超臨界CO2在水平螺旋管內(nèi)冷卻換熱和阻力特性研究.pdf

1、CO2作為自然替代工質(zhì)一直受到了人們的廣泛關(guān)注。在空調(diào)及熱泵領(lǐng)域，跨臨界CO2循環(huán)的應用取得了很大的進展。氣體冷卻器是跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的重要部件，其換熱性能的優(yōu)劣直接影響到整個熱泵系統(tǒng)的性能。目前，CO2緊湊型氣體冷卻器主要有微通道、套管和纏繞螺旋槽管等形式。其中，CO2纏繞螺旋槽管式氣體冷卻器不僅具有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，而且易于加工推廣，非常適合應用于CO2熱泵熱水器。但是對超臨界CO2在螺旋管內(nèi)的冷卻換熱和阻力特性研究還處于空白，尚不清楚

2、其換熱和流動機理。針對這一現(xiàn)狀，本文對超臨界CO2在螺旋管冷卻對流換熱和阻力特性進行了實驗研究和數(shù)值計算。
　　本文設(shè)計并搭建了超臨界CO2在螺旋管內(nèi)冷卻過程中的換熱和阻力特性研究的實驗系統(tǒng)。為了驗證實驗系統(tǒng)的可靠性，先對超臨界CO2在水平直管內(nèi)的流動換熱進行了實驗研究。分析了質(zhì)量流速、壓力等對流動換熱的影響，并引入Ri數(shù)分析浮升力對超臨界CO2在水平直管內(nèi)冷卻換熱影響，并將換熱系數(shù)實驗值和已有的換熱關(guān)聯(lián)式計算值作對比，結(jié)果表明實

3、驗數(shù)據(jù)和系統(tǒng)具有較高的可靠性。
　　開展對超臨界CO2在螺旋管內(nèi)的冷卻對流換熱實驗研究，分析質(zhì)量流速、壓力對換熱和壓降的影響，并與超臨界CO2在水平管內(nèi)流動換熱進行對比。研究結(jié)果表明，螺旋管內(nèi)的換熱系數(shù)和壓降均大于水平直管內(nèi)的換熱系數(shù)和壓降，換熱系數(shù)和壓降隨質(zhì)量流速的增加而增大，換熱系數(shù)在準臨界點達到峰值并隨壓力的升高而降低。壓降隨著流體溫度的升高而升高。在準臨界點之前，壓力對壓降基本沒有影響，在準臨界之后，隨著壓力的升高壓降減小

4、。由于超臨界CO2的熱物性在準臨界點附近變化劇烈，將比熱容和密度引入到Dittus-Boelter關(guān)聯(lián)式中，提出了一個新的換熱關(guān)聯(lián)式。實驗值和擬合的關(guān)聯(lián)式計算值相比誤差在20％內(nèi)。
　　開展在一定熱流密度工況下超臨界CO2在水平圓管和螺旋管內(nèi)的冷卻對流換熱的數(shù)值模擬研究，分析管內(nèi)截面的溫度、速度、二次流、湍動能的分布情況，闡述超臨界CO2在水平管和螺旋管內(nèi)流動換熱機理的不同，并研究熱流密度對換熱的影響。結(jié)果表明由于超臨界CO2在螺