超臨界二氧化碳在套管式換熱管中的實驗研究

胡特特 呂 靜 楊大章 豆君君 任瑩瑩

上海理工大學環境與建筑學

超臨界二氧化碳在套管式換熱管中的實驗研究

胡特特 呂 靜 楊大章 豆君君 任瑩瑩

上海理工大學環境與建筑學

在四種不同形式的套管式換熱管中對二氧化碳的換熱性能進行了實驗研究。結果表明：在質量流量不變的條件下，不同的壓力和入口溫度下超臨界二氧化碳在單直管內的局部換熱系數隨著溫度的降低先升高后降低；對于不同的管型，相同的壓力和進水溫度條件下二氧化碳在三直管和雙螺旋內管的換熱量基本相同，兩者出水溫度的變化也相同；單螺旋內套管在出水溫度、換熱量、換熱系數等各項換熱性能指標都比單直管好，雙螺旋管內的換熱系數高于三直管，從而得出螺旋套管的換熱性能優于直套管換熱管。

超臨界換熱量換熱特性螺旋套管

0 引言

近幾年來，隨著人類活動的增加，自然環境受到的影響越來越大，并逐漸反作用于人類。全球氣候變暖、臭氧層空洞等問題越來越受到人們的重視。CFCs類工質破環臭氧層而且對氣候有著不利的影響。HFC類工質雖然對臭氧層沒有破壞力，但化學性穩定，釋放后能夠積累，這將導致明顯的溫室效應。因此采用自然工質成為現在一種普遍的觀點。

在幾種常用的自然工質，二氧化碳最具有競爭力。作為制冷劑，二氧化碳具有其獨特的優勢[1]，對環境友好（ODP=0，GWP=1），安全性高，來源廣泛，價格低廉，而且單位容積制冷量大。前國際制冷學會主席，挪威的G.Lorentzen認為CO2是“21世紀最具前景的制冷劑”，并提出跨臨界制冷循環理論，指出CO2跨臨界循環可望在汽車空調和熱泵等領域發揮重要作用[2]。

目前，國內外的許多學者對二氧化碳在超臨界條件下的換熱特性進行了實驗和理論研究。在國外，Olson[3]實驗測量了在超臨界壓力下，內徑為10.9mm的水平管中CO2的換熱系數。結果表明影響換熱系數的因素包括熱流密度、質量流速、冷卻水流速以及壓力。Dang和Hihara[4]將數值計算與實驗測量所得到的超臨界CO2被冷卻時的換熱系數進行了比較，發現CO2在不同壓力下換熱系數的變化趨勢與比熱的變化趨勢非常相似。Yoon SH等人[5]對超臨界CO2在管內徑為7.73mm銅管中的冷卻換熱進行了研究。實驗表明，隨著冷卻過程的進行，換熱系數逐漸上升并達到最大值，而后下降。在國內，天津大學的馬一太教授對超臨界二氧化碳流體的性質進行了深入的研究，分析了溫度和壓力對超臨界二氧化碳熱物理性質的影響，研究表明，二氧化碳的比熱、密度、導熱系數及粘度在準臨界點附近變化非常劇烈[6]。中南大學的廖勝明教授采用數值計算的方法對超臨界CO2在0.6～1.0mm微細管道中的換熱特性進行了模擬研究[7]。

本文對不同壓力和入口溫度下，超臨界二氧化碳在套管內的換熱特性的研究，分析不同形式的內管對其換熱性能的影響，揭示壓力、入口溫度和內管管型與超臨界二氧化碳換熱性能的變化關系，從而為更好地設計和優化氣冷器提供了理論基礎。

1 實驗裝置

1.1 實驗測試段

測試段的形式為套管式換熱管，該測試段主要由測試段外管、進出口穩定測試段和測試內管組成，其與熱泵系統氣冷器并聯連接，為了實驗和測試的方便，設計為可拆卸的換熱管實驗裝置，如圖1所示。

圖1 超臨界二氧化碳換熱管實驗裝置

內管為管徑10mm，壁厚1.5mm的銅管。管內走二氧化碳，一端設有調節閥，控制二氧化碳流量，另一端設有壓力和溫度傳感器，其中溫度傳感器直接測量管中流體的中心溫度。左右兩側設有穩定段，分別與測試內管和實驗臺預留接口連接。

測試段外管主要由一個主管和兩個支管組成，其內徑均為35mm，壁厚3mm，材料為銅，管段總長為1m。外管和內管之間走水，上進上出，內管走二氧化碳。水側的進出口分別設有溫度傳感器，直接測量水側的中心溫度。

測試段內管設計為四種不同結構形式，如圖2所示，分別為：

1）單直管，長度1000mm。

2）三直管，三角排列，直管圓心分別在邊長為13mm的等邊三角形頂點上，直管內徑為10mm，長1000mm，三根直管兩端焊接在一起，連接到內徑10mm的連接段直管上。

