及气体冷却器性能研 究姓名：王昭申请学位级别：硕士专业：制冷与低温工程指导教师：顾建明20080201申请上海交通大学硕士学位论文 I基于半理论模型的跨临界CO2制冷系统仿真及气体冷却器性能研究 摘摘 要要 二氧化碳作为一种环境友好的自然工质制冷剂， 具有许多其它制冷剂无法替代的优点， 已成为制冷剂替代的一个重要方向。 关于跨临界二氧化碳制冷系统的研究引起了众多学者的关注。 本文根据文献中公开发表的实验数据建立了跨临界二氧化碳制冷系统中各部件的半理论模型， 编制了基于半理论模型的跨临界二氧化碳制冷系统仿真计算程序。 计算了文献中的
2、跨临界二氧化碳系统运行工况， 将计算结果与文献中公开发表的实验数据进行比较表明了这种半理论模型的可行性， 可用此模型进行跨临界二氧化碳制冷系统中各状态点参数计算及系统的变工况分析。 对跨临界二氧化碳制冷系统的热力学第二定律分析表明气体冷却器是跨临界二氧化碳制冷系统中的重要部件， 其不可逆损失大， 因此提高气体冷却器的性能、 降低其不可逆损失可以显著提高整个跨临界二氧化碳制冷系统的性能。 本文对跨临界二氧化碳制冷系统中的管片式气体冷却器建立了申请上海交通大学硕士学位论文 II仿真计算模型， 分别采用集总参数法和分布参数法对某典型的二氧化碳管片式气冷器进行了计算， 计算结果与文献中的实验数据符合得
3、很好， 比较结果表明所建立模型的正确性。 并详细分析了在不同状况下各参数的变化对二氧化碳在管内沿流动方向上的物性的变化以及对整个换热器换热性能的影响。 另外本文还基于两种不同的二氧化碳换热系数计算模型采用集总参数法对二氧化碳微通道平行流气冷器进行了计算， 在将各自的计算结果与文献中实验数据比较的基础上评价了两种换热系数计算模型的优劣。 最后， 本文初步完成了跨临界二氧化碳制冷系统多功能实验台的设计。 详细描述了跨临界二氧化碳制冷系统多功能实验台的功能与组成、制冷系统的设计思路、系统控制方案、不同实验之间的切换和参数的控制与调节方式、系统在标准工况下各状态点参数的确定等等，为今后对跨临界二氧化碳
4、制冷系统进行系统性的实验做好了准备， 也为类似实验台的设计提供参考。 关键词：制冷系统，二氧化碳，跨临界循环，气体冷却器，仿真，多功能实验台 申请上海交通大学硕士学位论文 IIISIMULATION OF THE TRANS-CRITICAL CARBON DIOXIDE REFRIGERATION SYSTEM WITH SEMI-THEORETICAL MODELS AND PERFORMANCE ANALYSIS OF THE GAS COOLER ABSTRACT Carbon dioxide (R744), as a natural work fluid, is regarded a
5、s an important substitute of refrigerant with many unique advantages. Many researchers focus their attentions on the trans-critical carbon dioxide refrigeration system. The semi-theoretical models of components in the trans-critical carbon dioxide refrigeration system based on experimental data in t
6、he open published literature were developed. The simulation program of the refrigeration system was developed based on this semi-theoretical model. Later, we studied the case in the literature and compared the simulation data and the experimental data and the results showed that the semi-theoretical
7、 model was feasible. This semi-theoretical model can be used to determine the state points of the trans-critical carbon dioxide refrigeration system and to analysis the performance of the system under variable working conditions. The analysis of the trans-critical carbon dioxide refrigeration system
8、 with the second thermal-dynamic law shows that the gas cooler is an important component in the system with substantial irreversible loss. So, to improve the performance、to decrease the irreversible loss of the gas cooler will greatly improve the performance of the whole system. The simulation model
9、 for the fin-and-tube gas cooler used in the trans-critical carbon dioxide refrigeration system was developed and the typical fin-and-tube gas cooler was studied both with lumped parameter method and distributed parameter method. The simulation data agreed well with the experimental data, which show
10、ed the validity of the model developed. We also analyzed how the changes of input parameters influenced the changes of thermo-physical properties of carbon dioxide along the flow direction and the changes of the whole performance of the gas cooler. Furthermore, with lumped parameter method, the micr
11、o-channel gas cooler was studied with two different carbon dioxide heat transfer coefficient models. An evaluation of the performance of the two carbon dioxide heat transfer coefficient models was made based on the comparison between the simulation data and the 申请上海交通大学硕士学位论文 IVexperimental data res
12、pectively Finally, the primary design of the multi-functional experimental platform for trans-critical carbon dioxide refrigeration system was finished. The function、the construction、the refrigeration system design、the system control method of the platform as well as the switch method among differen
13、t experiments and the modulation method of parameters was also described. This has prepared for the experimental researches systemically later. This can also provide reference to the design of similar experimental platform. Keywords: refrigeration system，carbon dioxide，trans-critical cycle，gas coole
14、r，simulation，multi-functional experimental platform 申请上海交通大学硕士学位论文 X图目录 图 2-1 二氧化碳制冷系统示意图.9 图 2-2 转速为 950RPM 时二氧化碳气冷器温度效率随流量的变化图 .12 图 2-3 转速为 1800(3000)RPM 时二氧化碳气冷器温度效率随流量的变化图.12 图 2-4 转速为 950RPM 时二氧化碳蒸发器温度效率随流量的变化图 .13 图 2-5 转速为 1800(3000)RPM 时二氧化碳蒸发器温度效率随流量的变化图.14 图 2-6 二氧化碳蒸发器压降随流量的变化图.14 图 2-7 转速为 950RPM 时压缩机容积效率随压缩比的变化图 .16 图 2-8 转速为 1800(3000)RPM 时压缩机容积效率随压缩比的变化图.16 图 2-9 转速为 950RPM 时压缩机等熵效率随压缩比的变化图 .17 图 2-10 转速为 1800(3000)RPM 时压缩机等熵效率随压缩比的变化图.17 图 2-11 典型吸气热交换器横截面图及尺寸23，单位：mm.19 图 4-1 跨临界区域内二氧化碳各热物理性质变化图.32 图 4-2 制冷剂流程与空气流向示意图.34 图 4-3 管片式换热器的局部结构.35 图 4-4 翅片与换热管的连接结构.
