（安全技术及工程专业论文）超临界二氧化碳在密闭竖直细管内的传热试验研究.pdf

塑堕塑三墨些堡鱼童塑墨堕塑笪堕塑! 童垫堕丝型! 薹 e x p e r i m e n t a ls t u d y o fh e a tt r a n s f e ro f s u p e r c r i t i c a l c a r b o nd i o x i d ei nc l o s e d u p r i g h t t u b u l e a b s t r a c t e x l e n s i v ee 踟n sh a v eb e e nm a d ef om v e s 缸g a t ei n 亡oh e a tt r a n s f e fp r o p e n l e s o 士s u p e r c r i t l c a l m e d i a h o w e v e f ，a 咖f a t eh e a tt r a n s f e r6 l m c o e f f i c k n t sh a v en o tb e e no b t a 毗da i l da p p i i e di n p r a c t i c a ld e s i 印su p t on o w f o rd i f i e r e n to p e r a t i n gc o n d i h o n s ，e v e nj n i t i a lp r e s s u r ea n dh e a r 培 s t r e i l g t t lh a v el i t ed i f b r e n c e ，c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e ri s d i f 诧r e n tf o rc o m p l e xh e a if r a n s f e r m e d l a l l i s m so f s u p e f c r i t i c a ln u i d s t b em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n sa r ea sf b h o w s ： ( 1 ) e x p e r i r n e n t a la p p a r a t u sa b o u th e a tt r a n s f e ro f8 u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ei nc l o s e d u p r i 曲t c u b u l e s a r ed e s i g f i e d t h e s y s t e m ，w h i c hi n d u d e so fs u b s y s t e m ss u c ha st r a n s f e r ， 丘l t e r i n 舀h e a t i n g ，t e s ta i l dd a t aa c q u i s i t i o n ，e t c ，c a nb e 印p l i e dt oe x p c r i i i l e n t a li n v e s 岖a t i o ni n t h er a n g eo f h j g h e r p a r a r n e t e r c a r b o nd i o x j d ee n l e r si n f 0s y s t e mt h r o u 曲劬豇a n dp r e s s u f ei s c o n l l e d b y 咖pv a l v e e 印e m n e n t a ls e g m e n “sh e 眦db y h e a t b a n d ，a n dc o h e s p o n d i n gd f d t a a b o u th e a tt r a n s f e r p 叩e n i e s o fn a t i l f a lc o n v e c t i o na f t e rb a l a i l c ea r e 仃a n s m i t t e db yd a t a a c q u i s i t i o nm o d u l e s a n dh a i l d l e db y c o m p u t e r ( 2 ) h e a tt m n s f e rp r o p e n i e so fs u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d e ，a sw e l la se f f 色c l so fi n i t i a l p r e s s u r e a n d h e a t i i l gs e n 酉h o nh e a tt f a n s f e r mc o e 伍c i e n fa i l d n u s s e l tn 岫b e f a r e i n v e s t i g a t e de x p e r 妇e n t a l l y n er e s u l t s 对l o wt h a