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:123678
竖直微圆管内超临界CO2对流换热研究基金项目:国家自然科学基金重点项目()、北京市自然科学基金重大项目(3110001)、国家自然科学基金委员会与英国工程与自然科学研究理事会合作研究项目(51061130537)
姜培学,刘波,罗峰,赵陈儒
(热科学与动力工程教育部重点实验室北京市CO2资源利用与减排技术重点实验室清华大学热能工程系, 北京 100084)
(Tel:(010)62772661,Email: ******@.)
摘要:本文对超临界CO2在竖直微圆管内对流换热开展了实验研究,分析了强烈变物性、浮升力和流动加速对超临界CO2对流换热的影响。,。实验结果表明:超临界压力CO2在微管中,低入口雷诺数且高热流密度时,受流动加速的影响,实验段入口附近壁面温度出现异常分布,换热发生恶化。流体的流动加速由热加速和压降加速两部分组成,本文使用热加速无量纲数KvT和压降加速无量纲数KvP,分析了流动加速对对流换热的影响。
关键词:超临界压力CO2 对流换热流动加速
0 前言
超临界流体在微细通道内流动和换热有广泛的工业应用背景,如液体火箭发动机推力室层板发汗冷却、超临界水冷核反应堆(SCWR)堆芯内燃料在冷却通道内的对流换热、高超飞行器冲压发动机再生冷却通道内超临界吸热型碳氢燃料的流动换热、以自然工质CO2为制冷剂的跨临界循环制冷和热泵系统中气体冷却器管道内的流动换热等[1-3]。超临界流体与普通压力下的流体对流换热相比,有着特殊的规律性,换热受流体变物性、浮升力和热加速的影响而会出现换热强化和恶化现象,因此超临界流体在微细通道内流动换热研究已经受到国内外学者的重视。
变物性是超临界压力流体的主要特征之一, 如图1所示,在准临界温度(即给定压力下定压比热容最大值对应的温度)附近, 流体的热物性随温度的变化异常剧烈, 并呈非单调性的变化。研究发现超临界流体换热存在换热强化和换热恶化的现象,而传热恶化通常出现在热流密度比较高、质量流量比较低的情况下[4]。超临界流体在竖直通道中流动进行换热时,壁面温度和流体温度存在温度差,流道截面径向流体密度分布不均匀,存在浮升力的作用。浮升力作用会影响流动换热,使换热发生强化和恶化作用。Jackson和Hall[5-6]提出表征浮升力影响因素的无量纲准则数Bo*,并认为Bo*<6×10-7时,无论是向上流动还是向下流动,浮升力的影响很小,可以忽略不计。而在竖直通道轴向方向,流体被加热或者冷却,使轴向存在密度梯度,引起流体流动加速,进而导致换热出现局部恶化现象。Domin、Shiralkar和Griffith等[6-8]都观察到了流动加速导致的局部换热恶化现象。Kurganov等[9]认为只有在小管径管道中热加速的影响才会显著,而在直径较大的通道中,浮升力的影响占主导。姜培学等[10-12]对超临界CO2在竖直微细圆管内对流换热开展了一系列的实验研究,研究变物性、浮升力和热加速对换热的影响。实验结果表明,对于内径为1mm的细圆管,进口雷诺数Rein<6000,热流密度较高的工况下,如qw=×104Wm-2时,热加速的影响仍然很小,换热出现