超臨界二氧化碳放熱及膨脹做功特性研究

以熱力學、傳熱學和不可逆過程熱力學為理論基礎，采用勞倫茲循環節能原理，在現有實驗設備的基礎上增加新的試驗裝置，通過理論分析和反復實驗驗證，對比得出可靠的研究結果。主要創新點如下：

1) 開展了超臨界二氧化碳被冷卻條件下的換熱性能研究，收集自然工質的熱物性實測數據，得出二氧化碳的熱物性變化規律。研究提出了超臨界流體換熱的處理原則。針對CO2的物性變化特性，本研究重新定義了二氧化碳的臨界點分區。

2)研制了研究超臨界二氧化碳換熱的實驗系統。課題組設計了一種新型的測量流體管內溫度的方法，可以有效的解決高壓流體的測溫與密封的矛盾，使測量準確度大幅度提高。根據以上研究結果設計，制造出超臨界二氧化碳換熱試驗系統，對超臨界二氧化碳在管內被水冷卻時的換熱特性進行了實驗研究。通過對大量試驗數據的整理和分析，得到影響二氧化碳換熱性能重要的參數及其變化規律，并得到含潤滑油的超臨界CO2在氣體冷卻器中的換熱實驗準則方程式。與國內外其它的同類研究比較表明，本課題由實驗結果得出的準則關系式可很好的表達超臨界CO2在氣體冷卻器中的換熱規律，公式適用的范圍較寬，并能很好地表達含潤滑油的超臨界CO2流體在氣體冷卻器中的換熱規律。

3)利用非平衡過程熱力學理論分析了膨脹過程的內部機理，分析CO2超臨界流體在膨脹過程中的性質和特性參數。根據對膨脹機中流體膨脹過程的分析，提出超臨界CO2膨脹過程相變的處理原則和依據。

4)比較不同形式的膨脹機，并進行了絕熱效率預測，進行了不同類型膨脹機在造價、振動、噪聲、吸入口控制等因素的對比。提出采用滾動活塞膨脹機選型原則和依據，設計開發二氧化碳膨脹機，選取結構尺寸。對滾動活塞膨脹機進行了熱力學和動力學計算，為膨脹機結構設計提供理論依據。

5)根據理論分析，設計開發了新型發明CO2跨臨界循環滾動活塞膨脹機，建立了帶膨脹機的二氧化碳跨臨界制冷循環實驗臺和二氧化碳膨脹機實驗測試系統以及數據采集系統。實驗證明所開發的CO2跨臨界循環轉子式膨脹機在設計工況下，運行平穩，達到設計要求。研究成果填補了國內在二氧化碳自然工質研究領域里的空白，各項技術技術性能指標先進，達到國際先進水平。