t ，i n m a lp r e s s u r ea n dh e a t i n gs t r e n 舳h a v e s t r j “n g j n f l u e n c eo nc o n v e c t i o nb e a lt f a n s f e ru 玎d e r s u p e r “石c a 王c o n d i t i o n s u n d e rt i l e c o d i t i o no f h 噜h e ri i t i a lp r e s s u r ca n dl o w e rh e a t i l l gs t r e n 垂h ，v a r i a t i o n so fh e a tt r a n s f e rf i l m c o e 伍c i e n ta n dn u s s e l tn u m b e ra r el i t n e ，w h i l ev a r i a t i o n so fh e a fi r a n s f e rf n m c o e 币c i e n ta n d n u s s e l tn u m b e ra r e 舀e a tw i ml o w 朗硫i a l p e s s u r ea n dh 讪e rh e a t i n gs l r e 赠h h e a tf 枷s f e r f i l i l lc o e m c i c l l ta n dn u s s e l tn u m b e ri n c r e a s eg r e a yw i t hi n c r e a s i l l gf l u i dt e m p e r a t u r ef i r s i l y ， t h e nd e c f e a s ea f t e r r e a c l l i n gp e a kv a l u e s h e a tt r a n s f e rm mc o e m c i e ma i dn u s s e l tr m m b e ra r e t h em a x h u ma tc r i t i c a lt e m p e m t u r ei ne x p e r i m e n t s ，a s t e i n p e r a t u r ea n dh e a t i n gp o w e ra r e3 1 a n d 5 0 9 1 w ，n a r n e l y ，h e a n u xd e n s i t yi s4 0 5 k w m 2 ，h e a tt r a n s f e rf i l mc o e f ! f i c i e n t nr e a c h 6 4 2 1 3 w ( m 2 k ) ( 3 ) 0 u i c k o l i n ge x p e f _ i i n c n t so fc a r b o nd i 嘶d ea r e = a l 耐e do u tb yi c ec o m p r e s su n d e f s u p e r c r i t i c l lc 0 删t i o n s t h er c s u l t ss h o w t h a t ，t e m p e r a t u r e a te v e r ym e a s u r j n gp o i n to f h e a t i n g s e 印1 e ma 1 1 dc o o 】i n gs e 舯e n td e c r e a s e sa tc o o l i n gi n s t a i l t i i la d d i t j o ，t e m p e r a t u r er e a c h e st h e i i 人连理丁人学硕十学位论文 m i n i m u mp o i n ta tt h es a m et i i i l e v a r i a t i o n so ft e i n p e r a t u r ea te v e r ym e a s u r i n gp o i l l ta r e s i m n a r k e yw o r d s ：s u p e r c r i t i in u i d ；c a r b o nd i o x i d e ；h e a tt 啪s f e re x p e n 眦n t h e a t t m n s f e r f i l mc o e m c i e n t ；e x p e n m e n t a l i n v e s t i g a o n u i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文足我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文叶1 特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也卅i 包含为获得人连理下人学 或者其他单位的学位或证斗5 所使用过的利料。与我。同r 作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表刁i 厂谢意。 