超臨界CO2在螺旋管內(nèi)冷卻過程的換熱和阻力特性研究中文摘要

氣體冷卻器是跨臨界 CO2 熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。本項目以新型的纏繞螺旋槽管式氣體冷卻器為研究對象，對超臨界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。通過實驗研究包括熱流密度、質(zhì)量流率、進口溫度、進口壓力、曲率和無量綱螺距等因素對換熱和阻力的影響規(guī)律，運用多元線性回歸方法，對所獲得的實驗數(shù)據(jù)進行歸納總結(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)化方法對超臨界CO2螺旋管進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。本項目在理論上可發(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)律和機理，在實踐上為推進CO2纏繞式螺旋管氣體冷卻器的設(shè)計和性能改善提供科學(xué)依據(jù)。

超臨界CO2在螺旋管內(nèi)冷卻過程的換熱特性對氣體冷卻器的設(shè)計和優(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)律和機理，本項目進行了實驗和理論研究。 在實驗研究方面，搭建了超臨界CO2在管內(nèi)換熱特性的實驗臺。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。實驗壓力為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、流體溫度對換熱的影響。實驗結(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)峰值點隨壓力的升高向高溫區(qū)偏移。當(dāng)質(zhì)量流速較小時，換熱熱系數(shù)峰值點出現(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。實驗結(jié)果表明重力浮升力在臨界點達到最大值，且在低質(zhì)量流速下重力浮升力在混合對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)已有的實驗值提出了螺旋管和直管的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。98%的實驗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)式在實踐上為推進CO2纏繞式螺旋管氣體冷卻器的設(shè)計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。 分別對加熱過程和冷卻過程的換熱特性、流動方向、螺旋管的傾斜角度以及非地球重力條件對換熱特性影響進行了深入的研究。模擬結(jié)果表明：SST模型可以比較準(zhǔn)確的預(yù)測逆壓力梯度分離流，使得計算結(jié)果與實驗數(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)該進一步修正。湍流普朗特數(shù)Prt對計算結(jié)果的影響很小。浮升力對超臨界流體在螺旋管向上流動與向下流動的影響差別并不大，而對水平流動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)律和機理，為揭示超臨界CO2在螺旋管內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)對換熱影響提供了機理和支撐，對于推動超臨界CO2氣超臨界CO2氣體冷卻器的發(fā)展具有重要的意義。 2100433B

本項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理、流動特性以及能量釋放規(guī)律的分析，此理論研究將對指導(dǎo)設(shè)計制冷系統(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CO2跨臨界系統(tǒng)的實際應(yīng)用起到積極的促進作用。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)境保護的重要課題，對制冷空調(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。本項目以超臨界壓力流體在圓管內(nèi)的對流傳熱和在Rijke管內(nèi)的自激熱聲振蕩為研究對象，通過理論分析、數(shù)值模擬和實驗，重點揭示管內(nèi)超臨界壓力流體對流傳熱中浮力的影響機理、Rijke管內(nèi)超臨界壓力流體自激熱聲振蕩的形成機理、以及Rijke型傳熱管內(nèi)超臨界壓力流體熱聲振蕩和對流傳熱的耦合機理。本項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)，并且可促進傳熱理論和熱聲理論的進一步發(fā)展，具有重要的工程應(yīng)用價值和學(xué)術(shù)價值。