超临界CO2在大管内冷却换热和压降的实验研究外文翻译资料

超临界CO2在大管内冷却换热和压降的实验研究

摘要：为了揭示超临界CO2在大直径管内冷却换热和压降的特性，建立了一套实验装置。实验测定了超临界CO2在内径为4、6和10.7mm水平管内的冷却换热和压降表现。研究了CO2质量流量、进口压力、平均体积温度和管直径对换热系数和压降的影响。结果表明管的直径显著影响了换热表现。因此，当用预测小直径管内换热系数的通用关联式来预测大直径管内换热系数时，预测结果明显与实验结果不同。于是根据实验结果，提出了一个新的适用于大管径的换热关联式。关联式的预测结果与实验结果的最大误差为plusmn;15%。

1．介绍

在我们社会中，制冷为人类提供舒适条件发挥着重要的作用。许多现代工业如食品包装、生物工程、化学制造和医疗都严重依赖制冷技术。但是，传统制冷剂氟氯化碳和氢氯氟烃的泄露造成了严重的全球变暖和臭氧层破坏。因此，寻找制冷剂的替代品已经成为制冷行业一个紧急的问题。天然制冷剂包括空气、水、稀有气体、碳氢化合物、氨和CO2吸引了研究的关注并被认为可以作为长期替代品。在上世纪前40年里，由于CO2特殊的性质如不易燃、无毒、臭氧层破坏潜力ODP=0和全球变暖潜力GWP=1，被作为制冷剂广泛应用于压缩制冷机械中。然而，由于CO2在传统亚临界蒸汽压缩循环中有着更高的绝对压力和更低的效率，在20世纪30年代被氟氯化碳和氢氯氟烃取代。所以，近年来CO2循环的研究集中在跨临界CO2循环。其中一个主要跨临界CO2循环的特征就是CO2在超临界状态下的冷却过程。

超临界CO2在管中冷却的换热和压降特性对设计和优化气体冷却器和内部换热器十分重要。近年来，一些研究人员对超临界CO2在管内的换热和压降特性做了实验研究，具体如表一所示。

Pitla等通过实验和数值方法研究了超临界CO2在内径为4.72mm不锈钢管内的换热和压降，发现了数值模型与实验结果一致。

Liao和Zhao实验研究了超临界CO2在六种不同管径（0.50、0.70、1.10、1.40、1.55和2.16mm）的水平管内的冷却换热特性。他们发现由于浮力的影响，努谢尔数取决于管径。除此之外，现有关联式的预测值与实验数据明显不符，因此，提出了一个考虑了浮力影响的新的关联式。

Yoon等实验研究了超临界CO2在直径为7.73mm水平管内的冷却换热和压降特性。他们讨论了压力和质量流量对换热和压降的影响。作者表示Blasius的关联式可以预测压降，并且提出了一个修改的Baskov关联式预测换热。

Dang和Hihara实验研究了超临界CO2在四个直径为1-6mm的水平管内的冷却换热特性。他们发现当平均体积温度高于临界温度时，有效换热系数随着管径的增加轻微增加，随着热流量的增加显著增加。当平均体积温度小于临界温度时，有效换热系数分别独立于管径和热流量。所以他们提出了一个修改后的Gnielinsiki关联式。

Son和Park实验研究了CO2在管径为7.75mm水平管内气体冷却过程中的换热和压降特性。他们描述了在冷却状态下沿着流动方向的传热系数的变化，并讨论了进口压力对压降的影响。此外，他们提出了一个更精确的换热关联式。

Dang等实验研究了超临界CO2和PAG型润滑油在管径为1-6mm管内冷却换热和压降特性。他们发现随着润滑油浓度的增加，管内换热系数会下降，压降会增加。在拟临界温度附近，换热系数最大会减少75%。在小管径和润滑油浓度大的管内，润滑油的影响更大，但在大管径和低质量流量的管中，直到润滑油的浓度到达1%是才会观察到换热系数显著降低。

Jiang等实验和数值研究了超临界CO2在管径为2mm的不锈钢垂直管内的冷却对流换热特性。他们得到了局部换热系数，并研究了压力、冷却水质量流量、CO2质量流量、CO2进口温度和流向对换热的影响。他们发现比热和湍流动能的增加会导致向上流的局部换热系数的增加。浮力的影响会导致上流和下流的局部换热系数发生不同的变化。Yang-Shin模型的数值模拟可以预测出在实验中出现的换热恶化和恢复，并解释了热物性剧烈变化的和浮力对换热的影响。

