《超臨界CO2在螺旋管內冷卻過程的換熱和阻力特性研究》是依託重慶大學，由徐肖肖擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：超臨界CO2在螺旋管內冷卻過程的換熱和阻力特性研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：徐肖肖
- 依託單位：重慶大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
氣體冷卻器是跨臨界 CO2 熱泵系統的關鍵部件。本項目以新型的纏繞螺旋槽管式氣體冷卻器為研究對象，對超臨界CO2在螺旋管內冷卻過程的換熱和阻力特性開展深入和系統的研究。通過實驗研究包括熱流密度、質量流率、進口溫度、進口壓力、曲率和無量綱螺距等因素對換熱和阻力的影響規律，運用多元線性回歸方法，對所獲得的實驗數據進行歸納總結，提出相應的換熱及阻力準則關聯式；在此基礎上，通過數值模擬探討內部因素如離心力產生的二次流、密度不均導致的浮力效應和外部因素如管徑、曲率和螺距之間的耦合規律，深入分析超臨界CO2在螺旋管冷卻過程中單相換熱的機理；最後，基於換熱和阻力二者間相互制約關係，引入有約束非線性最佳化方法對超臨界CO2螺旋管進行結構最佳化設計。本項目在理論上可發展和豐富超臨界CO2在螺旋管內冷卻過程的換熱影響規律和機理，在實踐上為推進CO2纏繞式螺旋管氣體冷卻器的設計和性能改善提供科學依據。
結題摘要
超臨界CO2在螺旋管內冷卻過程的換熱特性對氣體冷卻器的設計和最佳化非常重要，為了揭示超臨界CO2在螺旋管和直管內的換熱特性以及豐富換熱的影響規律和機理，本項目進行了實驗和理論研究。 在實驗研究方面，搭建了超臨界CO2在管內換熱特性的實驗台。研究了超臨界CO2在螺旋管和直管內冷卻條件下的換熱特性。實驗壓力為P=7.5MPa-9MPa，質量流速為G=79.6kg/m2s-358.1kg/m2s，流體溫度為25℃-50℃。分析了質量流速、壓力、流體溫度對換熱的影響。實驗結果表明: 螺旋管和直管的換熱係數隨著質量流速的增加而增大。換熱係數峰值點隨壓力的升高向高溫區偏移。當質量流速較小時，換熱熱係數峰值點出現在準臨界溫度之前，且浮升力作用加大，流體處於混合對流狀態。由於水平螺旋管的浮升力受離心力浮升力和重力浮升力的作用，計算比較複雜，因此引入組合參數來描述換熱過程的浮升力。實驗結果表明重力浮升力在臨界點達到最大值，且在低質量流速下重力浮升力在混合對流過程中起到重要作用。比較了螺旋管和直管的換熱係數和重力浮升力，螺旋管的重力浮升力明顯要高於直管的，且質量流速越低二者的重力浮升力差值越大。根據已有的實驗值提出了螺旋管和直管的經驗關聯式。98%的實驗值分布在擬合公式誤差為±20%的範圍內。所得到的關聯式在實踐上為推進CO2纏繞式螺旋管氣體冷卻器的設計和性能改善提供科學依據。 數值模擬超臨界CO2在豎直螺旋管內的換熱特性。 分別對加熱過程和冷卻過程的換熱特性、流動方向、螺旋管的傾斜角度以及非地球重力條件對換熱特性影響進行了深入的研究。模擬結果表明：SST模型可以比較準確的預測逆壓力梯度分離流，使得計算結果與實驗數據吻合較好。參數Gr/Re2.7在螺旋管中不能表示浮升力的影響，應該進一步修正。湍流普朗特數Prt對計算結果的影響很小。浮升力對超臨界流體在螺旋管向上流動與向下流動的影響差別並不大，而對水平流動的影響較大尤其是在 s/d 為 150 到350 之間（ 即臨界溫度附近），由於變物性、 浮升力和離心力的耦合作用，導致水平流動上換熱係數的震盪。以上的數值模擬發展和豐富了超臨界CO2在螺旋管內的換熱影響規律和機理，為揭示超臨界CO2在螺旋管內的關鍵參數對換熱影響提供了機理和支撐，對於推動超臨界CO2氣超臨界CO2氣體冷卻器的發展具有重要的意義。
