竖直管内超临界二氧化碳局部对流换热研究.pdf

试验研究
竖直管内超临界二氬化碳局部对流换热研究
杨凤叶,王珂,刘彤',赵鹏飞
(].郑州大学河南省过程传热与节能重点实验室,河南郑州450002河南送变电工程公司,河
南郑州450011)
摘要:对超临界压力下二氧化碳在竖直管内的对流换热进行了模拟研究,分析了超临界二氧化碳
在临界点附近的物性变化,以及二氧化碳进口压力、流动方向和进口Re数对换热系数的影响。结
果表明,在临界点附近,物性变化非常剧烈,尤其是比热容的变化最为明显;二氧化碳进口压力对热
流体温度的影响较小,换热系数受压力的影响较大;热流体流动方向对传熟系数的影响不是大大;
Re数的大小对换热系数的影响较为明显。
关键词:超临界二氧化碳;对沆换热;数值模拟
中图分类号:TH49;T051.5文献标识码:A文章编号:1001-4837(2013)03-0001-04
doi:10.3969/j.iss1001-4837.2013.03.001
Research of Local Convection Heat Transfer of CO, at Supercritical
Pressures in a Vertical Tube
YANG Feng-ye WANG Ke, LIU Tong, ZHAO Peng-fei
(1. Zhengz hou University, Key Laboratory of Process Heat Transfer and Energy Saving of Henan Prov
ince, Zhengzhou 450002, China; 2. Henan Electric Power Transmission Transformation Engineerins
Company, Zhengzhou 450011, China)
Abstract: Convection heat transfer of supercritical pressure CO, in vertical tube was investigated, the
changes of physical property near critical point of supercritical carbon dioxide, the effect of inlet pressure
flow direction and imported Re on heat transfer coefficient. The results show that the physical property
changes are very violently around the critical point, especially to the specifie heat of carbon dioxide. It also
concludes that inlet pressure of carbon dioxide have small influence on temperature of the thermal fluid
but larger influence on heat transfer coefficient. The effect of flow direction of thermal fuid on heat trans
fer coefficient is not too large. The effect of Re number on the heat transfer coefficient is more obvious
Key words: supercrtical O; convection ransfer coeficient numerical simulation
0引言
发展于20世纪五六十年代,由于受当时技术所
限,有关超临界流体的研究发展比较绥慢。近年
超临界压力流体对流换热的早期研究主要开来,随着高新技术的发展,超临界流体的对流换热
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51076145
CPVT
竖直管内超临界二氧化碳局部对流换热硏究
Vol30.No32013
引起人们极大的关注。超临界二氧化碳流体由于
其物性表现出良好的传热和热力学特性,其应用
下标b一流体温度T的物性参数,K
背景尤为广泛,主要涉及汽车空调、制冷与热泵系
下标一壁面温度T的物性参数,K
统2?等
超临界二氧化碳在细小管内对流换热的研究2大管径竖直换热管中对流换热特性
引起人们越来越多的兴趣6-?。对于超临界二氧
化碳对流换热的研究已经开展了很长一段时间
对于超临界二氧化碳的模拟计算,首先要选
综合国内外大部分学者对二氧化碳的研究成果,择正确的湍流模型,并对所选择湍流模型计算结
主要体现在通过实验手段获得0,缺少细节性果的正确性进行验证,是模拟计算的基础。文中
的信息,针对超临界二氧化碳特殊的物理性质,在根据文献的实验数据,选择几个具有代表性的
细小管道中,实验具有一定的局限性
湍流模型对管内径为2mm时,超临界二氧化碳
在此基础上,通过对二氧化碳超临界物性的的传热进行模拟,图2示出了不同模型的壁面温
分析,文中模拟了管内径2mm、壁厚0.3mm、冷度计算结果。
却水套管内径4mm的竖直管内超临界二氧化碳
的传热特性。为以后在超临界二氧化碳换热方面
的研究,提供数据参考
1物理模型及边界条件
400
文中模拟计算借助有限体积法的计算流体力
实验值
学软件 FLUENT,模型采用变物性,所有物性均通
层流一湍流(RNC)
过计算热物性流体性质软件 REFPROP获得。变
物性数据采用 plece wise- liner输人。模拟计算
340
采用增强壁面函数算法,压力速度耦合采用SIM-
长径比Z4
PLC算法,二氧化碳与冷却水侧均采用质量流率
进口,压力出口,固体壁面与流体耦合,冷却水外
图2模拟结果与实验值对比
壁面为绝热。模拟模型结构如图1所示。
从图2中可以看出,RNG模型与实验结果符
合最好,误差不超过4%,这是因为RNG模型考
冷却水
虑了湍流漩渴,提高了湍流过渡过程的精度,因此
能够很好地反映出层流向湍流的过渡过程。而使
2进I
C02出口
用低雷诺数YS,LB,AKN模型也可以定性地表示
出壁面湿度下降的趋势,但壁面温度的峰值和低
图1模型结构示意
谷较实验结果均有所推后,在过渡区附近误差超
过10%,对湍流过渡过程的贴合度稍差。所以
冷却条件下超临界二氧化碳局部换热系数采对于2mm管径超临界二氧化碳对流换热模拟计
用下式计算(定性温度取横截面的质量平均温算的湍流模型,文中选用RNG(ん-s)模型,壁面
度)
采用增强壁面函数处理。
2.1二氧化残物性分析
()4u(2)
二氧化碳在跨临界循环中,临界点对流体物
式中ん-局部传热系数,W/(m2?K)
性有较大的影响。这些因素是二氧化碳制冷装置
q-内壁面的热流密度,W/m
区别于传统制冷剂的明显优势。因此,分析二氧
下标x一沿管长方向所取截面的位置,化碳在临界点附近物性的变化特征是二氧化碳换