3）單螺旋管，螺旋線底面直徑22mm，每圈高170mm，共6圈，螺旋管內徑10mm，軸長1000mm。

4）雙螺旋管，由兩根相同的單螺旋管組成，兩螺旋管兩端焊接在一起。

圖2 四種內管的結構示意圖

1.2 輔助試驗裝置

1）焓差計量室是為實驗提供所需的環境和恒溫水系統，并進行計量。

2）跨臨界二氧化碳熱泵實驗臺則是提供超臨界二氧化碳流體。跨臨界二氧化碳熱泵系統實驗臺主要包括壓縮機、氣冷器、蒸發器、節流閥和水箱。壓縮機為活塞式，排量3.5m3/h，功率4kW；氣冷器和蒸發器均為臥式殼管式換熱器；水箱容積為350L。

選取四種不同型式的測試管段內管安裝于實驗裝置，通過調節焓差室恒溫水系統，使供水溫度和流量達到實驗工況；調節電子膨脹閥的開度，使超臨界二氧化碳達到實驗工況所需壓力。

1.3 參數測量

實驗中所需要采集的數據為壓力、溫度、水流量和二氧化碳流量。選用鎧裝鉑電阻進行溫度的測量，測量精度為±0.3℃；采用HSK-S054型二氧化碳專用高壓傳感器測量壓力，其測量范圍為0～15MPa，測量誤差± 2.5%；采用容積式水流量計測量水流量。本實驗的難點是二氧化碳流量的測量，采用了熱量校核的方式計算二氧化碳流量，并編寫了采集計算程序。實驗中所測得的數據均通過安捷倫數據采集儀Agilent34970A進行采集，并與電腦連接，采用Benchlink Data LoggerⅡ程序進行數據記錄。

2 結果分析

2.1 實驗工況

表1、2分表為工況Ⅰ和工況Ⅱ記錄。

表1 實驗工況Ⅰ

表2 實驗工況Ⅱ

2.2 實驗結果及分析

2.2.1 單直管換熱特性的影響因素分析

圖3給出了質量通量為300kg/(m2s)時，超臨界二氧化碳在不同壓力條件下局部換熱系數隨平均溫度變化曲線。從圖中可以看出，在不同壓力條件下二氧化碳的局部換熱系數均隨溫度的降低先升高后降低。在不同壓力條件下，二氧化碳的局部換熱系數對應的峰值也不同。當壓力越接近臨界壓力時，其峰值越高，峰值對應的溫度越接近臨界溫度。這與比熱的變化非常相似，說明比熱對換熱有很大的影響。在遠離準臨界區的高溫區，壓力越大，二氧化碳的局部換熱系數越大。

圖3入口壓力對傳熱系數的影響

圖4 顯示了不同入口溫度條件下二氧化碳局部換熱系數隨流體溫度的變化曲線。從圖中可以看出，二氧化碳的局部換熱系數均隨溫度的降低先升高后降低，但在相同的流體溫度條件下，入口溫度對二氧化碳的局部換熱系數影響不大，特別在臨界溫度附近局部換熱系數幾乎相同。這是由于較高的入口溫度導致較高的出口溫度和較大的換熱量。雖然入口溫度的提高使得換熱量增加，但同時增加了流體與壁面的溫差，兩者的共同作用并沒有增加局部換熱系數和平均換熱系數。在高溫區，二氧化碳的局部換熱系數在不同入口溫度條件下稍有不同，這是由系統實驗誤差所致，不具普遍性。

圖4 二氧化碳入口溫度對傳熱系數的影響

2.2.2 螺旋套管換熱影響因素分析

從圖5可以看出，在相同進水溫度下，螺旋套管出水溫度隨著壓力的增加而升高，由于實驗條件有限，在不同壓力工況下CO2的進口溫度并不穩定。在壓力高的工況下CO2的進口溫度也高，因此出水溫度的提高可能是壓力和溫度共同作用的結果。但是可以通過局部的數據進行比較，比如雙螺旋套管實驗中，進水溫度9℃下，CO2壓力9MPa時CO2進口溫度為109.5℃，而CO2壓力為10MPa時CO2進口溫度為108.6℃，兩者差別不大，而CO2壓力為10MPa時出水溫度要比9MPa時要高出2℃，約15%，這可以說明在CO2壓力較高時能夠提升換熱器的出水溫度。

圖5 不同壓力下螺旋套管出水溫度隨進水溫度變化

圖6 螺旋套管換熱量隨進水溫度變化

從圖6中可以看出，隨著CO2壓力的升高，螺旋套管的換熱量均增加；隨著進水溫度的升高，螺旋套管換熱量均減小，由于冷熱流體間的換熱溫差減小，所以不同壓力下的換熱量差別逐漸減小。雙螺旋套管的換熱量高于單螺旋套管。

