螺旋管中超临界CO2冷却换热性能研究

摘要

当前，能源短缺和环境污染是全球发展面临的两大基本问题，充分利用现有余热资源是解决问题的重要手段。从我国目前能源和环境形势看，加强节能减排和利用余热非常必要。我国具有丰富的余热资源，利用跨临界CO2工业热泵将它们进行转换，对我国提高能源利用率和改善环境非常有利。同时随着CO2逐渐替代CFC和HCFC类物质，跨临界CO2制冷工质也广泛应用于制冷系统，它的应用对于保护环境和防止全球变暖具有重要作用。 现有针对超临界CO2的研究，主要是采用实验和数值模拟的方法研究其在直管中加热或冷却情况下的对流换热，采用数值模拟方法研究螺旋管中超临界CO2对流换热的相对较少，研究螺旋管特征参数和螺旋管截面形状对超临界CO2对流换热影响的亦相对较少。本文运用Fluent软件，在研究考虑壁厚情况下直管中超临界CO2对流换热的基础上，研究螺旋管中超临界CO2的对流换热，螺旋管的相关参数和螺旋管截面形状对超临界CO2对流换热的影响。研究的主要内容如下： ①运用数值模拟方法研究带壁厚情况下水平直管中的超临界CO2的冷却换热，用以揭示超临界CO2在水平直管内冷却换热的内部机理。结果显示所选湍流模型均能反映换热趋势，经壁面加强处理的标准k-ε模型和实验数据吻合得最好。利用数值模拟结果进一步研究讨论管道截面上的速度，温度，湍流强度分布。引入参数用以定义浮升力对对流换热的影响从而判断流体的状态，同时讨论进口温度，出口温度，质量流量，热流密度，管道直径及其相互之间的关系对对流换热的影响，并比较超临界CO2加热和冷却的差别。 ②在运用经壁面加强处理的RNG k-ε湍流模型数值模拟水平螺旋管中超临界CO2的冷却换热的基础上，研究了螺旋管的特征参数节距p，螺旋管半径R，螺旋管管直径d对超临界CO2流动和换热的影响。结果显示p对换热影响不大，d，R的变化引起曲率和雷诺数的变化，从而对流体换热产生影响。同时当p，d，R增加时，压力的变化情况不同。利用已得到的数值模拟值，提出了圆形截面螺旋管中超临界CO2冷却换热情况下，引入曲率参数的努塞尔数关联式，具有较高精度。同时研究表明在设定条件下，靠近螺旋管内部的壁面温度和换热系数低于其他区域的。 ③采用经壁面加强处理的RNG k-ε湍流模型研究水平正方形截面螺旋管中超临界CO2的冷却换热和压降特性。研究发现由于螺旋管的特殊结构，螺旋管中的换热系数和压降大于直管中的。相同情况下换热系数和压降随着质量流量的增加而增加。随着流体压力的上升，换热系数峰值向高温区域移动。代表重力浮升力的Rig值和代表离心浮升力的Ric值随着质量流量的增大而减小，且随着流体温度的变化呈抛物线变化。重力浮升力影响了压力分布的波动情况，同时压力分布随着流体温度的增加而增加。螺旋管的静压差在临界温度处达到最小值。 ④当前很多研究仅仅关注圆形管内的流动，很少关注非圆形管中的流动。目前紧凑型换热器得到广泛应用，非圆形截面的流动通道吸引了广泛关注并得到应用，采用经壁面加强处理的RNG k-ε湍流模型对其进行研究。管道参数如下：螺旋管长度为2000mm，节距为10mm，螺旋管半径为20mm，截面形状为正方形，三角形和椭圆。研究发现沿流体流动方向换热系数在临界温度区域上下波动，在此基础上，比较了截面为三角形，正方形，圆形时的换热系数和压降特性。结果显示截面为圆形时的换热系数大于正方形的，正方形的换热系数大于三角形的。截面为圆形时的压降小于三角形的，三角形的小于正方形的。数值模拟得到的温度云图，速度云图，速度流线和湍流强度云图显示在螺旋管截面为正方形，三角形和椭圆时，浮升力对流动的作用弱于离心力的影响。在相同设置情况下，对重力影响进行了定量分析，结果显示重力作用对换热系数的影响可以被忽略。研究表明在判定浮升力作用范围时，Rig值的变化情况和Gr/Re2.7值的变化情况一致。 ⑤采用经壁面加强处理的RNG k-ε湍流模型研究正方形截面，三角形截面，椭圆截面螺旋管中，螺旋管特征参数节距p，螺旋管管直径d，螺旋管半径R对超临界CO2换热的影响。结果显示p对换热影响不大，d，R的变化引起曲率和雷诺数的变化，从而对流体换热产生影响。同时当p，d，R增加时，压力的变化情况不同。利用已得到的数值模拟值，提出了正方形截面，三角形截面，椭圆截面螺旋管中超临界CO2冷却换热情况下，引入曲率参数的努塞尔数关联式，具有较高精度。比较了各截面螺旋管的努塞尔数关联式计算值，同时提出了引入圆形度的修正经验关联式。

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