大连理工大学硕士学位论文 引言 工质二氧化碳是一种无毒、不燃、安全、经济、资源丰富的流体。二氧化碳因其优 良的热力学特性和对环境的友好性( 眦) p = 0 ，g 矸，p = 1 ) 日益受到重视。二氧化碳的 最显著特点是临界温度比较低( 3 1 1 ) 。目前已有超临界流体二氧化碳在热泉、空调 等典型装置内作为制冷介质的使用实例。二氧化碳在这些装置内是运行在跨临界状态的 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。 这种跨临界二氧化碳换热器的研究与开发吸引了许多研究人员的关注1 1 】【目p 【4 】【5 1 。从而为 二氧化碳在微通道中的流动与传热研究提供了广阔的应用前景。 由于在超临界压力条件下流体的热物性随温度和压力的变化比在亚临界压力条件f 更加剧烈，相应的传热过程也更加复杂，国内文献对跨临界压力区中的传热问题研究较 少，从上世纪九十年代才刚刚开始研究。国外文献一般将跨临界区分成2 个区域【6 】。一 个是低于l 涵界压力点的区域，认为此区域是沸腾传热和对流传热相结合。另一个区域是 高于临界压力点的区域，大多数研究者认为此区域是自然对流和上升强制对流相结合， 由于浮力可能影响导致的传热恶化。总体来说，可供参照的试验数据较为分散，理论模 型也需要更多的试验数据来验证和完善。 超临界二氧化碳在密闭竖直细管内的传热试验研究 1 文献综述 超临界流体对流换热的早期研究主要开展于五十年代末期及六十年代，在美国和前 苏联由于超临界压力火电站的研究和应用，对超临界流体在管道中的流动规律与换热性 能进行了很多实验、理论和数值模拟研究 7 】【8 l 9 l ，随后开展的一些研究都以超临界压力火 电站、超临界压力压水堆核电站和航天技术等为背景【l0 j i ”j 。随着高新技术的发展，近年 来超临界流体的对流换热再度引起人们的关注【1 2 】旧，其应用背景主要涉及超临界压力压 水堆核电站、跨临界二氧化碳空调、制冷与热泵系绀“】、液体火箭发动机中超临界氢的 发汗冷却”】、超临界水氧化技术壁面的发汗冷却、超临界低温流体对超导体的冷却l l6 j 及 核聚变反应堆的增殖防护层的冷却【1 4 】等。这些应用中大量涉及到超临界流体在微细管道 及多孔介质中的流动与换热。目前针对该方向的研究在国际上刚刚起步。 1 1 超临界二氧化碳的物理- 生质 任何物质，随着温度、压力的变化，都会相应的呈现为固态、液态和气态这三种物 相状态，称为物质的三态。三态之间互相转化的温度和压力值叫做三相点。除了三相点 外，每种分子量不太大的稳定的物质都具有一个固有的临界点( q 诋词p o i n t ) ，严格意 义上，临界点由临界温度、临界压力、临界密度构成。在临界温度以上，无论怎样加压， 气态物质绝不会被液化。当温度和压力超过了临界点时，该物质就进入了超临界状态， 超临界状态下的物质呈现为一种既非气体又非液体的状态。叫做超临界流体。 超临界流体的物理性质处于气体与液体之间，既具有气体的特性，又具有液体的特 性，因此可以说，超临界流体是存在于气、液体这两种流体状态以外的第三流体。图1 1 以常见气体二氧化碳为例，表示了二氧化碳随着温度、压力的变化而发生相应变化的过 程，叫做二氧化碳的相变图( 1 7 】。由图可以看出，二氧化碳的临界点为3 1 1 、7 3 8 h 口a ， 超过该温度、压力值以上的区域范围，二氧化碳就成为超临界流体。 超临界流体有个不同于液体的特性。这就是当加压时，它会被压缩，从而密度增大。 由于密度与溶解度有关，因此，在超临界流体状态下，可以通过调节控制压力，使超临 界流体的溶解能力产生大幅度的变化。也就是说，控制压力可以调节溶解度的变化。这 就提供了一种对不同的对象物质，分别进行溶解与分离的可能性。 另外，超临界流体的粘度与气体很相近。因此，超临界流体可以与气体一样穿过很 细的管子而高速流通。超临界流体的扩散系数处于气体与液体之间，比起液体来，超临 大连理工大学硕士学位论文 界流体中，物质的移动以及浓度平衡状态的建立要比在液体相中快得多。这标志着超临 界流体有很强的扩散能力。 激t ( ) 图1 1 二氧化碳的相变( p _ tp ) 图 f i g 1 1p h a s e 仃a n s i 旺o no f c a r b o nd i o x i d e 表1 1 气体、液体和超临界流体性质比较 t a b l p h y s i c a l p r o p e r t 豳o f 髓s l i q u i da n ds u p e r c r 撼c a ln u i d 惰仕 密度粘度 导热系数 铲薮系甄一 ”。” ( w m 3 )( p a s ) ( w ( m k ) )( m 2 s ) 一i n r 石两霜蕊而面广否面矛 超临界流体2 0 0 - 7 0 0( 2 1 0 ) x 1 矿 ( 3 0 。7 0 ) x l o 。3 ( o 0 1 1 ) x l o 液体1 0 0 0( 1 0 一1 0 0 ) x 1 旷 ( 7 0 2 5 0 ) x l o 。