异相扰动对CO2跨临界循环膨胀过程和系统运行影响的机理研究

本课题以自然工质CO2跨临界循环热泵为研究对象，探索在流体膨胀与系统运行过程中的主要特性，以提高整个系统效率为目的。通过在系统中添加微量的物质形成干扰源，相对于流体形成异相扰动体，研究异相扰动对CO2跨临界循环中膨胀做功以及超临界CO2和亚临界CO2流体换热过程的影响机理。通过筛选添加物，分析其对相变滞后以及过热度的影响和气泡生长的规律，通过可视化实验和内部参数的测定确定其对CO2流体膨做功的影响。研究流体流态和流体特性参数以及物性参数变化规律，通过实验测试，确定添加物质对超临界换热的积极作用和对亚临界CO2的沸腾换热中的作用。测试压缩机运行耗功情况的变化，寻找整个系统运行的特性规律，综合评价添加物存在于CO2流体对系统的影响，推荐最适合物质及其含量，找到消除可能存在的不利影响因素的方法，对设备和系统布置进行优化，实现系统的整体运行的提高。

本课题以CO2跨临界循环热泵为研究对象，探索在流体膨胀与系统运行过程中的主要特性，以提高整个系统效率为目的。希望通过在系统中添加微量的物质形成干扰源，形成异相扰动体，研究异相扰动对CO2跨临界循环中膨胀做功以及超临界CO2和亚临界CO2流体换热过程的影响机理。本研究首先通过了解膨胀机的内部结构，找到影响效率的原因，经过改造，提高了膨胀机本身的运行效率，最高可以达到75%， 已经远高于之前的55%的效率。 通过分析异相添加物对膨胀过程的影响，我们发现添加少量的不同类物质产生的影响可以降低膨胀过程中相变延迟，有利于膨胀功的输出。通过分析添加物对换热的影响，我们发现不凝性气体会对超临界CO2近临界区换热产生影响，以及亚临界CO2的流动沸腾干涸现象产生影响。进行了三种不同物质对系统影响的实验，包括不凝性气体N2， 二甲醚和R32，并与纯CO2工质结果进行了比较。发现加入不凝性气体N2会提高膨胀机的回收功，但同时会降低膨胀机的效率以及气体冷却器和蒸发器换热。压缩机的功耗微小增加，导致整个系统的COP 降低。从以上研究认为不凝性气体的存在会降低系统的COP。 通过加入小量的二甲醚发现，膨胀机的膨胀功增加，同时膨胀机的效率也增加了，当二甲醚的含量为2%时，整个系统两个换热器的换热系数也时增加的，虽然在2%含量大的情况下系统COP也增大，但仍认为2%是比较合适的添加量，这时系统COP可以提高10%，膨胀机效率可以提高3%。由于二甲醚的可燃性，选择比二甲醚的可燃性低一些的R32。 通过实验发现，膨胀机以及系统的性能随着R32 的含量增加达到一个最大值，当R32的含量为1%的时候，系统的COP效率可比纯工质的可提高13.6%，同样膨胀机的效率也可提高5%。 为了进一步对系统性能进行分析，对CO2中润滑油的影响进行了分析，为了提高换热预测精度，提出了考虑润滑油影响的预测模型。为了降低不凝性气体和其它添加剂产生的负面影响，分别对换热部分的强化管的气体冷却器和满液式蒸发器进行了分析，通过实验发现气体冷却器的出水温度和两个换热器的换热系数都有提高。通过以上研究研究者认为，通过添加合适的含量的物质可以提高CO2系统膨胀机以及整个系统的COP，添加物为R32时合理的含量为1%。