CO-,2-跨臨界循環(huán)膨脹機(jī)理與轉(zhuǎn)子式膨脹機(jī)-壓縮機(jī)研究.pdf

1、環(huán)境問題的凸現(xiàn)，使自然工質(zhì)CO2作為傳統(tǒng)工質(zhì)的替代物重新回到制冷空調(diào)領(lǐng)域。本文的主要研究目的就是努力提高CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的性能，使之達(dá)到與傳統(tǒng)工質(zhì)相應(yīng)的COP，促使CO2空調(diào)熱泵系統(tǒng)早日走向?qū)嶋H有效應(yīng)用，為傳統(tǒng)工質(zhì)的替代提供最終解決方案，實現(xiàn)空調(diào)熱泵技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。 本文根據(jù)對目前國內(nèi)外對自然工質(zhì)CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的理論和實驗研究現(xiàn)狀的分析，以提高系統(tǒng)效率為目標(biāo)，對CO2熱泵系統(tǒng)的性能提升潛力進(jìn)行了理論分析，并且以CO2

2、跨臨界循環(huán)性能提高最具價值的膨脹機(jī)-壓縮機(jī)技術(shù)研究為核心，為CO2空調(diào)熱泵技術(shù)走向?qū)嶋H有效應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。 CO2跨臨界循環(huán)的特點為系統(tǒng)壓力較高、簡單循環(huán)運行效率較低。本文針對其高壓特點，分析了系統(tǒng)的安全性及其最優(yōu)壓力對系統(tǒng)性能的影響。為提高CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的性能，對簡單蒸氣壓縮制冷循環(huán)進(jìn)行的主要技術(shù)改進(jìn)方案可分為兩類：減小節(jié)流損失；減小放熱過程不可逆損失，使放熱過程向等溫放熱過程逼近。通過引入回?zé)崞?、噴射器、?jīng)

3、濟(jì)器、膨脹機(jī)等輔助制冷部件來縮小實際循環(huán)與卡諾循環(huán)的差別。在熱力學(xué)理論的指導(dǎo)下，對于各種新型循環(huán)方式的系統(tǒng)性能提高潛力進(jìn)行評價。 本文根據(jù)熱力學(xué)理論，對超臨界CO2降壓、閃蒸過程膨脹做功與能量輸出特性方面進(jìn)行理論上的探討。對氣液相變中的亞穩(wěn)平衡特性進(jìn)行研究，分析影響相變延遲的因素。建立膨脹機(jī)膨脹過程中CO2過熱液的成核長大熱力學(xué)模型，計算CO2氣化核心的臨界半徑和臨界勢壘。通過CO2過熱液中能量漲落值與其臨界勢壘值的對比，分析非

4、平衡相變發(fā)生的條件。探討通過干擾降低膨脹過程生成氣化核心的能量勢壘，促進(jìn)相變發(fā)生的機(jī)理與可行性。 采用膨脹機(jī)對于提高CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)性能具有特殊重要的意義。為減小能量轉(zhuǎn)換和儲存損失，盡量提高系統(tǒng)效率，膨脹機(jī)所產(chǎn)生的機(jī)械功應(yīng)該被直接利用，可使膨脹機(jī)和壓縮機(jī)同軸聯(lián)接。研制CO2膨脹機(jī)-壓縮機(jī)是推動CO2走向有效應(yīng)用的重要途徑。以擺動轉(zhuǎn)子式膨脹機(jī)-壓縮機(jī)為開發(fā)對象，采用新型的軸向進(jìn)氣控制方案并根據(jù)系統(tǒng)容量計算出設(shè)計參數(shù)。運用摩擦學(xué)

5、系統(tǒng)分析影響CO2膨脹機(jī)-壓縮機(jī)潤滑性能的因素。對用于CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的四類合成潤滑油POE、PAG、PAO、AN/AB的主要性能如混合性、流動性、可溶性、粘溫特性、穩(wěn)定性和潤滑性進(jìn)行分析比較。 以膨脹機(jī)-壓縮機(jī)的工作過程(吸氣、壓縮、排氣；進(jìn)氣、膨脹、排氣)為研究對象，綜合考慮各種因素，建立起工作過程的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值求解。求出膨脹機(jī)-壓縮機(jī)中工質(zhì)的主要熱力參數(shù)(如壓力、溫度、比容)，以及其它特性(如泄漏損失、摩擦損失等

6、)隨主軸轉(zhuǎn)角的變化特性，進(jìn)而計算出膨脹機(jī)-壓縮機(jī)的主要性能；通過對計算結(jié)果綜合分析，揭示膨脹機(jī)-壓縮機(jī)的內(nèi)部工作規(guī)律和性能提高的途徑。 本文建立用于測試膨脹機(jī)-壓縮機(jī)性能的CO2跨臨界循環(huán)水-水熱泵系統(tǒng)實驗臺，研究膨脹機(jī)-壓縮機(jī)的運行規(guī)律。為膨脹機(jī)-壓縮機(jī)效率的進(jìn)一步提高和系統(tǒng)的優(yōu)化及控制提供有價值的參考依據(jù)。實驗結(jié)果表明，膨脹機(jī)對CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)性能具有明顯的提高作用，在一般工況下大約可以提高20％～40％，說明膨脹機(jī)技術(shù)