3 ( 0 0 0 0 4 加0 0 3 ) 1 0 4 表1 1 1 1 列举了超临界流体与气体及液体某些特点对比主要如下： 3 bd窆v|r坦 超临界二氧化碳在密闭竖直细管内的传热试验研究 ( 1 ) 超临界流体的密度与液体相近，比一般气体大2 个数量级，且临界点附近温度 和压力发生微小的变化时，其密度就会发生显著的变化。密度增大，溶质的溶解度就增 大，有利于溶质的相转移。 ( 2 ) 超临界流体的粘度比液体小1 个数量级，近似于普通气体，扩散系数比液体大 2 个数量级，因而有较好的流动、渗透和传递性能。 ( 3 ) 超临界流体的粘度小，密度大，表面张力小，具有良好的传质性能。临界点附 近微小的温度和压力变化就能导致其特性的改变。 2 0 0 4 年国内天津大学马一太等人将自己所做的强制循环装置( 见图1 - 2 所示) 的试 验结果与p e r s e n 等人研究的超临界二氧化碳在微通管道中被冷却时的换热与压降情况 进行比较后分别给出了在超临界压力下，二氧化碳的比热、密度以及普朗特数随温度的 变化趋势。 实验段 带加热器) 预热器 图1 2 马一太等人的实验系统的示意图 f i 9 1 2s k e t c hm 印o f 岫娜n m e n ts y 砒e mo f m ay i t a i 眦 马一太等人的实验系统的原理图如图1 2 所示。其实验的主要思路是先用柱塞泵将 液态二氧化碳升压至所需压力，然后用磁力泵使超临界二氧化碳在系统中做闭式循环。 实验段竖直放置，材料选用不锈钢，用卡套将其与实验系统连接，卡套与法兰之间采用 焊接连接。超临界二氧化碳自下而上流过实验段。实验段的加热采用直接通电加热，加 热段长度为5 5r m ，实验段的内径为0 9 4 7 5m m ，外径为1 7 2 9 m m 。电加热系统由全自 大连理1 ：人学硕士学位论文 动交流稳压电源、调压器和低压大电流变压器以及实验段组成。低压大电流交流电通过 铜电极直接连在实验管道上；两个法兰之间以及压紧螺母与法兰之间均用聚四氟乙烯进 行绝缘。在整个实验中，通过泵的推动为流体施加外力，进行强制循环。 如图1 3 图1 5 【1 8 】在每个给定压力下，比热和普朗特数都存在一个峰值，对应着某 一温度，即为临界点温度。 4 0 冒 鼻d 兽2 0 沪 0 2 04 01 0 0 r ( ) 图1 - 3 超临界压力下二氧化碳的比热随温度的变化 f i g1 3v h r i a t i o n so fs p e c i f i ch e a tw i t ht e m p e r a t u r ea ts u p e r c r i l i c a lp 他s s u r e 0 一 r ( ) 图1 4 超临界压力下二氧化碳的密度随温度的变化 f i gl 4v h r i a 虹o n so fd e n s i t yw i t ht e m p e r a t u r ea ts u p e r c r i t i c a lp r e s s u r e (鼍，1)气 超l 瓶界二氧化碳在密闭竖直细管内的传热试验研究 1 4 毒7 0 2 0柏1 0 0 t ( ) 图1 5 超i 艋界压力下二氧化碳的普朗特数随温度的变化 f j g1 5 丽a t j o n so f p r a n d t ln u m b e r w j t ht e m p c r a t u r ca ts u p e r c r i t i c a lp r e s s u r e 图1 3 图1 5 是8 0 忡a 、9 0 m p a 和1 0 。0 【p a 压力下定压比热、密度、普朗特 数的比较。从这些图中可以清楚的看到，定压比热、普朗特数均有一个较大幅度的的 陡升和陡降，并在某一温度点时达到最大值。而密度在这个温度点也发生陡降。而 l o o m p a 以上时，这些物性的变化则趋于缓和。 这些参数在i | 盎界点附近的急剧变化，但当远离临界点后，它们随温度的变化趋于 缓慢。l i a o 等拟合出了在不同超临界压力下，临界温度的表达式【1 9 】： 正= 一1 2 2 6 + 6 1 2 4 p o 1 6 5 7 p 2 + 0 0 1 7 7 3 p 25 一o 0 0 0 5 6 0 8 p 3 ( 1 1 ) 1 2 二氧化碳跨临界循环放热过程的特点 图1 6 给出了二氧化碳跨临界循环的压焓图。 从图中可以看出，二氧化碳跨临界循环的最大特点在于：该循环的放热过程处于 超临界区。 文献 2 0 l 【2 1 1 表明，气体换热器对于提高二氧化碳跨临界循环系统的性能起着很重 大连理工夫学硕士学位论文 要的作用。一是对系统传热量的影响，可通过提升气体换热器入口温度来使系统的换 热量达到最大；二是可以通过降低系统压力来减少压缩机的耗功。在实际循环中，气 体换热器的入口温度随不同的操作条件而变化，但是可以通过优化设计使之与换热介 质的出口温度比较接近，这样将对其换热性能有很大提高。 8 ( u ) o l o 0 山 | 钆l ( ) ( ) o i ( ) 0 _ 5 0 0一2 2 55 0 j l ( k j k g ) 图1 6 二氧化碳跨l ! 蠡界理想循环系统p - h 图 f i g1 6p _ h “f v e so fi d e a lc i r c u l a t i n gs y s t e m f o rc a f b o nd i o x i d e 1 3 影响超临界二氧化碳在竖直管内强制循环流动和换热的主要因素 超i 缶界二氧化碳在管内流动和换热受许多因素的影响。