竖直管内超临界二氧化碳局部对流换热研究

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超临界压力流体对流换热的早期研究主要开基金项目：国家自然科学基金资助项目(51076145)发展于20世纪五六十年代 ，由于受当时技术所限，有关超临界流体的研究发展比较缓慢↑年来，随着高新技术的发展，超临界流体的对流换热· 1·南竖直管内超临界二氧化碳局部对流换热研究 Vo130.No3 2013引起人们极大的关注。超临界二氧化碳流体由于其物性表现出良好的传热和热力学特性，其应用背景尤为广泛，主要涉及汽车空调、制冷与热泵系统 - 等。

超临界二氧化碳在细小管内对流换热的研究引起人们越来越多的兴趣 J。对于超临界二氧化碳对流换热的研究已经开展了很长-段时间，综合国内外大部分学者对二氧化碳的研究成果，主要体现在通过实验手段获得1。。 ]，缺少细节性的信息，针对超临界二氧化碳特殊的物理性质，在细小管道中，实验具有-定的局限性。

在此基础上，通过对二氧化碳超临界物性的分析，文中模拟了管内径 2 mm、壁厚 0.3 mm、冷却水套管内径4 mm的竖直管内超临界二氧化碳的传热特性。为以后在超临界二氧化碳换热方面的研究，提供数据参考。

1 物理模型及边界条件文中模拟计算借助有限体积法的计算流体力学软件 FLUENT，模型采用变物性，所有物性均通过计算热物性流体性质软件 REFPROP获得。变物性数据采用 piecewise-liner输入。模拟计算采用增强壁面函数算法，压力速度耦合采用 SIM-PLIC算法，二氧化碳与冷却水侧均采用质量流率进口，压力出口，固体壁面与流体耦合，冷却水外壁面为绝热。模拟模型结构如图1所示。

，91h 图1 模型结构示意冷却条件下超临界二氧化碳局部换热系数采用下式计算(定性温度柔截面的质量平均温度)：. q2 hz式中 --局部传热系数，W/(In ·K)q--内壁面的热流密度，w/m下标 --沿管长方 向所蓉面的位置，. 。

m m 下标6--流体温度 的物性参数，K下标 --壁面温度 的物性参数，K2 大管径竖直换热管中对流换热特性对于超临界二氧化碳的模拟计算，首先要选择正确的湍流模型，并对所选择湍流模型计算结果的正确性进行验证，是模拟计算的基矗文中根据文献 的实验数据，选择几个具有代表性的湍流模型对管内径为 2 mm时，超临界二氧化碳的传热进行模拟，图2示出了不同模型的壁面温度计算结果。

0 lO 20长径ttZla图2 模拟结果与实验值对比从图2中可以看出，RNG模型与实验结果符合最好，误差不超过 4%，这是因为 RNG模型考虑了湍流漩涡，提高了湍流过渡过程的精度，因此能够很好地反映出层流向湍流的过渡过程。而使用低雷诺数 YS，LB，AKN模型也可以定性地表示出壁面温度下降的趋势，但壁面温度的峰值和低谷较实验结果均有所推后，在过渡区附近误差超过 10%，对湍流过渡过程的贴合度稍差。所以，对于 2 mm管径超临界二氧化碳对流换热模拟计算的湍流模型，文中选用 RNG(j- )模型，壁面采用增强壁面函数处理。

2.1 二氧化碳物性分析二氧化碳在跨临界循环中，临界点对流体物性有较大的影响。这些因素是二氧化碳制冷装置区别于传统制冷剂的明显优势。因此，分析二氧化碳在临界点附近物性的变化特征是二氧化碳换第 30卷第 3期 压 力 容 器 总第 244期热研究的基矗模拟结构图具体参数如下：管长350 mm，冷却水段长z150 mm，二氧化碳进口压力 P8.5 MPa，进 口Re6000，进 口温度 T343.1 K，冷却水进口雷诺数Re8000。

图3示出二氧化碳物性参数随压力和温度的变化示意图∩以看出，定压比热容随压力和温度的变化比较显著，压力越小，定压比热容到达峰值的时间越早，且峰值越大；黏度和导热系数随温度的增加，快速下降；在近临界点附近，定压比热容出现急剧的增加，过了临界点则急剧减小至稳定状态，黏度减小速度加快，导热系数出现小幅的上涨后下降速度加快。说明在近临界点附近，温度和压力的微小变化都会导致定压比热容、黏度、导热系数等参数的剧烈变化，这些物性的剧烈变化，是二氧化碳能够强化换热的关键。

