超臨界CO2對(duì)流換熱特性試驗(yàn)研究進(jìn)展

王乃心 ，楊大章 ，謝 晶 ，王金鋒

（1.上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306；2.上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評(píng)價(jià)專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 201306；3.食品科學(xué)與工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（上海海洋大學(xué)），上海 201306；4.上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海 201306）

0 引言

制冷技術(shù)在食品生產(chǎn)儲(chǔ)藏，化學(xué)加工工業(yè)以及其他工業(yè)應(yīng)用中具有廣泛應(yīng)用，但由于制冷空調(diào)行業(yè)采用的CFCs和HCFCs會(huì)破壞大氣中的臭氧層、產(chǎn)生溫室效應(yīng)，導(dǎo)致全球氣候變暖，因而實(shí)現(xiàn)CFCs和HCFCs替代成為全世界關(guān)注的問(wèn)題［1］。由于人工合成的制冷劑絕大部分最終都會(huì)排放到大氣中影響地球環(huán)境，因此采用自然工質(zhì)是一種非常安全的選擇。各種不同的自然工質(zhì)中，水、氨、CO2和碳?xì)浠衔锒歼m用于制冷空調(diào)領(lǐng)域。但對(duì)比水、氨和碳?xì)浠衔?，CO2具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：環(huán)境友好性、安全性、傳熱性能和流動(dòng)性好、容積制冷量大［2］。這些優(yōu)秀的物理性質(zhì)使CO2足以成為最好的制冷工質(zhì)替代品之一。目前CO2已應(yīng)用于汽車(chē)空調(diào)、熱泵等領(lǐng)域。在傳統(tǒng)的制冷循環(huán)中，吸熱和放熱過(guò)程均發(fā)生在亞臨界條件下，制冷劑可以在冷凝器中由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，而CO2跨臨界循環(huán)中，吸熱過(guò)程仍在亞臨界條件下進(jìn)行，但放熱過(guò)程發(fā)生在超臨界壓力下，工質(zhì)的放熱過(guò)程中沒(méi)有冷凝液產(chǎn)生，其高壓換熱器不再是冷凝器，而被稱為氣體冷卻器［3］。在超臨界壓力下臨界區(qū)附近CO2的熱物理參數(shù)隨溫度變化非常劇烈，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者都致力于研究超臨界CO2的對(duì)流換熱特性。

超臨界CO2換熱特性試驗(yàn)可分為在冷卻條件下和加熱條件下進(jìn)行研究。研究冷卻條件下的超臨界CO2換熱特性，目的是設(shè)計(jì)出高效的氣體冷卻器以及了解質(zhì)量流量、熱流密度、入口溫度和壓力等熱物性參數(shù)對(duì)超臨界CO2換熱特性的影響。由于在加熱條件下熱流密度和熱加速對(duì)傳熱過(guò)程有著顯著影響，導(dǎo)致加熱條件下超臨界CO2換熱特性與冷卻條件下完全不同。鑒于超臨界CO2在熱電廠、核電廠以及太陽(yáng)能發(fā)電中的發(fā)展前景，對(duì)加熱條件下超臨界CO2換熱特性的試驗(yàn)研究就顯得尤為重要。除此之外，加熱條件下為何會(huì)出現(xiàn)傳熱惡化現(xiàn)象還是個(gè)未解之謎，想要解決傳熱惡化現(xiàn)象，需要進(jìn)行大量試驗(yàn)研究。本文針對(duì)冷卻條件下和加熱條件下超臨界CO2換熱特性的試驗(yàn)研究進(jìn)行綜述，并對(duì)現(xiàn)存的問(wèn)題進(jìn)行討論。

1 冷卻條件下的超臨界CO2換熱特性

在冷卻條件下，當(dāng)CO2流體溫度高于準(zhǔn)臨界溫度而壁溫低于準(zhǔn)臨界溫度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)傳熱增強(qiáng)現(xiàn)象［2］。原因是邊界層中總會(huì)有一層流體的溫度與準(zhǔn)臨界溫度相等，此處流體比熱容達(dá)到峰值，換熱得到強(qiáng)化。冷卻條件下超臨界CO2對(duì)流換熱特性的研究主要集中在質(zhì)量流量、熱流密度、入口溫度和壓力等熱物性參數(shù)在傳熱過(guò)程中的變化。目前超臨界CO2換熱特性的研究主要集中在換熱管的結(jié)構(gòu)形式上，如直管、螺旋管等。