从有关文献的研究情况来看， 都会对超临界二氧化碳的流动和换热造成不同的影响。如：流体质量流速、热流密度等 参数的范围不同：管径、管长不同；加热的方式不同等。文献陶四1 【2 4 】除对二氧化碳的换 热性能进行研究外，还研究了干涸现象，二氧化碳流动沸腾可能出现的流型，以及主要 流型存在的机理。 1 。3 1 质量流速对换热的影响 当二氧化碳在管内流动时，在发生干涸之前，质量流速对换热性能的影响很小，即 使在质量流速非常大时，对流换热的作用也不大。当发生干涸现象后，换热系数开始f 降，质量流速越高，这种下降趋势出现得越早【2 2 】。这是由于当二氧化碳质量流速越高， 液膜越易被撕掉，并从壁面蒸发消失，壁面失去液体冷却，壁温升高，传热能力便开始 下降。 超临界二氧化碳在密闭竖直细管内的传热试验研究 文献【2 4 】中指出，出现千涸时的干度受质量流速的影响很大，随质量流速的增大临界 干度降低。为了避免干涸现象发生，二氧化碳蒸发器可按低质量流速来设计。但由于二 氧化碳独特的热物性，当质量流速和蒸发温度较高时，有可能在中等干度区就出现干涸 现象。这是由于二氧化碳较低的表面张力，较小的液体粘度，当质量流速很高时，介质 冲击力很强，较厚的液膜也会被撕破脱落，形成液滴，被夹带进入气流中。被夹带的液 滴，由于惯性作用，又会返回液面，形成沉降。z s l u l 等人的研究表明二氧化碳沸腾换熟 最主要的机理就是液滴夹带和沉降【2 ”。 1 3 2 热流密度对换热的影响 二氧化碳不论是在水平管内，还是在竖直管内换热时，热流密度对其换热性能的 影响都很大。 2 6 翟 旦 言 蠹1 3 1 j 1 5 恭 铖 0 0 0 40 - 8 热流密度 图1 7 热流密度对换热的影响 f i g1 7 劭眦t so f h e a t 们u xd e n s i t yo nh e a te x c h a n g e 一般来说，在低中干度区，随着热流密度的增加，换热性能被增强。当热流增大 到一定值，发生干涸现象，换热系数突然下降。这是由于液膜从壁面消失，金属壁面 呈蒸千状态，导致干涸现象发生的缘故。 文献u 钏也表明，当饱和温度和质量流速一定时，换热系数随热流密度的增加而增 加，并且在一定的热流密度下，换热系数随干度的增加先上升，当干度到达某一值时， 换热系数突然下降( 参见图1 7 ) 。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 3 高压侧压力对换热的影响 随着高压侧压力的增大，临界区温度范围增大，这种现象可从图1 3 图1 5 看出。 文献用数值模拟和试验研究的方法研究了高压侧压力对换热系数的影响，如图1 8 所 不。 1 6 享 墨 9 专 2 2 04 57 0 t ( 弋：) 图1 8 高压侧压力对换热系数的影响 f i gl 8 e f f e c t so fp r e s s u r ea th i g hp r e s s u r es i d eo nh e a te x c h a n g e 从图中可以看出，换热系数的峰值随压力的增加而下降，这是由于比热随压力的增 加而下降的缘故。随压力的增大，换热系数的峰值所对应的温度增大，并且换热系数随 温度的变化趋势趋于缓慢。换热系数的峰值在靠近临界压力时比较显著，这主要是由十 二氧化碳的热物理参数在i 临界点附近变化比较剧烈。 这与文献【2 1 闭的研究结果相一致，当压力接近临界压力时，换热系数的峰值达到最 大；而当温度远离i f 缶界点时，压力对换熟系数的影响减弱。 1 3 4 管径对换热的影晌 由于二氧化碳跨临界循环比传统换热、制冷循环存在较高的操作压力，密度较高， 粘度很小，产生的压降相对较低，所以蒸发器换热管适合设计成小管径，甚至微型化。 从近几年的发展趋势来看，许多文献都对二氧化碳在微通道管内的蒸发换热进行 了研究【”1 p o 】【3 1 1 【3 2 】。文献【3 1 】还比较了二氧化碳在直径为2 o 哪和o 9 8 硼管内的换热情 况。从目前研究看，微通道管径通常在0 7 1 o 左右。 1 4 超临界流体传热技术的研究现状 从六十年代起，国际上就开始了对超i 每界压力下流体传热特性的研究。主要的实验 如表1 _ 2 所示。 表1 2超临界流体传热实验一览表 t a b1 2h e 砸恤s 诧r e x p e n m 锄协o f s 邮嘲 t i c a ln u i d s - 1 0 大连理工大学硕士学位论文 续表 前人的实验中采用的工质多种多样，包括水、二氧化碳、液氮和多组分烃类等物质， 总体上采用二氧化碳为工质的研究较多，这是因为二氧化碳的临界压力相对其它工质的 临界压力低，仅为7 3 8 m p a 。与其它工质的临界压力几十、上百的i 临界压力相比，实验 条件相对易于控制。 人们发现在临界点附近，由于流体体积变化很大，运动粘性又相当小，g r 数常常很 大，即浮力的作用相当大，由于流体密度的剧烈变化，流体的加速度很大，因此在质量 超l 临界二氧化碳在密闭竖直细管内的传热试验研究 流速较低时浮力和热加速度也可以导致严重的传热恶化。垂直下降流中的传热好于上升 流即是一个证明。 