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超临界CO2在螺旋槽管中冷却换热特性的数值研究

超临界CO2在螺旋槽管中冷却换热特性的数值研究

作     者:陈卓 

作者单位:安徽工业大学 

学位级别:硕士

导师姓名:王栋

授予年度:2022年

学科分类:08[工学] 0813[工学-建筑学] 

主      题:工质 超临界CO2 螺旋槽管 冷却换热 伪临界状态 浮升力 综合评价因子 

摘      要:当前,随着世界经济的快速发展,能源的消耗量剧增,温室效应及雾霾等各种环境污染问题日益突出,节能减排成为全球极为关注的重点。为把我国的绿色发展之路提升到新的高度,党中央提出了“双碳战略目标,这是中华民族复兴大业的内在要求,也是人类可持续发展的客观需要。在制冷领域,传统的氯氟烃(CFCs)、氢氟烃类(HCFCs)制冷剂虽然拥有良好的热力学性能,但将其排放到环境中也会产生比较严重的温室效应,因此,需要开发新型环保制冷剂来对传统制冷剂进行替代。CO是一种环境友好型的自然工质,具有稳定的化学性质,若将本来需要排放到空气中的工业副产物—CO进行回收利用,作为传热或制冷的工质,将会实现最为直接的“减排,同时,其较好的热物理性质还会带来“节能的效果。超临界CO具有着优异的传热性能,已经被广泛应用于热泵热水器的换热器(主要是气体冷却器)中,而为了加强换热效果,螺旋槽管正在被逐步的开发和应用。因此,针对超临界CO在螺旋槽管中的流动换热特性进行详细的研究就具有很强的必要性。当前,已有部分学者对该课题进行了探讨,但不管是模拟研究还是实验研究,均是将超临界CO置于螺旋槽管的管外进行流动,而对其于管内流动的特性没有涉及。基于此,本文分别将CO置于螺旋槽管内、外进行流动,通过使用CFD模拟不同的工况下两种流动方式的换热特性并进行详细对比,主要工作和结论如下:(1)首先进行模型的建立,之后利用公开发表的文献中的实验数据验证了模拟计算的可靠性,之后,分别将超临界CO置于套管式螺旋管换热器的内、外管流动,通过模拟结果对比,发现平均换热系数在内管流动会略小于在外管流动;而从外壁面所受压力的角度来看,将超临界CO置于内管流动时,能够有效降低外壁面所受压力,此时对外管材料的要求较低,有着较多的选择性,若材料的材质不变,也能大大降低管壁厚度。同时,高温的CO置于内管流动,整个套管换热器的不必要的散热量将会减少,制取热水时的能源利用率也得到了有效提高。因此,将超临界CO置于内管流动时不但增强了安全性,还能节约材料成本,减少散热,具有较强的经济可行性。(2)将超临界CO置于内管流动,分别改变入口压力和入口流速,比较了冷却条件下的超临界CO的传热性能。研究发现,相同入口流速下,整体换热系数随压力增大而增大;相同压力下,随着流速的增大,整体换热系数也在逐渐增大。最大换热系数均出现在伪临界状态点附近。(3)选用了三头、四头、六头的圆弧螺旋槽管,对其进行了冷却换热特性的研究,此外还设计了两种结构的槽口:三角形槽、梯形槽。在相同冷却边界条件下,分别对超临界CO在内、外管流动换热状态进行模拟分析。研究发现,螺旋槽管中的旋转流动对超临界CO换热的影响主要是通过沿槽壁面强烈的哥氏力、流体的浮升力和重力综合作用而完成;螺旋槽头数越多,旋转越强,浮升力的影响会有所减弱;(4)综合考虑传热系数、压降、传热面积和质量流量的影响,本文提出了一个新的综合评价因子。利用该评价因子进行综合评价可知,超临界CO在内管流动时的综合性能高于其在外管流动,且在三头管内管流动时综合性能最优。(5)考虑到交换流体的流动空间后,内外管横截面积不一样会导致工质在交换流动空间前后的质量流量不一样,为能准确地反映出在两种不同流动方式条件下,热流密度的变化对超临界CO换热特性的影响,首先改变外套管直径,使得内外管横截面积相同,确保工质交换流动空间前后,在相同流速下具有相同的质量流量。详细比较了-20000W/m、-40000W/m、-60000W/m这三种不同冷却热流密度条件下的超临界CO在内、外螺旋槽管冷却换热的特性。研究结果表明,在相同的内外管横截面积时,局部换热系数随着热流密度的增大呈逐渐增大的趋势。但综合考虑换热系数和沿程阻力可发现,超临界CO在热流密度为-40000W/m工况时时,于螺旋槽管的内管流动有最优的综合表现。

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