超臨界CO2在螺旋管內(nèi)冷卻過程的換熱和阻力特性研究

超臨界CO2在螺旋管內(nèi)冷卻過程的換熱特性對(duì)氣體冷卻器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化非常重要，為了揭示超臨界CO2在螺旋管和直管內(nèi)的換熱特性以及豐富換熱的影響規(guī)律和機(jī)理，本項(xiàng)目進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。 在實(shí)驗(yàn)研究方面，搭建了超臨界CO2在管內(nèi)換熱特性的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。研究了超臨界CO2在螺旋管和直管內(nèi)冷卻條件下的換熱特性。實(shí)驗(yàn)壓力為P=7.5MPa-9MPa，質(zhì)量流速為G=79.6kg/m2s-358.1kg/m2s，流體溫度為25℃-50℃。分析了質(zhì)量流速、壓力、流體溫度對(duì)換熱的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 螺旋管和直管的換熱系數(shù)隨著質(zhì)量流速的增加而增大。換熱系數(shù)峰值點(diǎn)隨壓力的升高向高溫區(qū)偏移。當(dāng)質(zhì)量流速較小時(shí)，換熱熱系數(shù)峰值點(diǎn)出現(xiàn)在準(zhǔn)臨界溫度之前，且浮升力作用加大，流體處于混合對(duì)流狀態(tài)。由于水平螺旋管的浮升力受離心力浮升力和重力浮升力的作用，計(jì)算比較復(fù)雜，因此引入組合參數(shù)來描述換熱過程的浮升力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明重力浮升力在臨界點(diǎn)達(dá)到最大值，且在低質(zhì)量流速下重力浮升力在混合對(duì)流過程中起到重要作用。比較了螺旋管和直管的換熱系數(shù)和重力浮升力，螺旋管的重力浮升力明顯要高于直管的，且質(zhì)量流速越低二者的重力浮升力差值越大。根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)值提出了螺旋管和直管的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。98%的實(shí)驗(yàn)值分布在擬合公式誤差為±20%的范圍內(nèi)。所得到的關(guān)聯(lián)式在實(shí)踐上為推進(jìn)CO2纏繞式螺旋管氣體冷卻器的設(shè)計(jì)和性能改善提供科學(xué)依據(jù)。 數(shù)值模擬超臨界CO2在豎直螺旋管內(nèi)的換熱特性。 分別對(duì)加熱過程和冷卻過程的換熱特性、流動(dòng)方向、螺旋管的傾斜角度以及非地球重力條件對(duì)換熱特性影響進(jìn)行了深入的研究。模擬結(jié)果表明：SST模型可以比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)逆壓力梯度分離流，使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。參數(shù)Gr/Re2.7在螺旋管中不能表示浮升力的影響，應(yīng)該進(jìn)一步修正。湍流普朗特?cái)?shù)Prt對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很小。浮升力對(duì)超臨界流體在螺旋管向上流動(dòng)與向下流動(dòng)的影響差別并不大，而對(duì)水平流動(dòng)的影響較大尤其是在 s/d 為 150 到350 之間（ 即臨界溫度附近），由于變物性、 浮升力和離心力的耦合作用，導(dǎo)致水平流動(dòng)上換熱系數(shù)的震蕩。以上的數(shù)值模擬發(fā)展和豐富了超臨界CO2在螺旋管內(nèi)的換熱影響規(guī)律和機(jī)理，為揭示超臨界CO2在螺旋管內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)換熱影響提供了機(jī)理和支撐，對(duì)于推動(dòng)超臨界CO2氣超臨界CO2氣體冷卻器的發(fā)展具有重要的意義。 2100433B

氣體冷卻器是跨臨界 CO2 熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。本項(xiàng)目以新型的纏繞螺旋槽管式氣體冷卻器為研究對(duì)象，對(duì)超臨界CO2在螺旋管內(nèi)冷卻過程的換熱和阻力特性開展深入和系統(tǒng)的研究。通過實(shí)驗(yàn)研究包括熱流密度、質(zhì)量流率、進(jìn)口溫度、進(jìn)口壓力、曲率和無量綱螺距等因素對(duì)換熱和阻力的影響規(guī)律，運(yùn)用多元線性回歸方法，對(duì)所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)，提出相應(yīng)的換熱及阻力準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式；在此基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬探討內(nèi)部因素如離心力產(chǎn)生的二次流、密度不均導(dǎo)致的浮力效應(yīng)和外部因素如管徑、曲率和螺距之間的耦合規(guī)律，深入分析超臨界CO2在螺旋管冷卻過程中單相換熱的機(jī)理；最后，基于換熱和阻力二者間相互制約關(guān)系，引入有約束非線性優(yōu)化方法對(duì)超臨界CO2螺旋管進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目在理論上可發(fā)展和豐富超臨界CO2在螺旋管內(nèi)冷卻過程的換熱影響規(guī)律和機(jī)理，在實(shí)踐上為推進(jìn)CO2纏繞式螺旋管氣體冷卻器的設(shè)計(jì)和性能改善提供科學(xué)依據(jù)。

本項(xiàng)目立足在新型制冷和熱泵循環(huán)裝置中應(yīng)用CO2自然制冷劑，重點(diǎn)解決CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵問題- - 降低系統(tǒng)節(jié)流損失，提高運(yùn)行效率。研究集中在超臨界CO2流體在降壓、閃蒸相變過程中流體的膨脹機(jī)理、流動(dòng)特性以及能量釋放規(guī)律的分析，此理論研究將對(duì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)制冷系統(tǒng)中的能量回收裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的節(jié)流系統(tǒng)，減少系統(tǒng)不可逆損失，提高系統(tǒng)效率具有重大的指導(dǎo)意義。本課題研究的意義在于對(duì)CO2跨臨界系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用起到積極的促進(jìn)作用。由于CO2具有優(yōu)良的物理特性和環(huán)境特性，是環(huán)害工質(zhì)的永久性替代物，具有非常光明的應(yīng)用前景，已有的研究表明, CO2跨臨界循環(huán)有極大的開發(fā)潛力, 可從根本上解決臭氧層破壞和溫室效應(yīng)問題，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展。因此本課題是節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)的重要課題，對(duì)制冷空調(diào)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。 2100433B

超臨界壓力流體的傳熱具有特殊性，其根本原因是流體的熱物理性質(zhì)在擬臨界區(qū)內(nèi)會(huì)發(fā)生劇烈變化。在一定的熱力條件下，超臨界壓力流體傳熱過程中還會(huì)產(chǎn)生由熱聲效應(yīng)引起的壓力振蕩。變物性傳熱和熱聲振蕩這兩種本質(zhì)上十分復(fù)雜的物理現(xiàn)象可以耦合在一起，研究這一問題既有挑戰(zhàn)性又極有意義。本項(xiàng)目以超臨界壓力流體在圓管內(nèi)的對(duì)流傳熱和在Rijke管內(nèi)的自激熱聲振蕩為研究對(duì)象，通過理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)揭示管內(nèi)超臨界壓力流體對(duì)流傳熱中浮力的影響機(jī)理、Rijke管內(nèi)超臨界壓力流體自激熱聲振蕩的形成機(jī)理、以及Rijke型傳熱管內(nèi)超臨界壓力流體熱聲振蕩和對(duì)流傳熱的耦合機(jī)理。本項(xiàng)目的研究成果可以為相關(guān)超臨界壓力流體高新技術(shù)的研究與開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)，并且可促進(jìn)傳熱理論和熱聲理論的進(jìn)一步發(fā)展，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和學(xué)術(shù)價(jià)值。