1.1 直管中超臨界CO2換熱特性

直管簡(jiǎn)單易用，已成為管內(nèi)超臨界CO2對(duì)流換熱特性試驗(yàn)的主要研究對(duì)象。Li等［4］研究了內(nèi)徑為2 mm的豎直圓形管內(nèi)超臨界CO2的換熱特性，分析了質(zhì)量流量、浮升力以及流動(dòng)方向?qū)ΤR界CO2對(duì)流換熱特性的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷諾數(shù)較高而質(zhì)量流量較低時(shí)，向上流動(dòng)和向下流動(dòng)的對(duì)流換熱系數(shù)均隨著質(zhì)量流量的增加而增大；當(dāng)雷諾數(shù)較高且質(zhì)量流量也較高時(shí)，向上流動(dòng)出現(xiàn)換熱惡化，而向下流動(dòng)中沒(méi)有出現(xiàn)這種情況。Jiang等［5］對(duì)豎直微管中超臨界CO2的換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了與Li等相似的結(jié)果，同時(shí)指出超臨界CO2在微型管中流動(dòng)時(shí)，浮升力的影響微乎其微，熱加速是導(dǎo)致在質(zhì)量流量較高時(shí)換熱特性異常的主要因素。但也有人給出了不同的結(jié)論，Rao等［6］分別分析了有浮升力存在和沒(méi)有浮升力存在的條件下超臨界CO2在豎直微型管中向上流動(dòng)和向下流動(dòng)的速度、溫度、傳熱系數(shù)以及努塞爾數(shù)，發(fā)現(xiàn)即使在雷諾數(shù)較高的情況下，也不能忽略浮升力的影響。張麗娜等［7］也得出了相同的結(jié)論，并總結(jié)出了冷卻條件下豎直向上流動(dòng)和豎直向下流動(dòng)時(shí)的換熱關(guān)聯(lián)式。近年來(lái)對(duì)豎直管中超臨界CO2的冷卻換熱特性研究較少，而水平直管的研究較多，如表1所示。

在豎直管的研究中，研究者都是采用與他人的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（管內(nèi)換熱系數(shù)）的對(duì)比來(lái)獲取試驗(yàn)結(jié)果，這說(shuō)明了近年來(lái)超臨界CO2在豎直管內(nèi)對(duì)流換熱試驗(yàn)研究的匱乏。而表1中所列出的水平直管中CO2換熱特性數(shù)值研究中，大多是使用FLUENT軟件，基于SST的湍流模型且工況在小范圍內(nèi)變化。其中文獻(xiàn)［13］采用的是RANS湍流模型。目前缺乏可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)判斷哪種模型能夠更好的進(jìn)行數(shù)值模擬，大部分都是對(duì)比后選取合適的湍流模型。文獻(xiàn)［8，10，13］提出了新的換熱關(guān)聯(lián)式。

表1 水平管中超臨界CO2換熱特性的試驗(yàn)研究

1.2 螺旋管中超臨界CO2換熱特性

超臨界CO2在螺旋管內(nèi)的傳熱技術(shù)廣泛應(yīng)用于化工領(lǐng)域。Wang等［14］利用SST湍流模型對(duì)超臨界CO2在豎直螺旋管中的冷卻換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬并將結(jié)果與水平螺旋管進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)水平螺旋管傳熱系數(shù)高于豎直螺旋管，豎直螺旋管中也需要考慮浮升力的作用。吳楊揚(yáng)［15］基于RNGk-ε湍流模型研究了超臨界CO2在水平螺旋管的冷卻換熱特性并將結(jié)果與水平直管進(jìn)行了對(duì)比，螺旋管內(nèi)流體受離心力、重力及浮升力共同作用產(chǎn)生二次流加強(qiáng)管內(nèi)流體擾動(dòng)，使得螺旋管內(nèi)換熱系數(shù)大于水平直管內(nèi)換熱系數(shù)。崔海亭等［16］采用RNGk-ε湍流模型也得出了相似的結(jié)論，同時(shí)指出，離心力和浮升力是造成換熱系數(shù)增大的原因，重力對(duì)螺旋管中的對(duì)流換熱影響不大，并且節(jié)距增加到一定程度會(huì)削弱換熱系數(shù)。近幾年對(duì)螺旋管中超臨界CO2冷卻換熱特性試驗(yàn)研究如表2所示。

表2 螺旋管中超臨界CO2換熱特性的試驗(yàn)研究

螺旋管內(nèi)超臨界CO2的傳熱性能研究多為數(shù)值模擬，研究者大多使用Fluent軟件，基于SST或RNGk-ε的湍流模型，壁面邊界條件為恒定壁溫。螺旋管中超臨界CO2冷卻換熱特性的影響因素研究集中在浮升力方面，且還存在一定的分歧。文獻(xiàn)［15～17］在進(jìn)行螺旋管研究的同時(shí)，還將螺旋管的研究結(jié)果與直管做對(duì)比，得到的結(jié)果更具完善性。此外，上述文獻(xiàn)中鮮有提到螺旋管參數(shù)對(duì)換熱特性的影響，有必要對(duì)螺旋管結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律開(kāi)展研究，為換熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1.3 其他通道中超臨界CO2換熱特性

