面向可持续热泵系统的垂直流道内非共沸混合工质CFD热力学性能评估与传热机理研究

《Case Studies in Thermal Engineering》：CFD-Guided Thermodynamic Evaluation of Zeotropic Mixtures in Vertical Channels for Sustainable Heat Pump Systems

为应对传统制冷剂环境问题并提升热泵系统在区域供热等应用中的能效，本文采用计算流体动力学（CFD）耦合实验验证，系统研究了CO2/R290、R600/R290、R32/R1234yf及R1234yf/R1234ze(Z)四种非共沸混合工质在垂直板式蒸发器内的微观流动蒸发与传热特性。研究确定了约4 K的夹点温差（PPTD）可实现最优传热效率，并发现CO2/R290表现出卓越性能，其总传热系数（~9.61 kW/m2K）显著高于R1234yf/R1234ze(Z)。此工作阐明了工质物性与运行参数优化在提升热泵效率中的关键作用，为下一代可持续热泵系统的优化设计提供了重要依据。

　　

在当前全球能源转型与应对气候变化的紧迫背景下，热泵技术因其能将低品位热能转化为可用高品位热能，被视为未来最具前景的新能源技术之一。然而，传统热泵系统中广泛使用的氢氟烃（HFCs）类制冷剂，因其高全球变暖潜能值（GWP），正面临《蒙特利尔议定书基加利修正案》的严格限制，亟待被更环保的替代品所取代。理想的替代品应兼具零臭氧消耗潜能（ODP）和低GWP。这促使研究者们将目光投向天然工质（如CO₂、碳氢化合物HC）和合成工质（如氢氟烯烃HFO）。但纯工质各有挑战：CO₂运行压力过高，HC和HFO具有可燃性。为了扬长避短，将不同工质按特定比例混合，形成非共沸混合工质，成为了一条富有潜力的解决路径。这类混合工质不仅能规避单一工质的缺点（如降低CO₂工作压力、缓解可燃性），还能利用其独特的“温度滑移”特性更好地匹配热源与热汇的温度变化，从而在理论上提升系统能效。

尽管非共沸混合工质在系统层面已显示出优势，但对其在蒸发器等关键部件内部的微观流动、相变传热机理的认识仍十分有限。尤其是在垂直布置的微型通道内，复杂的多相流行为、工质物性随温度和组分的变化，以及由此产生的传热系数数据匮乏，严重制约了高效、优化的热泵系统设计。为了深入探究这些微观机理，并为下一代可持续热泵系统筛选高性能工质，由Zongguo Xue、Jierong Liang、Wilko Rohlfs、Yunfei Yan、Chenghua Zhang、Yonghong Wu、Tingting Zhu组成的研究团队，在《Case Studies in Thermal Engineering》期刊上发表了他们的研究成果。

为了开展这项研究，作者团队主要运用了以下几个关键技术方法：首先，他们建立了三维垂直板式蒸发器的物理模型，该模型包含一个中间制冷剂通道和两个侧边水源通道。其次，研究采用了计算流体动力学（CFD）数值模拟作为核心工具，创新性地结合了流体体积法（VOF）来追踪气液两相界面，并耦合Lee相变模型来模拟蒸发过程。第三，为了确保模拟的准确性，研究从商用软件REFPROP 10.0中导入了四种混合工质（CO₂/R290、R600/R290、R32/R1234yf、R1234yf/R1234ze(Z)）在操作温度范围内离散的关键热物理性质数据（如密度、导热系数、比热容、动力粘度、表面张力），并将其作为温度函数集成到CFD求解器中。此外，研究还通过网格独立性验证和与纯工质R32实验数据的对比，验证了数值模型的可靠性。

研究结果

3.1. 实验验证

为验证数值方法的准确性，研究将模拟结果与基于R32/R1234yf混合工质实验条件的REFPROP计算数据进行了对比。结果显示，模拟预测的制冷剂达到泡点温度的位置与REFPROP导出的滑移温度相比，误差约为15.5%。同时，制冷剂侧和水侧的冷量模拟值与实验测量值也吻合良好，证明了所选数值模型的合理性与可靠性。

3.2. 制冷量

研究发现，通过主动调节水源质量流量，可以将蒸发器中制冷剂与水源流体之间的最小局部温差，即夹点温差（PPTD），基本维持在约4 K。在这一优化的PPTD下，不同混合工质均能实现一致的制冷效果，制冷量范围在29.77 W至55.83 W之间。这表明，针对特定工质的热物理性质限制，通过优化运行参数（尤其是水源流量），可以有效补偿其不足，实现稳定的系统性能输出。

3.3. 传热特性

对不同工质的总传热系数分析显示，CO₂/R290（质量分数3%/97%）表现最为优异。在特定工况下（水源入口温度T_w,in=40°C，制冷剂饱和温度T_r,sat=20°C），其总传热系数高达~9.61 kW/m²K，这比性能最差的R1234yf/R1234ze(Z)（~5.85 kW/m²K）高出约64%。这种卓越性能归因于CO₂的高导热性和该混合工质接近共沸的行为，促进了均匀的相变和热量传递。

3.4. 相分布与温度分布

通过CFD模拟可视化的相分布云图显示，CO₂/R290在蒸发器内呈现出更为均匀、渐进的气液界面演变，表明其相变过程平稳。而R1234yf/R1234ze(Z)则显示出更破碎、不规则的相界面。相应地，在水侧的温度分布云图中，CO₂/R290对应的水温下降也更为均匀，热梯度较窄，反映了高效的热量提取。而R1234yf类工质则表现出更陡峭、不对称的温度下降，暗示存在局部传热低效区。

3.5. T-Q图

温度-热量图进一步直观展示了在维持~4 K PPTD的条件下，不同工质与水源之间的温度匹配情况。尽管通过调节水源流量使PPTD保持一致，但不同工质的温度曲线形状存在显著差异。CO₂/R290的温度曲线平滑，而具有明显温度滑移的R32/R1234yf等工质则呈现出更为曲折的匹配路径，这反映了其组分先后蒸发的特性。

研究结论与意义

本研究通过CFD模拟与验证，系统评估了非共沸混合工质在垂直板式蒸发器内的热力学性能，得出了几项核心结论。首先，维持约4 K的夹点温差（PPTD）是一个能有效平衡传热效率与系统（火用）损失的设计与运行优化点。其次，在研究的四种混合工质中，CO₂/R290展现出显著优越的综合性能，其高传热系数、均匀的相分布和温度分布，凸显了其作为下一代高性能可持续热泵工质的巨大潜力。再者，研究证实，通过主动调节水源质量流量等运行参数，可以弥补不同工质自身的热物理性质局限，使它们在优化的PPTD下均能达成可比的制冷量，这为系统层面的灵活设计与控制提供了策略。

该研究的重要意义在于，它超越了传统的系统级性能评估，通过高分辨率的CFD模拟，深入揭示了非共沸混合工质在蒸发器微通道内的流动与传热微观机制，建立了工质物性、相变行为与宏观性能之间的直接联系。这不仅为理解温度滑移等复杂现象对蒸发器性能的影响提供了新的视角，也为基于机理的热泵蒸发器优化设计和环保高效混合工质的筛选提供了关键的理论依据和数据支撑。尽管研究中采用的Lee模型在模拟非共沸混合物界面传质时存在简化，但其成功捕捉了主要的性能趋势，指明了未来需要结合物种输运模型进行更精细模拟的方向。总体而言，这项研究有力地推进了面向碳中和目标的高效环保热泵技术的发展。