超临界压力CO2在螺旋管中的流动阻力研究.doc

文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123318
超临界压力CO2在螺旋管中
的流动阻力研究国家自然科学基金项目(51006035)、国家重点基础研究发展计划(973)项目(2011CB710703, 2009CB219801)和中央高校科研业务专项资金(12MS35)
王淑香1 , 张伟2, 徐进良1* , 牛志愿2
(1华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室,北京,102206; 2华北电力大学能源的安全与清洁利用北京市重点实验室,北京,102206)
Tel: [phone], Email: ******@ncepu.
摘要:已有超临界CO2对流传热的研究多数在直管中进行,而螺旋管中离心力、扭转力耦合超临界压力CO2剧烈物性变化,使得其流动和传热较为复杂。为揭示超临界压力在螺旋管中的对流传热特性,搭建了超临界压力CO2对流换热实验台,并在冷态及加热条件下对超临界压力CO2在螺旋管中的流动阻力特性进行了实验研究,获得了压降随质量流速的变化关系,及摩擦因子随雷诺数的变化规律,在此基础上分析了加热功率对流动阻力的影响。
关键词:超临界压力CO2;螺旋管;压降;摩擦因子
0 前言
螺旋管换热器由于传热效率高、结构紧凑,被广泛应用于核电站反应堆、制冷空调、医药、食品、化工石油等领域[1-3]。已有螺旋管文献中绝大多数是针对水等常规工质,对于纯天然制冷剂CO2研究,大都在直管中进行,而螺旋管中的超临界压力CO2流动和传热规律尚未被很好的揭示。随着新技术的发展和环境保护的要求,超临界流体对流换热受到国内外众多研究者的广泛关注。超临界压力流体最大的特点是随温度的变化,从液态转变为超临界态,中间无相变过程,热传递的不可逆性较小,并且在准临界温度附近,其物性参数如密度、比热、导热系数等变化剧烈,对流传热机理复杂。CO2在8MPa压力下物性随温度的变化关系如图1所示,在准临温度附近,CO2的密度、导热系数、比热容、动力粘度剧烈变化,而且呈现非单调性。超临界压力下CO2独特的热物性,使得其流动与传热规律较为复杂,近年来,超临界压力下CO2的流动与传热已成为热物理领域的研究热点之一。
通常情况下,各种强化传热措施都会或多或少引起流动阻力的增大。与直管相比,螺旋管内的流动在强化传热的同时,也增大了流动阻力,目前文献中对超临界CO2传热的研究相对较多,对流动阻力特性的研究相对不足。因此,本文对超临界压力下CO2在螺旋管中的流动阻力特性进行了实验研究,为螺旋管式CO2换热器的设计和运行提供科学数据。
图1 8MPa压力下CO2物性随温度的变化
1 实验装置
图2 实验系统
实验系统
本研究搭建的实验系统如图2所示,整个实验系统主要由两大部分组成:CO2工质循环系统和冷却系统。
CO2工质循环系统:从储液罐流出的液体CO2经柱塞泵增压到实验所需压力,柱塞泵出口的缓冲罐用于平衡流量和压力的脉动。从缓冲罐流出的CO2分成两路,一路流经质量流量计、预热器、主加热实验段,另一路经过旁路调节阀直接到冷凝器出口。两路在冷凝器出口处汇合,然后经背压阀,流回储液罐,并在储液罐内被乙二醇冷冻液冷凝成液态,再重新流入柱塞泵,开始一个新的循环。预热段和试验段均采用低压大电流加热器直接加热,加热功率可通过调整可控硅调压器实现连续调节。