超临界CO2流体及其换热特性分析

超临界 CO2流体及其换热特性分析杨俊兰 。马-太 。李敏霞(1.天津城市建设学院能源与机械工程系，天津 300384；2.天津大学热能研究所，天津 300072)摘 要： 对超临界 CO 流体的换热处理原则、换热特点以及换热机理进行了分析 ，超临界 CO 流体特殊的物性变化使得其传热与常规流体不同，应该按变物性”来处理。通过物性分析比较，与常规工质的凝结换热性能进行了对比研究，超临界CO 具有良好的传热和流动特性，超临界CO：冷却过程换热与凝结换热性能相当▲而分析不凝性气体对超临界CO：的性质及换热性能的影响，其物性值会有所减小，换热性能也有所降低。

关键词： 超临界CO ；换热机理；热物性；换热性能；不凝性气体中图分类号 ： TH137 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.05.015Analysis of Supercritical CO2 Fluid and the Heat Transfer PerformanceYANG Jun-lan ，MA Yi.tai ，LI Min.xia(1.Department of Energy and Mechanical Engineering，Tianjin Institute of Urban Construction，Tianjin 300384，China；2.Thermal Energy Research Institute of Tianjin University，Tianjin 300072，China)Abstract： The heat transfer treatment principle，heat transfer characteristics and heat transfer mechan ism of supercritical CO2fluid are analyzed.The special change trend for the properties of supercritical CO2 fluid makes its heat transfer diferent from thetraditional fluids.Thus the changeable therm o-physical properties should be adopted in the calculation equations.By propertiescomparison with the traditional refrigerants，the cooling heat transfer perform ance of supercritieal CO2 fluid is compared with thecondensation heat transfer of the traditional refrigerants.Th e results show that their heat transfer perform ance is comparative due tothe good heat transfer and flowing characteristics for supercritical CO2 fluid.In addition，the efect of non-condensation gas on theproperties and heat transfer perform ance of supercritical CO2 fluid is analyzed.Both the properties values and heat transfer per-formance are reduced。

Key words： supercritical CO2；heat transfer mechanism；thermo-physical properties；heat transfer performance；non-condensa-tion gas1 前言近年来，国内外对 CO 跨临界制冷循环的研究层出不穷 j。CO 跨临界制冷循环的特点是放热过程发生在超临界压力下，由于没有相变发生，这-过程的换热设备被称为气体冷却器。在超临界区，尤其在近临界区或准临界区，CO 的物性随温度的变化非常剧烈，所以对 CO 换热影响较大的区域主要发生在近临界区或准临界区。文献[5]对超临界压力下 CO 流体的性质进行了深入研究，为全面了解超I临界 CO 的流动和传热特性提供了理论基矗王淑香等对 CO：传热实验台的构建进行了分析 j。杨俊兰等对 CO 气体冷却器进行了优化计算和实验研究 。李志辉和姜培学对低雷诺数条件下超临界压力 CO 的换热进行了实验研究 J。Petersen等研究了超临界 CO 在微通道铝管中被冷却时的换热和压降情况 J。文献 [10]对超临界 CO 在管内径为7.73mm铜管中的冷却换热进行了研究，利用实验数据拟合了-个经验换热关联式。Dang和Hi-收稿日期： 2012-l1-12基金项目： 天津市科委应用基窗前沿技术研究计划项 目(1OJcYBJC0830o)2013年第41卷第 5期 流 体 机 械 67hara将数值计算与实验测量所得到的换热系数进行了比较 ，发现两者符合得很好，最后拟合出- 个新的关联式。Pitla等根据数值预测和实验数据 ，得出了-个新的计算超临界 CO 被冷却时的换热关联式。

本文主要对超临界 CO 流体的换热处理原则、换热特点以及换热机理进行分析，并通过物性比较，与常规工质的凝结换热性能进行对比研究，进而分析不凝性气体对超临界 CO：换热性能的影响。

2 超临界 CO：流体换热处理原则在处理超临界 CO：流体的流动和传热问题时，必须注意 2点：(1)在流体的连续方程、动量方程和能量方程中，不能把流体物性当作为常量，必须考虑物性随温度的变化，即按变物性”来处理。(2)沿流动方向，在壁面边界层与主流体之间存在着温度梯度，并由此产生密度梯度；再加上在准临界点附近流体粘度变化显著，由此产生的自然对流有可能使换热器中流体的速度分布、剪切力分布产生重大变化 ]。