图3 超临界二氧化碳物性分析图4示出热流体温度与壁面温度沿管长方向均降低，传热系数先增加后减小，在 Z-18 mm附近，传热系数达到最大值，热流体温度降低幅度减小，壁面温度降低幅度稍有增加。这是因为，此时热流体温度在310.4 K临界温度附近，由于热流体定压比热容的突增 ，使得温度下降变慢，同时变物性导致的浮升力对流体的扰流增加，使得换热增强，传热系数达到最大值。临界温度点后，导热系数的急剧减小，使热流体与内壁面之间的换热减弱，致使热流体温度降低幅度减校2.2 不同压力对超临界二氧化碳换热的影响通过对二氧化碳物性的分析可知，压力对二氧化碳物性的影响较大。因此，对换热性能的影响也有必要进行研究。在压力为 7.5和 8.5MPa、其他参数保持不变的情况下，研究二氧化碳不同进口压力对换热的影响。

-～ ～. . . 图4 温度与换热系数分布340335295压力对换热系数的影响如图5所示。沿热流体流动方向，热流体温度的变化受压力的影响较小，压力对换热系数的影响较大；在换热前段处，压力越大换热系数越大，且较早达到峰值，换热后段换热系数较校这是因为，在等压过程中，随着流动方向换热的不断进行，二氧化碳物性随着温度的增加而迅速改变，在热流体温度接近于假临界温度时，在假临界点附近比定压热容的剧增导致热传递的增强，使得换热强化区域较早发生。

～ ：。 ～ --：～OO- 7555003000 口15005000 75zmill图5 不同压力下换热系数与温度分布2.3 热流体流动方向对换热的影响图6示出热流体流动方向对传热系数的影响比较明显，热流体竖直向上流动具有较高的传热系数，而热流体竖直向下流动时的传热系数相对较低，但是换热系数总体差别不是很大，这是因为热流体竖直向下流动时，冷流体则是竖直向上流动，由于重力和浮升力的影响，热流体竖直向下流动对换热的削弱稍得到缓解；反之，热流体竖直向上流动对换热的增强得到减弱，这也可以从场协. 。

竖直管内超临界二氧化碳局部对流换热研究 Vo130.No3 2013同原理进行解释，场协同角的大小如表 1所示。

场协同角的大小，反映了管内温差场的均匀程度，速度与温度梯度之间的协同程度越好，在其他条件相同的情况下，换热性能越好。

图6 流动方向对换热的影响表 1 不同流动方向场协同角的大小流动方向 竖直向上 水平 竖直向下场协同角/。 65.65 66.29 67.292.4 热流体进 口Re对换热的影响图7示出在换热前段换热系数未达到峰值时，局部换热系数随着 e数的增加而减小；随着换热的不断进行， e数较小者局部换热系数较早达到峰值，且局部换热系数的峰值随着 数的增加而增大；局部换热系数跨过峰值后，Re数对局部换热系数的影响变大， 数较大者，局部换热系数较大。

4500S 3000- 75 O 75zmm图7 不同m 数时换热系数分布3 结论(1)选择适合本文的湍流模型，并针对超I临界二氧化碳物性的特殊性，详细分析了其在临界点附近物性的变化趋势。在临界点附近，物性变化非常剧烈，尤其是比热容的变化最为明显；(2)沿热流体流动方向，热流体温度的变化受压力的影响较小，换热系数受压力的影响较大。

在换热前段处压力越大换热系数越大，且较早达到峰值，换热后段换热系数较小；(3)针对套管式换热器，热流体流动方向对传热系数的影响比较明显，热流体竖直向上流动具有较高的传热系数，而热流体竖直向下流动时的传热系数相对较低，但是换热系数总体差别不是很大；(4) 数的大小对换热的影响较明显。在其他参数保持不变的情况下，热流体进口的如数越大，局部换热系数峰值越高，在换热前段处换热系数越小，且较晚达到峰值，换热后段换热系数较大。