1. 研究背景
随着化石燃料逐步被淘汰,利用可再生能源成为能源转型的关键。在这一背景下,跨临界CO2热泵循环作为一种可持续的供暖和制冷替代方案,因其使用天然物质CO2,具有成本竞争力、非易燃性、无毒性、零臭氧消耗潜能和可忽略的全球变暖潜能等优点而备受关注。然而,由于CO2的临界温度较低,常规制冷系统中的循环效率受到限制。为了提高系统效率,需要对循环中的关键组件进行设计和优化,其中涡旋管因其独特的能量分离特性而成为研究的焦点。
2. 研究方法
本研究采用了三维计算流体动力学(CFD)模拟方法,利用开源SU2求解器进行模拟。SU2求解器具备隐式时间积分和基于真实气体密度的公式化特点,适合模拟高速可压缩流动。研究中使用了均相平衡两相模型,并结合了k-ω SST和标准k-ε湍流闭合模型。此外,通过快速查表的方式应用Span和Wagner状态方程来计算CO2的性质,确保了模拟的准确性和效率。
3. 研究内容
研究首先在文献中已有的跨临界CO2喷嘴的压力测量、冷凝起始位置和可视化结果上进行了验证。随后,对涡旋管中CO2的温度、能量和相分离现象进行了深入研究,并探讨了由于粘性和热耗散引起的整体和局部熵产生。研究揭示了在实际气体效应下,温度分离在两个出口处均低于入口温度的现象,并展示了能量分离的逆转以及涡旋管出口用于加热和冷却目的的可用功率。
4. 研究结果
研究结果显示,在跨临界CO2条件下,涡旋管的温度分离在入口温度以下产生,这与理想气体情况下的亚临界CO2蒸汽的常规热分离相反。此外,研究还发现,能量分离在冷质量分数较高和入口操作压力较高时会发生逆转。熵产生分析揭示了在涡旋管锐角处由于波动分量导致的更高的不可逆性,尤其是在冷质量分数高和入口操作压力高的条件下。研究结果不仅为涡旋管在跨临界CO2热泵循环中的操作提供了有用的指导,还为理解涡旋管内部复杂的物理现象提供了新的见解。