2.2.3 四種不同形式套管換熱管的影響因素分析

由圖7可知，在相同壓力條件下，不同類型的換熱管的換熱系數均隨進水溫度的升高先降低后升高，而且單管的換熱系數隨進水溫度的變化比多管明顯。

圖7 進水溫度對四種換熱管換熱系數的影響（8MPa）

對于單管內管，在相同壓力和進口溫度的條件下，超臨界狀態下的二氧化碳在螺旋管內的換熱系數高于單直管；對于多管內管，相同的壓力和進水溫度條件下，超臨界條件下二氧化碳在雙螺旋內的換熱系數高于三直管，特別是在進水溫度較高的情況下，這種情況更加明顯。

由圖8可知，在相同壓力條件下，不同類型內管的出水溫度均隨著進水溫度的上升而上升，進出口溫度幾乎成線性關系。對于單管，相同的進水溫度條件下，單螺旋管的出水溫度高于單直管；對于多內管，相同的進水溫度條件下，三直管和雙螺旋的出水溫度幾乎相同。

圖8 進水溫度對四種換熱管出水溫度的影響（8MPa）

由圖9可知，在相同壓力條件下，二氧化碳在不同類型內管中的換熱量均隨著進水溫度的上升而下降。對于多管內管，相同壓力和進水溫度條件下，二氧化碳在雙螺旋管套管和三直管套管的換熱量幾乎相同，并且換熱量隨進水溫度變化的趨勢幾乎一樣；對于單管內管，在相同的進水溫度條件下，二氧化碳在單螺旋管中的換熱量遠遠高于單直管。

圖9 進水溫度對四種換熱管換熱量的影響（8MPa）

3 結論

1）二氧化碳在超臨界條件下的局部對流換熱系數的峰值隨著壓力的不同而不同。壓力越接近于臨界壓力，峰值越大，對應的溫度越接近臨界溫度。

2）不同的二氧化碳的入口溫度在相同的體積溫度條件下對其局部對流換熱系數的影響不大，特別在臨界溫度附近，二氧化碳的換熱系數幾乎相同。

3）單螺旋內管套管在出水溫度、換熱量、換熱系數等各項換熱性能指標都比單直管好，而螺旋管增加的管長和材料僅是直管的1.066倍。

4）三直管和雙螺旋管的比較，兩者的換熱性能系數十分接近，但是雙螺旋內管所用材料只有三直管的71.05%。總的來說，螺旋管的換熱性能比傳統的直管要好。

[1]Andy Pearson.Carbon dioxide-new uses for an old refrigerant[J]. International JournalofRefrigeration,2005,28:1140-1148

[2]Lorentzen G.Revivalof carbon dioxideasa refrigerant[J].Interna -tional Journalof Refrigeration,1994,17(5):292-301

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[4]Chaobin Dang,EijiH ihara.Heat transfer coefficientof supercritical carbon dioxide[A].In:Prelim inary Proceedings of the 5th IIR-Gustav Lorentzen Conferenceon NaturalWorking Fluids[C]. Guangzhou,2002:100-107

[5]Yoon SH,Kim JH,Hwang YW,etal.Heat transferand pressure drop characteristicsduring the in-tube cooling processof carbon dioxide in the supercritical region[J].International Journal of Refrigeration,2003,26(8):857-864

[6]楊俊蘭,馬一太,曾憲陽,等.超臨界壓力下二氧化碳流體的性質研究[J].流體機械,2008,36(1):53-58

[7]S M Liao,T SZhao.An experimental investigation of convection heat transfer to supercritical carbon dioxide inm iniature tubes[J]. International JournalofHeatand Mass Transfer,2002,5025-5034

Ex p e rim en ta l Stud y o f Supe rc ritic a l Ca rbon Diox ide in the Ca s ing Tube Hea t Trans fe r Tubes

HU Te-te,LV Jing,YANGDa-zhang,DOU Jun-jun,REN Ying-ying
Schoolof Environmentand Architecture,ShanghaiUniversity for Science and Technology

A series of experiments on heat transfer properties of carbon dioxide in four different casing tubes were conducted.The experimental results indicate that in the conditions that themass flow is constant,the local heat transfer coefficient of supercritical carbon dioxide w ithin a single straight tube under different pressure and inlet temperature firstly increased and then decreased w ith the temperature decreasing.For different tubes,the exchanging heatquantity of the carbon dioxide in the tribalstraight tubeand doublehelix tube at the same pressureand enteringwater temperature is basically the same and the variation of the outputwater temperature is also the same.The parameters of heat transfer performance such as the outputwater temperature,the exchanging heatquantity in the single helix tube are better than that in the single straight tubeand theheat transfer coefficientof the supercritical carbon dioxide in the doublehelix tube is higher than that in the tribal straight tube.The heat transfer performance of the helix tube is superior to that of the straight tube by the experimental results.

supercritical,exchanging heatquantity,heat transferproperty,helix tube

1003-0344（2014）02-019-4

2013-4-11

胡特特（1989～），男，碩士研究生；上海市楊浦區軍工路516號（200093）；E-mail:hutete09@163.com