在实验的基础上，前人提出了许多超临界压力下的传热关系式，这些计算式均是在 变物性的单相强制对流传热机理的基础上建立的，大部分采用努谢尔特数，雷诺数，普 朗特数及其它物性参数来拟和实验数据，其定性温度一般采用流体温度，壁面温度或膜 温度中的一种。g 嘲a r h ”和h 枷比较发现各式的计算结果相差较大。 g 赶将这些差别的来源归结为三点： ( 1 ) 物性变化的影响； ( 2 ) 热负荷及浮力的影响； ( 3 ) 不同研究者采用的物性不同的影响。 为了深入了解超临界压力下的传热机理，前人还对超临界流体传热进行了数值模拟。 在数值计算中，一般采用方程的混合长度模型1 5 0 j 来求解其动量和能量的耦合方程组。计 算结果尽管在宽广的焓值范围内与实验数据符合较好，但是各种湍流交换系数在拟临界 温度附近均得不到满意的结果。同时在连续方程和动量方程中又没有考虑密度变化，显 然，其物理模型有缺陷，需要迸一步完善。 1 5 跨临界压力区传热的特i 生及研究现状 在接近临界压力点的临界区内，由于工质物性变化剧烈，其传热的规律相当复杂， 所得试验数据很少，也很分散，对于传热的机理也没有一个系统、合理的解释，因而成 为超临界流体传热领域的一个难点，一直没有得到解决。 早在1 9 5 7 年，b r i n g e r 和s m i t h 【5 1 j 就对内径为4 5 7 m 的光管进行了临界压力区的试 验，工质为二氧化碳。他们发现此区域内传热复杂，使用零热流推导出的半理论方程来 估算传热系数的时候，有接近3 0 9 6 的误差偏离，而这种方法在远离临界点的时候却是相 当准确的。 1 9 6 4 年，r o d n e y dw o o d 和s m i t h f 5 2 】测定了二氧化碳垂直上升紊流在近临界压力区的 径向温度分布和速度分布。他们发现流体平均温度通过临界温度时，温度场的分布变平 坦许多，流体流动的速度峰值不在管道中心，而是呈m 型分布。 1 9 7 1 年，h a l l 在传热学进展中总结了近临界点处的传热，其中比较了一些均匀热流 下圆管中的水的传热试验，但试验数据主要集中在超临界压力区内，不同的管道布置结 果有相当大的不同，浮力的影响很重要，所得到的关联式大多数形式用于常物性流体。 大连理j 丁犬学硕士学位论文 1 9 8 6 年，k a n z a k a 【5 3 】等人完成了水平以及倾斜光管的半周加热试验。光管内径为 1 7 。8 m m 。发现与水平管相比，垂直管发生c h f 之后的温升更加剧烈。 p o l v a k o v f 5 4 1 在1 9 9 1 年的传热学进展上再度对超l 脑界压力传热作了总结报告，指出超 临界传热的研究超出了全部试验的状况，发展了很多垂直管紊流传热的数学模型和方法， 求取了不同边界条件下二氧化碳、水和氦的数值解。p 0 1 y a k o v 同时也提出传热紊流结构、 改善传热恶化以及传热不稳定性的实验研究有待加强。 1 9 9 2 年，挪威工业大学( n t h ) 的教授l o r e n t z e n 等人根据二氧化碳的物性特点提出 的二氧化碳超临界理论p 5 1 冈，整个系统循环为跨临界循环。相对传统循环来说，跨临 界循环的特点是在压缩机出口后的冷却过程中二氧化碳在整个冷却部件( 国际上通称为 气冷器鼬sc o o l e r ) 中的温度高于其临界温度3 1 1 ，处于超临界状态，始终处于气相态。 采用跨临界循环的优点首先在于使二氧化碳系统效率相对1 9 世纪时p e r 虹n s 循环下的效率 升高了许多，从而使二氧化碳系统解决了过去c d p 太低的缺陷并依靠自身的一些优点成 为了目前较有潜力的替代工质之一。从近期许多文献的实验或仿真研究结果来看，它的 性能达到甚至超过了一些现有系统。 1 6 超临界二氧化碳传热技术的发展趋势 国外对跨临界二氧化碳及其装置的研究已有1 0 多年的时间，挪威、美国、德国、意 大利等多家研究机构都开展了这方面的工作，他们已研制出了二氧化碳汽车空调样机及 高温热泵热水系统。 国内对跨临界二氧化碳的研究起步较晚，但也已取得了一些成果。目前已经从几年 前的循环性能分析和计算，发展到现在准备研制样机。 6 1 各国研究计芰1 j 和进展 由于二氧化碳系统的优点和在新循环下对系统特性的不确定性，各国在近几年纷纷 展开了对二氧化碳系统的研究工作。下面是本文对目前所了解到的情况做的一个简要概 括【。 日本： 在二氧化碳换热特征研究上，计划研究亚临界压力下沸腾换热和超临界压力下光滑 管内换热。日本研究者认为由于跨临界系统中压力很高使得系统内制冷剂密度相对传统 伟4 冷剂较大，所以在同样的质流量要求下可以采用相对较小的管径。因此，需要对此种 情况下小管径流动的换热和压降特征进行进一步的研究。他们计划在东京大学，九州火 塑堕墨三墼些壁垄宣塑坚塞塑笪堕塑堡垫望墼堕壅一 学和电力工业中央研究所各搭建一个实验台，进行实验，对比三个实验台的数据并从中 得出有关二氧化碳的换熟和压降公式a 挪威： 研究重点之一也是换热和压降特性，计划的目标与日本类似，但在计划中还提到了 要研究不同的润滑油在系统换热和压降特性上的影响，截止2 0 0 0 年，实验主要针对小管 径蒸发器的干工况隋况。 另外，他们还关注系统安全性问题。在此问题上，主要的忧虑是系统的高压形成的 潜在危险。