超临界CO2在螺旋管内冷却过程的换热和阻力特性研究中文摘要

气体冷却器是跨临界 CO2 热泵系统的关键部件。本项目以新型的缠绕螺旋槽管式气体冷却器为研究对象，对超临界CO2在螺旋管内冷却过程的换热和阻力特性开展深入和系统的研究。通过实验研究包括热流密度、质量流率、进口温度、进口压力、曲率和无量纲螺距等因素对换热和阻力的影响规律，运用多元线性回归方法，对所获得的实验数据进行归纳总结，提出相应的换热及阻力准则关联式；在此基础上，通过数值模拟探讨内部因素如离心力产生的二次流、密度不均导致的浮力效应和外部因素如管径、曲率和螺距之间的耦合规律，深入分析超临界CO2在螺旋管冷却过程中单相换热的机理；最后，基于换热和阻力二者间相互制约关系，引入有约束非线性优化方法对超临界CO2螺旋管进行结构优化设计。本项目在理论上可发展和丰富超临界CO2在螺旋管内冷却过程的换热影响规律和机理，在实践上为推进CO2缠绕式螺旋管气体冷却器的设计和性能改善提供科学依据。

超临界CO2在螺旋管内冷却过程的换热特性对气体冷却器的设计和优化非常重要，为了揭示超临界CO2在螺旋管和直管内的换热特性以及丰富换热的影响规律和机理，本项目进行了实验和理论研究。 在实验研究方面，搭建了超临界CO2在管内换热特性的实验台。研究了超临界CO2在螺旋管和直管内冷却条件下的换热特性。实验压力为P=7.5MPa-9MPa，质量流速为G=79.6kg/m2s-358.1kg/m2s，流体温度为25℃-50℃。分析了质量流速、压力、流体温度对换热的影响。实验结果表明: 螺旋管和直管的换热系数随着质量流速的增加而增大。换热系数峰值点随压力的升高向高温区偏移。当质量流速较小时，换热热系数峰值点出现在准临界温度之前，且浮升力作用加大，流体处于混合对流状态。由于水平螺旋管的浮升力受离心力浮升力和重力浮升力的作用，计算比较复杂，因此引入组合参数来描述换热过程的浮升力。实验结果表明重力浮升力在临界点达到最大值，且在低质量流速下重力浮升力在混合对流过程中起到重要作用。比较了螺旋管和直管的换热系数和重力浮升力，螺旋管的重力浮升力明显要高于直管的，且质量流速越低二者的重力浮升力差值越大。根据已有的实验值提出了螺旋管和直管的经验关联式。98%的实验值分布在拟合公式误差为±20%的范围内。所得到的关联式在实践上为推进CO2缠绕式螺旋管气体冷却器的设计和性能改善提供科学依据。 数值模拟超临界CO2在竖直螺旋管内的换热特性。 分别对加热过程和冷却过程的换热特性、流动方向、螺旋管的倾斜角度以及非地球重力条件对换热特性影响进行了深入的研究。模拟结果表明：SST模型可以比较准确的预测逆压力梯度分离流，使得计算结果与实验数据吻合较好。参数Gr/Re2.7在螺旋管中不能表示浮升力的影响，应该进一步修正。湍流普朗特数Prt对计算结果的影响很小。浮升力对超临界流体在螺旋管向上流动与向下流动的影响差别并不大，而对水平流动的影响较大尤其是在 s/d 为 150 到350 之间（ 即临界温度附近），由于变物性、 浮升力和离心力的耦合作用，导致水平流动上换热系数的震荡。以上的数值模拟发展和丰富了超临界CO2在螺旋管内的换热影响规律和机理，为揭示超临界CO2在螺旋管内的关键参数对换热影响提供了机理和支撑，对于推动超临界CO2气超临界CO2气体冷却器的发展具有重要的意义。 2100433B

本项目立足在新型制冷和热泵循环装置中应用CO2自然制冷剂，重点解决CO2跨临界循环系统的关键问题- - 降低系统节流损失，提高运行效率。研究集中在超临界CO2流体在降压、闪蒸相变过程中流体的膨胀机理、流动特性以及能量释放规律的分析，此理论研究将对指导设计制冷系统中的能量回收装置代替传统的节流系统，减少系统不可逆损失，提高系统效率具有重大的指导意义。本课题研究的意义在于对CO2跨临界系统的实际应用起到积极的促进作用。由于CO2具有优良的物理特性和环境特性，是环害工质的永久性替代物，具有非常光明的应用前景，已有的研究表明, CO2跨临界循环有极大的开发潜力, 可从根本上解决臭氧层破坏和温室效应问题，达到可持续发展。因此本课题是节约能源和环境保护的重要课题，对制冷空调领域实现可持续性发展具有战略意义。 2100433B

超临界压力流体的传热具有特殊性，其根本原因是流体的热物理性质在拟临界区内会发生剧烈变化。在一定的热力条件下，超临界压力流体传热过程中还会产生由热声效应引起的压力振荡。变物性传热和热声振荡这两种本质上十分复杂的物理现象可以耦合在一起，研究这一问题既有挑战性又极有意义。本项目以超临界压力流体在圆管内的对流传热和在Rijke管内的自激热声振荡为研究对象，通过理论分析、数值模拟和实验，重点揭示管内超临界压力流体对流传热中浮力的影响机理、Rijke管内超临界压力流体自激热声振荡的形成机理、以及Rijke型传热管内超临界压力流体热声振荡和对流传热的耦合机理。本项目的研究成果可以为相关超临界压力流体高新技术的研究与开发提供科学依据，并且可促进传热理论和热声理论的进一步发展，具有重要的工程应用价值和学术价值。