為了提高超臨界CO2換熱性能，許多學(xué)者對(duì)其他通道中超臨界CO2換熱特性做了研究。劉遵超等［22］模擬了三葉管內(nèi)超臨界CO2的冷卻對(duì)流換熱過(guò)程，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)方向?qū)ΤR界CO2管內(nèi)局部換熱系數(shù)影響較小，而雷諾數(shù)、壁面熱流密度以及冷卻壓力對(duì)局部換熱系數(shù)影響較大。Lei等［23］對(duì)水平波浪形微通道內(nèi)超臨界CO2的冷卻換熱特性和壓降進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)波浪形微通道較直通道有著明顯的傳熱優(yōu)勢(shì)，并且與直通道相比壓降略有增加。Xu等［24］和 Han 等［25］研究了豎直蛇形管中超臨界CO2的湍流換熱特性，通過(guò)比較蛇形管和直管在相同工況下的向下流動(dòng)和向上流動(dòng)的傳熱性能，得出受離心力二次流影響，蛇形管傳熱性能優(yōu)于直管，并且蛇形管中向下流動(dòng)的湍流對(duì)流傳熱要好于向下流動(dòng)，并且無(wú)傳熱惡化現(xiàn)象。崔海亭等［26］和易長(zhǎng)樂(lè)［27］在不同質(zhì)量流量下模擬了扭曲水平橢圓管和無(wú)扭曲水平橢圓管內(nèi)超臨界CO2冷卻換熱特性及二次流的變化規(guī)律。結(jié)果表明，低質(zhì)量流量下橢圓管具有更強(qiáng)浮升力造成的二次流來(lái)強(qiáng)化傳熱；高質(zhì)量流量下橢圓管內(nèi)浮升力作用已經(jīng)不明顯，而扭曲橢圓管具有自身結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的周期性二次流來(lái)強(qiáng)化傳熱；管內(nèi)的傳熱系數(shù)及壓降隨著扭曲程度及壓扁程度的增大而增大。

2 加熱條件下的超臨界CO2換熱特性

與冷卻條件下的傳熱不同，超臨界CO2在加熱條件下的對(duì)流換熱特性比較復(fù)雜。當(dāng)熱流密度較高時(shí)，超臨界CO2在管內(nèi)加熱的換熱情況會(huì)惡化。超臨界流體在螺旋管內(nèi)的傳熱技術(shù)研究相較于直管內(nèi)的還很匱乏［28］。王開(kāi)正［18］采用SST模型模擬分析加熱條件下超臨界CO2在螺旋管中的換熱系數(shù)，將結(jié)果同冷卻條件下的超臨界CO2換熱系數(shù)做對(duì)比后，得出冷卻下的對(duì)流換熱系數(shù)大于加熱下的對(duì)流換熱系數(shù)，又通過(guò)分析流場(chǎng)云圖后得知壁面熱流密度通過(guò)影響螺旋管界面熱物性來(lái)影響換熱。顧騫［29］同樣對(duì)比了加熱條件下超臨界CO2在直管和螺旋管內(nèi)的換熱特性，探討了離心力和浮升力對(duì)超臨界CO2換熱特性的影響。結(jié)論是直管中在準(zhǔn)臨界區(qū)，浮升力的影響不能忽略；螺旋管中離心力影響整個(gè)傳熱過(guò)程，在流體離開(kāi)準(zhǔn)臨界區(qū)前，浮升力的影響也不能忽略。李洪瑞［30］在非正常重力條件下采用改變流動(dòng)方向的方法來(lái)探討了浮升力對(duì)加熱螺旋管內(nèi)超臨界CO2的換熱特性的影響，分析了變物性、離心力、浮升力在不同流動(dòng)方向上對(duì)螺旋管內(nèi)換熱的耦合作用。研究發(fā)現(xiàn)：微重力和超重力的換熱系數(shù)隨著重力的增加，在準(zhǔn)臨界區(qū)之前的換熱系數(shù)也相應(yīng)增加，并且在準(zhǔn)臨界溫度出換熱系數(shù)達(dá)到峰值；無(wú)論是水平流動(dòng)方向還是豎直流動(dòng)方向，微重力和超重力分別對(duì)換熱有削弱作用和強(qiáng)化作用，但在準(zhǔn)臨界點(diǎn)后這種作用并不明顯。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)加熱條件下直管內(nèi)超臨界CO2的換熱特性試驗(yàn)研究如表3所示。