对此，研究认为由于在系统设计时会针对高压设计系统容器，所以危险性并 不大。对于意外情况的破裂，可通过容器体积，压力和制冷剂热物性来推算可能的爆破 能量。 瑞典： 瑞典在此方面的研究可分为实践和理论两部分。瑞典改造了一个冷藏柜( f r e e z e r ) ， 采用一套以二氧化碳为制冷剂的制冷系统，并将实验结果与仿真结果对比，但在测试过 的系统中，其换热量，温度差均无法达到期望值。而理论部分的工作包括对瑞典及其他 国家目前为止的所有不同替代工质研究情况的汇编。 英国： 英国的d r i v c rt c c h n o l o 时有限公司正在利用新方法来设计压缩机和膨胀机构。这种新 的设计将会大大提高二氧化碳系统的c d p ，使其较现有的高效系统有同样的竞争力。 美国： 最初计划在排除润滑油影响的情况下搭建一个二氧化碳系统实验台，但由于无法找 到可以提供设计流量工况的系统压缩机，使得此研究被放弃。取而代之的是一套传统的 水冷换热实验装置。在2 0 0 0 年第一季度时，实验台利用单相的氟利昂进行了测试，目的 在于标定蒸发器制冷剂侧的换热系数并测试一些控制部件。在此之后开始正式的研究工 作。 1 6 2 超临界二氧化碳传热技术的发展 超临界二氧化碳具有气体的低粘度、高扩散系数和液体的高密度，且化学惰性，无 毒无腐蚀，临界状态容易实现，是一种性能优良的环境友好溶剂。其基础理论的深入研 究和应用技术的不断开发，将对依赖于有机溶剂的传统工业带来极其深刻的变革，并促 进石油、煤炭等矿物资源的合理利用和粮油、中草药等可再生资源的有效开发，前景十 分诱人。 大连理工大学硕士学位论文 工质二氧化碳是一种无毒、不燃、安全、经济、资源丰富的天然流体。二氧化碳凶 其优良的热力学特性和对环境的友好性( d d p = o ，g w p = 1 ) 臼益受到重视，将最有 希望成为本世纪汽车空调、热泵、商业制冷、民用商业用空调系统的制冷剂，并在超导 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。 1 7 本文研究的内容 由于超临界二氧化碳的特性与正常气相状态的二氧化碳相比有较大的不同，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在传 热与流动特性方面有了较大的不同。为了能够较好地了解超临界二氧化碳的传热与流 动特性，本文将对两端封闭的竖直细管内的流动与换热特性进行初步研究，并与处良 强制循环系统内竖直细管的流动与传热特性进行比较。 本文主要进行以下内容的研究： ( 1 ) 跨临界二氧化碳在密闭竖直细直管内的传热规律。 研究超临界二氧化碳在全周均匀加热的密闭竖直细直管内的传热特性。得到超临 界二氧化碳对流传热的传热膜系数、努塞尔特数，探讨初始压力、加热功率等园素对 传热膜系数及努塞尔特数的影响。 ( 2 ) 跨临界二氧化碳对密闭竖直管管壁的温度特性的影响。 根据试验所测得的密闭竖直细管管壁温度，得到管壁表面温度分布特点。同时比较 管内未充二氧化碳与充入二氧化碳后管壁的温度分布特点。 ( 3 ) 本文只研究两端封闭的竖直细管内冷却段的传热膜系数和努塞尔特数及其影响 因素。 由于本研究的加热段的加热方式主要依靠加热带的热辐射，故加热段内壁处跨临界 条件下的传热膜系数的确定难度更大一些。 本研究不仅为分析竖直细管内流动与换热机理提供必要的实验数据，而且对超i 临 界条件下工质二氧化碳在竖直细管内的传热和流动特性作进一步的深入研究，无论是 在学术研究方面，还是在工程应用方面，都将有一定的价值和意义。 超临界二氧化碳在密闭竖直细管内的传热试验研究 2 试验系统及其装置的设计 2 1 试验物理模型及描述 超临界二氧化碳在密闭竖直细管管内的传热机理比较复杂。现在还不能准确判断出 在传热过程中工质的传热机理及真实的状态。本试验根据加热过程中各测温点的温度、 系统的压力来推测试验过程中的工质状态变化过程。工质二氧化碳在密闭竖直细管内的 初始状态分析模型如图2 1 所示。此时，密闭竖直细管内的工质二氧化碳处于亚临界的液 体状态。受热后，液体二氧化碳开始如热管的蒸发段那样，发生池沸腾蒸发，管内压力 随之升高，工质蒸发终了后，饱和蒸汽温度又升高至超临界温度以上，同时在冷却段外 壁流动的冷却水在不断带走管内热量的同时，顶部的超临界二氧化碳又会被冷却至亚临 界状态，有液滴出现，随重力下降至细直管的下端部。 磐 懿 段 警 露 鬟 j 气落 雾霉覆蕊 图2 1 管内工质的初始状态 f 啦1i 枷a l s 诅t e o f m e m a s s i n t u b e s 大连理工大学硕士学位论文 当加热平衡后，由试验所测得的各测温点的温度、压力推断试验段中二氧化碳的状 态。当试验段内工质的温度超过流体的临界温度，压力超过临界压力时，试验段内的流 体即处于超临界状态。试验中由各测温点所测温度可推断出试验段的加热段及绝热段的 二氧化碳处于超临界状态，而冷却段部分的二氧化碳处于液、气、超临界三态混合，属 于亚临界状态。此时，管内工质的状态如图2 2 所示。 蔼 震 q “豳气卷 黼囊奄 q 。函怒簟赛鸯 图2 ，2 管内- l 质加热平衡后的状态 f i 9 2 2t h es 诅t eo f t h em a s si nt l l b e sa f 【e rh c a tb a l 卸c e 在高于临界压力点的区域，因可供参照的试验数据较为分散，理论模型也需要更多 的试验数据来验证和完善。