超临界CO2/R41混合工质在螺旋槽管内冷却流动传热特性的数值研究

林智博， 陶乐仁， 邱 晗， 杜登高， 麻毓窈

(1.上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093；2.郑州经贸学院，郑州 450099)

CO2作为一种具有环保性、安全性和热物性等优点的天然存在的物质被应用于制冷系统中[1]，但早期受限于当时的技术水平，制冷效率低，很快被氯氟烃等合成制冷剂所取代[2]。1994年，Lorentzen[3]提出了CO2跨临界循环，超临界CO2具有良好的传热和流动特性，其在高压侧气体冷却器内通过无相变的冷却过程进行放热，系统热效率得到极大提升[4]。但是，跨临界CO2系统高压侧工作压力较高，使其推广和使用受到一定的限制。为了在保证换热效果的同时降低跨临界CO2系统的工作压力，许多学者针对超临界CO2混合工质的流动传热过程进行了研究。Zhang等[5]研究发现，采用二甲醚质量分数为0%～6%的二甲醚/CO2混合工质时，在过热度为10 K时系统最佳排气压力由9.80 MPa降至8.25 MPa。Sun等[6]发现，当CO2质量分数为0.6，采用CO2/R32混合工质时跨临界热力系统的制热性能和制冷性能分别提高23.3%和65.2%。Jü等[7]的实验结果表明，采用质量比为12∶88的CO2/R290混合工质后，跨临界热泵热水器的供热系数和供热能力较传统R22热泵系统分别提高了11.00%和17.50%，同时R290的可燃性也得到了抑制。Dai等[8]研究发现，与纯CO2跨临界热泵循环相比，采用CO2/R41和CO2/R32混合工质时性能系数和效率均更高，且高压侧压力有所降低。

在实际应用中，为了强化超临界CO2在管内的传热过程，研究人员开发了不同结构的气体冷却器。Yang等[9]提出了一种可以有效提高出水温度的扭管式换热器。Kim等[10-11]提出一种由螺旋盘管和槽管组成的气体冷却器，其传热性能高，且耐压安全。……