超临界二氧化碳流动和换热研究进展

    1 引言

    作为自然制冷剂,二氧化碳不存在温室效应与臭氧层破坏能力,因此引起了人们极大的兴趣。为了提高循环效率,二氧化碳制冷系统基础上采用跨临界循环方式,高压侧的放热在超临界条件下进行。由于超临界流体与亚临界流体的特性有较大的不同,特别是在临界点附近,工质本身的物理性质有剧烈的变化,这将使得超临界二氧化碳与通常的亚临界流体在传热与流动特性方面有较大的不同。为了能够更好地设计与优化跨临界二氧化碳制冷系统,有必要对超临界流体在冷却工况下的传热与流动特性进行研究。

    综述了超临界二氧化碳流动和换热特性的研究成果,特别是其中换热关联式和摩擦压降关联式,并对这些关联式准确性和适用范围进行了讨论,为研究人员选择合适的换热及压降关联式提供了参考。

    2 超临界CO2在管内流动和换热的研究概况

    目前对二氧化碳作为替代制冷剂的研究都集中在系统的循环性能方面和二氧化碳的热力学性质方面,但是对局部换热系数和压降的研究却很少,尤其是二氧化碳在超临界压力下冷却时换热系数和压降的研究更加少。下面将从三个方面介绍超临界流体流动和换热特征及影响因素。

    2.1 超临界区域换热的恶化和加强

    在超临界区域,流体热力学性质的变化使得换热系数与局部的大空间温度和热流密度之间有密切关系。研究人员认为在状态图上是有可能将类似液态区域和气相区域区分开来,即使在超临界状态下也不例外[1]。当大空间温度低于临界温度而壁温高于临界温度时,如果热流密度较高,超临界二氧化碳在管内加热的换热情况会恶化。同时在加热过程中,管子的横截面上径向温度也有很大变化。管子受热时,靠近管壁的流体由近液态向近气态转变,而在这一/相变0发生时传热会突然恶化,就像转变到膜态沸腾时会发生沸腾危机一样。而在冷却过程中,为管壁温度小于临界温度且流体大空间温度大于临界温度时,换热会增强。国外许多研究者对加热时换热恶化与冷却时换热增强都进行了定性分析[2~3]。

    2.2 由浮力驱动在管内流动换热中引起的二次流动

    当雷诺数足够低时,浮力作用引起二次流动会使水平管中底部的换热增强、顶部的换热减弱,而周边平均换热系数受二次流影响通常会增强。而Petukhov和Polyakov[4]指出局部换热会恶化,恶化情况与流动区域的流体动力学和热力学性质有关。根据他们的观点,在竖直加热管的向上流动中,当Gr/Re²>0.6时自然对流效应会使换热增强;当Gr/Re²>0.6且入口温度处于亚临界状态,而壁温位于超临界区时,传热会恶化,因为在这一区域,管壁附近紊流的减弱效应大于二次流引起紊流的增强。