所以，还没有一个令人信服的理论可以说明。本文即以完善 理论模型所需的试验数据来进行。 2 2 试验系统及装置的设计 试验研究和工业应用的超临界流体有二氧化碳、丙烷和水等。尽管它们的化学性质 各不相同，在超临界技术中的应用差别很大，但在f 临界区的物理性质却是相似的，针对 某一种超临界流体的研究结果可以对别的流体提供参考。本文以超临界流体二氧化碳为 代表。主要因为二氧化碳的临界点( 7 3 8 m p a ，3 1 1 ) 较低，便于控制。 霸h审自，密甜i自自自自m m i沲f曝睁旧潞懈旧懈：竺竺_障障 净-砰_覆 超l 临界二氧化碳在密闭竖直细管内的传热试验研究 本课题为超l i 益界条件下的二氧化碳在密闭竖直细管管内的传热试验。试验在独立设 计的试验装置上进行的。该系统可在较高参数范围内进行超临界流体的传热特性试验。 试验回路系统如图2 3 所示。其运行流程为：储存在二氧化碳气瓶1 中的液态二氧化碳 经过过滤器3 、冷阱4 由柱塞计量泵5 驱动，压入试验系统，经流量调节阀和孔板后进 入试验段1 3 ，当试验段1 3 中的压力达到试验需求时，拧紧截止阀2 。在试验段底部位置 的二氧化碳被外壁包围的加热炉( 带) 6 加热，吸收由加热炉释放的热量后，进入换热 空间，经冷却段冷却后，二氧化碳在重力的牵引沿着位于换热套管中轴的不锈钢管的( 巾 2 0 3 5 6 3 0 m ) 内壁向下流动，回到试验段底部。如此循环，完成传热过程。试验完 毕后，可将二氧化碳通过截止阀2 排空。循环冷却装置中的冷却水用循环泵循环。整个 试验回路均采用l c r l 8 n i 9 t i 不锈钢管制成。系统运行所需的压力由柱塞泵提供，由安装 于试验段出口段的压力调节阀来调节。在整个试验回路中，除焊接的热电偶，压力表及 特定的测试段外露外，全部用保温棉包覆，以减少试验的热消耗。该试验台投资少，使 用方便，试验功率可达很高。 l c 嘎气瓶2 一截止阀3 一过滤器4 一冷阱5 一柱塞计量泵6 一加热炉( 带) 7 一绝热段a 一电流表v 电压表8 一调压器9 一气体流量计1 0 一冷却水阱1 1 一潜水泵1 2 一冷却段1 3 一试验管 1 4 一压力表 1 5 一数据采集单元1 6 一计算机 图2 3 试验系统装置图 f j g2 3e x p e r i m e n t a l 印p a r a t u s 大连理工大学硕士学位论文 图2 4 试验系统图 f i 9 2 4 e x p e 五m e n _ 【a l s y 咖l 图2 4 为试验系统图。为实现其流程，系统由加热冷却保温部分、热媒工质c o ， 和测量仪器三个组成部分。 1 、加热冷却，保温部分 该部分包括加热炉、电加热器、换热套管、冷却水管、潜水泵、冷却水阱等。 2 、热媒工质c 0 2 部分 包括c 0 2 气瓶及输送c o z 的管路等。 3 、测量仪器 包括十七个热电偶、玻璃转子流量计和数据采集系统。t l 、t 2 、t 3 、t 4 、t 5 、t 6 、 t 7 、t 8 、t 9 、t 1 0 、t 1 1 、t 1 2 为十二个钡4 温点( 图2 5 ) ，分别测试热媒工质二氧化碳的进、 出口温度，循环冷却水进、出口温度和换热套管测试空间温度，采用数据采集系统 ( h p 3 4 9 7 0ad a i aa c q u i s i t 圳n 廿o lu 血) 采集数据。 试验所用工质为二氧化碳，可以保证受热壁面不结垢、不腐蚀，从而保证传热过 程的可靠性。柱塞泵压力可达2 0 m p a 以上，流量为8 1 h 。试验段的加热段采用加热 炉直接加热，加热炉采用低压大电流交流电直接加热，调节电压可连续改变电自n 热功 辜。 超l 临界二氧化碳在密闭竖直细管内的传热试验研究 本试验的试验段分别为中2 0 3 5 唧的1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢管，总长为6 3 0 m 。试 验段的加热长度为2 0 0 唧，绝热段长2 0 0 m ，冷却段长2 3 0 m m 。 i 争却 5 r r 1 i 冷毒水出口 f i l 砖却殷 l | 0 加燕段 li 图2 5 试验段热电偶布点图 f i g2 5 t h e m l o c o u p i ed i s ”i b u t i o na te x p e r i m e n t a ls e g m e n t 为方便装卸，试验段采用两通阀密封方式连接在试验回路中。试验段采用竖直布 置方式。 2 3 试验参数的测量 2 ，3 1 试验参数的测量 试验中的主要测量参数有系统压力、工质温度、加热功率和冷却水温度及流量。各 测量参数选用的仪表如表2 1 所示。 试验管为巾2 0 x 3 5 嘲的1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢管，内径为r = 1 3 m ，总长为6 3 0 m 。试 验段的压力由压力袁测出。试验段中工质的进、出口温度，冷却循环水的进、出口温度 大连理工大学硕士学位论文 由中0 2 m 的铜一康铜t 型热电偶