表3 加熱條件下直管內(nèi)超臨界CO2換熱特性的試驗(yàn)研究

這些試驗(yàn)研究中，發(fā)現(xiàn)在加熱管模型的驗(yàn)證中，文獻(xiàn)［19，31］是選取他人的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬驗(yàn)證，文獻(xiàn)［33，34，37］采用與經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比管內(nèi)Nu來(lái)得到試驗(yàn)結(jié)果。這也說(shuō)明了目前超臨界CO2在加熱管內(nèi)對(duì)流換熱試驗(yàn)研究的匱乏。

上述大多數(shù)文獻(xiàn)在研究過(guò)程中提到加熱條件下會(huì)出現(xiàn)傳熱惡化的現(xiàn)象，為了抑制這種現(xiàn)象，許多學(xué)者對(duì)不同通道結(jié)構(gòu)內(nèi)超臨界CO2的對(duì)流換熱進(jìn)行了了研究。熊超［39］對(duì)內(nèi)插有0.1 mm和內(nèi)插有0.2 mm不銹鋼螺旋絲的內(nèi)徑為1 mm豎直細(xì)圓管中超臨界CO2對(duì)流換熱特性展開(kāi)了試驗(yàn)研究，對(duì)比光管管內(nèi)換熱現(xiàn)象后發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)插有不銹鋼螺旋絲的圓管中，向上流動(dòng)和向下流動(dòng)的壁溫均沿程升高，沒(méi)有出現(xiàn)傳熱惡化，螺旋絲很好的抑制了傳熱惡化現(xiàn)象。王振川等［40］得出了相同的結(jié)論并指出內(nèi)插螺旋管相對(duì)于光管可以提高換熱系數(shù)二倍以上。朱鳳嶺［41］對(duì)超臨界CO2在內(nèi)徑為2 mm的水平內(nèi)凸圓管中的對(duì)流換熱進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)論是高熱流低流速工況下內(nèi)凸管與光管均出現(xiàn)傳熱惡化，但內(nèi)凸管傳熱系數(shù)高于光管，努塞爾數(shù)提高近二倍。近年來(lái)對(duì)傳熱惡化現(xiàn)象的試驗(yàn)研究見(jiàn)表4。

表4 加熱條件下超臨界CO2傳熱惡化的試驗(yàn)研究

3 超臨界CO2流體換熱關(guān)聯(lián)式歸納

將上述所有文獻(xiàn)中所采用的超臨界CO2換熱關(guān)聯(lián)式進(jìn)行整理，如表5所示。從表5可以看出：直管和螺旋管中的換熱關(guān)聯(lián)式大多數(shù)是在經(jīng)典換熱關(guān)聯(lián)式的基礎(chǔ)上，引入臨界點(diǎn)附近的物性參數(shù)進(jìn)行修正而得到的；且所有換熱關(guān)聯(lián)式與模擬計(jì)算值之間的計(jì)算誤差均在25%以內(nèi)，但大部分都是針對(duì)特定通道內(nèi)或者特定工況下的對(duì)流換熱，結(jié)果缺乏廣泛性。目前提出適用于不同工況下超臨界CO2的換熱關(guān)聯(lián)式可為開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)高效換熱器提供理論基礎(chǔ)。

表5 超臨界CO2換熱關(guān)聯(lián)式歸納

4 結(jié)論

（1）豎直管和其他通道內(nèi)超臨界CO2對(duì)流換熱特性的試驗(yàn)研究較水平直管匱乏，大量試驗(yàn)研究都集中在水平直管內(nèi)超臨界CO2對(duì)流換熱特性，建議今后對(duì)不同通道管內(nèi)超臨界CO2換熱特性做深入研究。

（2）在螺旋管內(nèi)超臨界CO2對(duì)流換熱特性的研究中，鮮有看到螺旋管參數(shù)對(duì)超臨界CO2換熱特性的影響，所做研究基本集中在浮升力和離心力對(duì)超臨界CO2對(duì)流換熱特性的影響，并且對(duì)于浮升力的作用還存在一定的分歧，有必要在這方面做進(jìn)一步研究。

（3）從現(xiàn)有的文獻(xiàn)來(lái)看，雖然有大量針對(duì)超臨界CO2對(duì)流換熱特性的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，但研究工況均在小范圍內(nèi)變化，缺少更多工況條件下超臨界CO2試驗(yàn)研究分析。

（4）雖然很多文獻(xiàn)提出了新的超臨界CO2換熱關(guān)聯(lián)式，但是大部分都是針對(duì)特定通道內(nèi)或者特定工況下的對(duì)流換熱，結(jié)果缺乏廣泛性。目前提出適用于不同工況下超臨界CO2的換熱關(guān)聯(lián)式可為開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)高效換熱器提供理論基礎(chǔ)。