根据是否考虑 自然对流作用的影响，超临界流体传热可以分为简单强迫对流换热和混合对流换热。Jackson等的换热研究表明17，18 3，当符合下列条件时，浮升力可以忽略。

毒<10 (X7：Tk3z)(1)

在冷却条件下，当流体的温度高于准临界温度而壁面温度低于准临界温度时，通常会出现传热增强现象。这是由于在上述条件下，边界层中总有这样-层流体存在，它的温度等于准临界温度。超临界流体在准临界温度时比热达到峰值，而导热系数也随温度的降低而增大。因此由于双重增强作用，处于准临界温度附近的流体层具有很高的换热能力，换热系数就存在-个高峰值。

随着冷却过程的进行，流体和管壁温度偏离准临界温度较远，比热下降的倍数远大于导热系数增加的倍数，换热系数也随之下降。实际上，换热的强化或恶化是受试验条件限制的。

3.2 与常规工质凝结换热比较与传统蒸气压缩制冷循环相比，CO：跨临界制冷循环中气体冷却器的作用相当于冷凝器。只不过在冷凝器中进行的是有相变的凝结换热，而在 CO：气体冷却器中进行的是超临界流体的单相强迫对流换热。

图l比较了超临界 CO 流体的密度与 CO饱和液体的密度∩以发现，在临界点附近，超临界CO：流体的密度比较接近CO 液体的密度，即表明超临界流体分子之间的距离与液体相当。从图还可以看出，超临界CO 流体的密度比R134aFLUID MACHINERY Vo1.41，No.5，2013和 R22的饱和液体密度低，它们都随着温度的升高而下降，而比 R134a和 R22的饱和气体密度高。

昌魁稍O0 55 110温度(℃)图 1 超临界 COz与常规工质密度比较超临界 CO 的比热比R134a和 R22的饱和液体和饱和气体的比热都大，这可从图2看出，尤其在准临界区，CO：的比热远高于 R134a和 R22的饱和液体和饱和气体的比热。这样，超临界CO 的单位体积比热就相对较大，如图3所示。

：鲁蕞壬i：噩l26030 70 ll0温度(℃)图2 超临界 CO 与常规工质比热比较温度(℃)图3 超临界c0 与常规工质单位体积比热比较图4比较了超临界 CO2与 R134a和 R22的饱和液体以及饱和气体的导热系数。从图中可以看到，在准临界点附近，CO 的导热系数下降很快。超临界 CO 的导热系数低于 R134a和 R22的饱和液体导热系数，高于它们的饱和气体导热系数，即介于两者之间。图 5给出了超临界 CO与 R134a和 R22的饱和液体以及饱和气体的粘度比较。很显 然，超临界 CO 的粘度 远小 于R134a和 R22饱和液体的粘度，稍高于它们的饱和气体粘度。

：：鲁辍蕞曲030 70 1l0温度(℃)图4 超临界 CO 与常规工质的导热系数比较：：gbH 赵冀2030 70 1 l0温度(℃)图5 超临界 COz与常规工质的粘度比较通过上述将超临界 CO，与 R134a和 R22的饱和液体以及饱和气体的性质进行比较，可以发现，超临界 CO：的比热在准I临界区比另外两种工质都高。而超临界 CO 的密度、导热系数以及粘度基本上都介于 R134a、R22的饱和液体和饱和气体之间，粘度接近它们的饱和气体粘度。总之，从物性分析来看，超临界 CO 流体的传热特性和流动特性基本上与常规制冷剂相当。

为了从另-方面说明，图6比较了在相同的当量冷凝温度下，超临界 CO：被冷却时与 R134a和 R22冷凝相变时的单位放热量。很显然，当量冷凝温度较低时，超临界CO：冷却时的单位放热量低于另外两种工质；而当量冷凝温度较高时，超临界 CO：冷却时的单位放热量高于另外两种工质。图7比较了它们的单位容积热容量。很明显，超临界 CO 冷却时的单位容积热容量远低于2013年第 41卷第 5期 流 体 机 械另外两种工质冷凝相变时的热容量，这是由于超临界 CO 冷却过程中不存在相变，没有相变潜热的传递。

l70删；145：12O52.5温度(℃)冷却时的换热系数在 2.0～15.0kW/(m ·K)范围内。

7辍 4霰姆lO.5平均蒸汽千度图6 超临界 CO 冷却与常规工质冷凝相变时的 图8 R134a和R22的凝结换热系数单位放热量比较g宝×咖綦潘0OOO052.5温度(℃)图7 超临界 CO 冷却与常规工质冷凝相变时的单位容积热容量比较为了与常规工质 R134a以及 R22的实验结果具有可比性，图8给出Cavalini等人对常规工质 R134a以及 1t22的凝结换热性能实验结果 引。

