超临界CO2在管内流动换热特性的实验研究

    随着科学技术的发展,超临界流体的对流换热引起了人们极大的兴趣[1]。作为一种无毒、不燃、安全、经济、资源丰富的自然制冷剂,二氧化碳最有希望应用于汽车空调、热泵、食品冷藏和船舶制冷等系统中,同时在超导机械及超级计算机冷却等领域也具有极为广阔的应用前景[2]。和传统制冷剂相比,二氧化碳最显著的特点是临界温度比较低(31.1e),因此,在热泵、空调等典型装置内二氧化碳运行在跨临界循环系统中,其放热过程是在超临界状态下进行,而吸热过程则是在亚临界状态下进行。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物性参数变化剧烈,这就使得超临界二氧化碳与常规亚临界流体的传热与流动特性有很大差异。这种跨临界二氧化碳换热器的研究与开发吸引了广泛关注[3-5]。

    实验研究超临界二氧化碳在水平管内与外部冷却水垂直交叉流动下管内压力、二氧化碳质量流量和冷却水流量等参数的变化对换热特性的影响,比较了在逆流和垂直交叉流不同冷却方式下特征数的变化规律,为气体冷却器的设计提供了理论依据。

    1 实验装置和实验研究方法

    实验台示意图如图1所示。二氧化碳闭路循环系统主要由冷凝储罐、计量泵、稳压罐、预热器、预冷器、缓冲器、汇流排、二氧化碳高压气瓶和旁通支路阀门等组成。工作原理为:高压气瓶里的二氧化碳经汇流排流入冷凝储罐冷却后变为液态,通过计量泵加压流入稳压罐,再流入预热器加热升温后到达实验测试段,进行热交换冷却后再回到汇流排。

    实验测试段采用规格为Φ6mm×1.1mm,长为400mm的无缝不锈钢管,具体材质为1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢。选取了实验段入口后400mm后的两个微段,采用垂直交叉式水冷换热,管外为外长500mm、外宽110mm、外高100mm的有机玻璃盒体,壁厚为5mm。在盒体的上下面均开了22个长为100mm、外径为10mm的有机玻璃小管,用来连接入水管和出水管,如图2所示。铠装热电偶间距200mm,用来测量管内流体温度;在钢管的外壁中间位置布置3个T型热电偶,用于管外壁温的测量。入水管和出水管的管径均为外径10mm、内径6mm,分别布置了1、3个热电偶来测量进、出口水的温度。实验中数据采集系统使用一台由Agilent公司生产的34070A数据采集和开关单元。

    2 实验结果的分析与讨论

    在实验过程中,通过实验测试段二氧化碳质量流量、冷却水流量和压力等参数的改变进行了一系列的实验测量,分析了这些参数对换热特性的影响。

    2.1 质量流量对换热的影响