超临界压力下CO2在螺旋管中对流换热机理研究

CO2跨临界循环在制冷、热泵及低温余热发电系统中具有广阔的应用前景，采用高效紧凑换热器是提高CO2跨临界循环效率的重要途径之一。螺旋管换热器不但结构紧凑，而且离心力引发的二次流可强化换热，但在准临界温度附近，超临界压力CO2热物性的剧烈变化耦合螺旋管内浮升力、扭转力及离心力的共同作用，使其对流换热具有特殊性。因此，申请者将率先开展超临界压力CO2在螺旋管内对流换热研究，主要研究内容包括：（1）螺旋管内超临界压力CO2层流向湍流转换规律；（2）超临界压力CO2在螺旋管内热边界层发展规律及在热入口段由二次流导致的涡胞产生及演变规律（3）层流及湍流区的努塞尔数及摩擦阻力关联式；（4）螺旋管内超临界压力CO2传热恶化的发生机理；本项目针对高压条件下，工质物性剧烈变化对螺旋管内对流换热的影响开展系统研究，具有重要的科学意义和较强的创新性。

针对超临界压力下二氧化碳工质变物性耦合螺旋管中浮升力、离心力导致传热机理的复杂性，本项目从数值计算、实验研究和理论分析三方面对二氧化碳在螺旋管中的对流传热特性进行了系统研究，主要工作及成果简介如下：(1)设计并建成了超临界压力二氧化碳对流传热实验研究平台，通过热平衡和阻力校正，验证了试验系统的可靠性；（2）完成了螺旋坐标系下螺旋管外壁温到内壁温的二维导热反问题求解；（3）完成了管内超临界压力二氧化碳对流传热的数值模拟，研究了管道倾斜角度及压力、质量流速、热流密度等运行参数对螺旋管内超临界二氧化碳传热的影响规律，获取了变物性条件下圆管截面速度和温度分布特性，揭示了浮升力效应引起的二次流对超临界二氧化碳对流传热的作用机理；（4）采用低压大电流加热，在恒热流密度条件下，对超临界压力二氧化碳在螺旋管中的传热特性进行了实验研究，获取了运行压力、质量流速和热流密度对螺旋管中超临界流体传热的影响规律，通过深入挖掘壁面温度、主流温度与准临界温度的关系，发现了传热系数随主流焓值变化呈三区传热模式；（5）通过理论分析，揭示了螺旋管中超临界压力二氧化碳热边界层发展、工质变物性及浮升力和离心力的耦合作用规律，并对不同实验工况下的沿程及周向壁温和传热系数分布特性给出了机理解释；（6）基于实验获取的2346个实验数据，以准临界温度为界限，分别针对低焓值区和高焓值区，拟合出了超临界压力混合对流条件下的Nu数实验关联式，90%以上的实验数据与拟合公式偏差小于20%；(7)针对螺旋管中二氧化碳流动沸腾，发现了螺旋管沿程单相区、两相区及过热蒸汽区壁温及传热系数的变化规律，指出浮升力与离心力的相对大小是导致沿程传热系数和壁温周向分布差异的原因；（8）通过参数影响研究，发现核态沸腾是螺旋管中二氧化碳流动沸腾传热的主要机理，鉴别出了热流密度增加所引起的核态沸腾强度变化以及干涸和再湿润使得换热系数随干度的变化分为三个区域；（9）针对亚临界压力下二氧化碳在螺旋中流动沸腾，拟合出了沸腾换热系数实验关联式，其中90.9%以上的实验数据与拟合公式计算值偏差在30%以内。. 项目执行期间，项目负责人作为第5获奖人获得教育部自然科学一等奖1项；发表论文17篇，其中SCI收录2篇，EI收录7篇，申请国家专利6项（已授权发明专利2项，实用新型2项）；培养博士生1名和硕士生2名，其中，硕士生牛志愿获国家奖学金。