超临界CO2流体管内流动换热

    1 前言

    二氧化碳作为工质最早可追溯到19世纪末。1869年第一个CO₂制冷系统由Thaddous S.CLowe在密西西比州建立的。1886年,德国工程师Franz Windhausen设计出了CO₂专用压缩机,从而使CO₂制冷系统得到广泛的应用。然而,到20世纪40年代时CO₂被当时称为/安全的制冷剂0—CFCs类所取代。1974年,两位美国科学家M.J.Molian和F.S.Rowland发表了著名的关于CFC类和HCFC类坏臭氧层的报告[1]。他们指出CFCs和HCFCs破坏了大气层中的臭氧层。由于这个重大的发现引发了寻找CFCs替代物的热潮。CFCs需替代的首要原因是因为它们破坏臭氧层,因此新的替代工质必须对于臭氧层没有破坏。由于HFC类工质对于臭氧层没有破坏力,成为替代CFCs的重要工质。特别是HFC134a作为CFC12的替代物已被大规模生产与应用。虽然HFCs不破坏臭氧层,但它们化学性稳定,释放后能够积累,这最终会导致明显的温室效应。因此HFC类工质不能作为长久的工质使用。虽然人们可以合成性能更佳的工质,但由于制冷剂的使用量非常大,最终将不可避免地使相当一部分泄漏到大气中去。任何大量人工合成物质排放到自然界中,都会对于环境带来未知的影响,因此现在一种普遍的观点是采用自然工质。所以,近年来的研究目标指向了自然工质,如CO₂,氨,碳氢化合物,水,空气等。

    1992年,前国际制冷学会主席,挪威工业大学的Lorentzen和Pettersen提出了CO₂跨临界循环理论,并试制了世界上第一台轿车空调系统样机[2,3]。由此引发了研究CO₂的新一轮热潮。CO₂被广泛研究应用于汽车,列车空调,热泵,户式空调以及二级压缩系统。由于跨临界CO₂系统的提出和研究的深入,使得超临界CO₂流体换热的研究显得非常重要。

    2 超临CO₂的热力学性质

    任何一种纯物质都存在三种相态—气相、液相、固相。气、液两相呈平衡状态的点称为临界点,即饱和液相线和饱和气相线的交点。在临界点时的温度和压力称为临界温度和临界压力。从图1上可以看出,在低于临界温度时,压力和比容沿等温线的变化是非连续性的,在饱和线处会产生相变,等压部分就是气液共存的相变过程。在临界温度下相变过程仅发生在一个点上,这个点的压力就称为临界压力。纯流体临界点的状态可用下式表示[4]:

    其中,A表示海姆赫兹自由能,V表示体积。

    从微观角度来看,CO₂是发生了一个从液相流体到气相流体的连续转变过程[5]。在超临界压力下,变物性是流体的主要特征之一,尤其是在临界点附近(压力为超临界压力的1~1.2倍处),物性的变化很大程度上影响了换热的性能。从图2~5中可以看到,在超临界压力下CO₂的物性参数在很小的温度区间内剧烈变化,只有密度是单调变化的,比热和导热系数在这个温度区间内分别有一个很陡的温度峰值。并且,随着压力的增加,其峰值逐渐减小。定义给定压力下比热达到峰值的那个温度叫准临界温度,随着压力的升高,准临界温度也持续上升。美国NIST标准定义CO₂准临界温度为[6]。