超临界CO2在螺旋管内换热特性研究

作     者：王开正 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘朝;徐肖肖

授予年度：2016年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：超临界CO2 螺旋管 换热 浮升力 数值模拟 

摘      要：环境友好型工质CO具有优异的热物性,无毒性和不可燃等特性,被应用于汽车空调、水解、核反应堆和航空航天工程等领域。新型螺旋式气体冷却器作为超临界空调的一个重要部件而备受关注。螺旋式气体冷却器不仅结构紧凑,而且避免了气体冷却器中的液体泄漏到循环系统中,从而引起压缩机等部件的报废。螺旋式结构使CO与液体之间的换热有较大的提高,因此螺旋式气体冷却器非常适合应用于CO热泵。研究超临界CO在螺旋管中的换热特性和机理有助于气体冷却器的设计和优化。因此,本文拟采用实验及数值模拟的方法研究超临界CO在螺旋管中的换热特性和机理。开展了超临界CO在螺旋管(l=560mm,d=4mm,R=36mm,2πb=34mm)内的冷却换热实验研究,分析了质量流率、压力、热流密度和浮升力对换热的影响。超临界压力导致CO的热物性变化而影响其在冷却螺旋管中的换热,随着压力增加,换热系数的峰值下降较大。壁面热流密度通过影响CO热物性的径向分布而影响换热,随着壁面热流密度的增加准临界区域内的换热下降,而似液体区域的换热几乎不变。实验对比研究竖直螺旋管和水平螺旋管内换热特性,结果表明浮升力导致水平螺旋管的换热系数高于竖直螺旋管,浮升力对换热的影响不能忽略。在此基础上,综合评估了三种浮升力参数Bup、Grth/Grq和Ri在预测浮升力影响方面的准确度。三种参数均高估了浮升力的影响,且不能很好地预测沿程浮升力变化趋势。开展了超临界CO在螺旋管内冷却和加热条件下换热的数值模拟研究。采用了SST模型、标准k-e模型和RNG k-e模型计算结果与实验进行比较。SST模型能较好地预测超临界CO在加热和冷却螺旋管中的换热特性。采用SST模型模拟分析超临界CO在加热和冷却螺旋管中的换热系数。研究工况中,冷却条件下的换热系数高于加热条件下的换热系数。分析流场云图,表明壁面热流密度通过影响cp的径向分布而影响换热。