总之，Liao和Zhao发现了努谢尔数取决于管径，d=0.5-2.16mm。但是，Dang和Hihara发现有效换热系数在管径为2、4和6mm的管内随着管径的增加略有增加。此外，尽管大部分研究是针对超临界CO2在微管（直径0.5-8mm）内的换热和压降特性，但很少有研究是针对超临界CO2在大管（直径大于8mm）内的冷却过程的。大直径管通常被用来生产气体冷却器和内部换热器的。比如，一个由四种不同等级3/8”英寸铜管和百叶窗鳍片组成的商业用线圈作为气体冷却器被用来测试CO2设备，以空气为第二种流体运行，在帕多瓦大学建造的试验台中。

在本文中，为了解释现有论文中的冲突和揭示超临界CO2在大管径管中的换热表现，建立了一套实验系统来研究超临界CO2在大管径管中的换热和压降特性。测试了CO2质量流量、进口压力、平均体积温度和管径对换热系数和压降的影响。此外，提出了一个新的适用于超临界CO2在大管径管道内换热的关联式。

表一 超临界CO2冷却实验综述

2. 实验装置

图1显示了包含四个主要回路的实验装置：（1）跨临界CO2热泵回路；（2）测试回路;(3)冷却水回路；（4）空气回路。压缩机将亚临界CO2加压到超临界状态，然后通过油分离器将主要的油从CO2中分离出去。之后，超临界CO2会被分成几个分支，其中一个进入气体冷却器，其他分支进入测试回路。超临界CO2首先被气体冷却器冷却，然后通过内部换热器。应用内部换热器是为了提高膨胀阀和压缩机的效率。离开膨胀阀2，超临界CO2进入蒸发器，然后通过液体接受器和内部换热器。最后，过热的CO2蒸汽流回压缩机。使用跨临界CO2热泵循环是为了控制CO2进入测试段的质量流量、压力和温度。另一个分支进入油分离器2，然后又一次去除。在副冷却器1中，超临界CO2的温度被由水冷却器1提供的冷却水控制。之后，超临界CO2进入被水冷却器3提供的冷却水冷却的测试段。离开测试段，CO2又一次被副冷却器冷却器，然后通过质量流量计。膨胀阀1用来控制超临界CO2流过测试段的质量流量。离开膨胀阀1，两个分支混合在一起。

图二显示了一个1.3m长的水平套管逆流换热器，内管为CO2，环形通道为水。内管（直径为4、6、10.7mm）由铜制成。环形通道由有两个铜头的1.2m长的铜管（直径30mm）连接而成。环形通道的外壁被50mm的绝缘管覆盖，以尽量减少对环境的热损失。

压缩机入口和出口的压力使用压力表测量，其不确定度为plusmn;1.6%F.S(全跨度)。此外，CO2在压缩机、气体冷却器和蒸发器的进出口温度由PT100传感器测量，其误差为plusmn;0.02℃。测量这些参数的目的是为了监测跨临界CO2热泵的操作状态。在测试部分的进口和出口处，CO2和冷却水的温度用K型热电偶探针直接插入到液体中测量。管内壁的温度使用均匀焊接在外管中部10个位置上的T型热电偶测得。这些经过校准的热电偶精度为plusmn;0.1℃。测试段进口压力由压力传感器测得，其不确定度为plusmn;0.075%F.S（全跨度）。测试段进口和出口的压降由不确定度为plusmn;0.075%F.S（全跨度）的差速压力传感器测得。CO2的质量流量由不确定度为plusmn;0.044%F.S（全跨度）的微动质量流量计测得。冷却水体积流量由不确定度为plusmn;0.1%F.S（全跨度）的电磁流量计测得。所有来自热电偶、压力传感器、差速压力传感器和质量流量计的数据都由Keithley 2700万用表/数据采集系统和有自动CJC模块的Keithley 7708 40通道差分多路复用器收集，然后导出到LabView数据采集软件。

3. 数据简化

从管内流动的二氧化碳中排出的换热速率按式（1）计算，冷却水流过环形管内的换热速率按式（2）计算:

式中为CO2质量流量，为冷却水质量流量,，和为试验段进出口co2的焓，和为环空进出口冷却水的温度，为冷却水的比热。供给铜管内壁的热通量q按式（3）计算：

式中是管子内径，l是试验段的长度。根据试验段的入口温度和出口温度的平均值，计算出CO2的平均体积温度，如等式（4）所示。是如式（5）所示的平均管外壁温度：

式中，为局部管外壁温度。

由于铜管壁的厚度很薄，因此管壁的热传导假定为一维。管子内壁温度按式（6）计算：

式中是管子的外径，是铜管的热导率。铜

如式（7）所示，co2的传热系数h定义为co2与内壁之间的热通量和温差之比。努塞尔数定义为（8）：

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