从图中可以看出，在实验范围内，随着质量流速的增加，它们的凝结换热系数都增大；而随着凝结过程的进行，凝结换热系数都下降。两者的凝结换热系数都在 1.0-5.OkW/(m ·K)范围内。图9给出了Yoon等人对超临界 CO 在管内径为7.73mm铜管中的冷却换热实验结果l加]∩以看出，除准临界区外，超临界CO 流体的冷却换热系数随质量流速的增大变化不大。并且随着冷却过程的进行 ，换热系数逐渐增大，并在某-温度下达到最大值，而后又随温度的降低而减校CO 换热系数的变化趋势与比热的变化趋势非常相似，这主要是由于比热在准临界温度附近变化 比较剧烈，并在准临界温度下达到最大值的缘故。这也说明CO 的换热性能受比热的影响较大。从图中还可以看出，在实验条件范围内，超临界 CO：昌辍蕞16O45 65温度(℃)图 9 超临界 CO：冷却时的换热系数通过比较图 8和图9可以看出，虽然超临界CO 流体冷却过程与常规工质冷凝过程换热系数的变化趋势不同，但是换热系数的量级却是相当的。甚至超临界 CO 流体在准临界点附近的换热性能优于常规工质的凝结换热性能。

3.4 分析不凝性气体的影响当超临界压力为 8MPa时，图 10和图 11分别给出了纯 CO2以及 CO2中含有 0.5%、l%和5%不凝性气体 NC-1时的比热和导热系数的比较 。。∩以看出，它们的物性基本上都随温度的降低而呈增加趋势。纯的超临界 CO 流体的比热和导热系数基本上都高于含有微量 NC-1时的相应数值。随着温度的增加，它们的相应物性值趋于接近；而温度降低时，相应物性值之间的差距拉大。并且 NC-l的含量越少，相应物性的数值越大。随着 NC-l含量的增加，相应物性的下降幅度增大，尤其在温度较低时更加明显。从中也可以发现，随着 NC-1含量的增加，对超临界CO：流体的物性影响变大。

70 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.5，2013昌宝籁蕞廿40 60 80温度(℃)图 10 比热比较45.032.520.040 60 8O温度( )图 11 导热系数比较为了从定量上进行比较，应用 Yoon等人的关联式对纯超临界 CO：流体以及含有微量 NC-1时的换热系数进行了计算 J，如图 l2所示。从图中可以看出，含有 NC-1时的换热系数低于纯超临界 CO 流体的换热系数，并且温度越低，相差越大。

：巨辍垛 蕞温度(℃)图12 用Yoon关联式计算换热系数比较通过计算可以发现，NC-1含量越多，对超临界 CO 换热性能的影响越大。但是相对于冷凝换热来说，不凝性气体对超临界 CO 换热的影响较校这可能是由于超临界 CO 流体具有较强的溶解性，当不凝性气体存在时，它们能够均匀地混合，由于不存在冷凝现象，不凝性气体与超临界流体同时扰动，不会在边界层中形成阻挡层，因此对换热的影响较校4 结语本文主要对超临界 CO 流体的换热处理原则、换热特点进行了分析，并与常规工质的凝结换热性能进行了对 比研究，最后分析了不凝性气体对超临界 CO：换热性能的影响。超临界CO 流体特殊的物性变化使得其传热与常规流体不同，应该按变物性”来处理。从物性分析来看，超l临界CO 具有良好的传热和流动特性。与常规工质的凝结换热相比，超临界 CO 冷却过程中不存在相变，不存在液膜。虽然没有相变潜热的传递，但换热性能与凝结换热相当。当超临界 CO 流体中含有微量不凝性气体 NC-1时，其相应的物性值会有所降低。同样其换热性能也有所下降，并且NC-1含量越多，下降幅度越大。但是相对于冷凝换热来说 ，不凝性气体对超临界 CO 换热的影响较校