超临界CO-2在内螺纹管内换热特性

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1、第卷第期工程热物理学报，年月超临界在内螺纹管内换热特性研究刘遵超王珂刘彤杨凤叶曹侃刘敏珊郑州大学河南省过程传热与节能重点实验室，郑州摘要建立了外径为的内螺纹管三维实体模型，使用软件研究了在不同的进口雷诺数和操作压力下超临界二氧化碳在水平内螺纹管内的流动与传热特性。研究表明：不同截面局部换热系数和相同流体局部平均温度下的局部换热系数均随着冷却压力的增大而增大；相同流体局部平均温度下的局部换热系数随着进口雷诺数的增加而增大不同冷却压力和进口雷诺数下，流体局部平均温度越接近超临界二氧化碳的临界点温度，局部换热系数也就越大。关键词超临界二氧化碳；；内螺纹管；数值模拟；换热流动中图分类号

2、：：：文献标识码文章编号；引言为了增强换热性能，换热器内的换热管多采用的存在，增加了管内有效换热面积，加剧了管内流⑷】强化传热管。在制冷和空调领域中考虑到换热设备体的扰动。，增大了流体的紊流度等的尺寸一、重量和成本，目前普遍应用的种强化传随着技术的进步，内螺纹管的管径也在逐步的一热管是内螺纹管。该种换热管，管减小。这些变化般采用铜制造，使得其所能承受的内压逐渐的变大外径一般在之间，管内部有条为内螺纹管在操作压力较高旳超临界二氧化碳制冷°°螺旋角为的螺旋状翅片。翅片的高度（简系统中的应用提供了可能。超临界二氧化碳作为天一般在之间一称齿高），齿顶角般在然制冷剂，具有很好的安全性和良

3、好的热力性能。以°°之间。内螺纹铜管的换热性能优于光管，其前对于超临界二氧化碳传热性能的研究主要集中于⑴，换热效率为光管的倍。正是由于其具有显著对其在微通道管内的流动与换热特性研究对于二，的强化传热的优点。，国内外学者对内螺纹管内流体超临界氧化碳在内螺纹管内的研究并不多见的流动与传热特性以及不同结构参数对传热强化效为了改进超临界二氧化碳制冷系统的性能，有必要果的影响和传热的机理、规律等都进行了大量的研对超临界二氧化碳在内螺纹管内的流动与换热特性究，内螺纹管增强换热的机理包括由于管内翅片进行研究。收稿日期：咎修订日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（作者简介：刘遵超（男，博士

4、研究生主要从事过程装备强化传热与节能技术研究。2期刘遵超等超临界在内螺纹管内换热特性研究本文使用软件对超临界二氧化碳在水平的影响。湍流模型采用模型，压力和速度内螺纹管中的流动和换热特性的影响进行了数值模耦合项采用算法，动量和能量方程的离散拟研究，分析了不同进口雷诺数和冷却压力对超临均采用二阶迎风格式。壁面采用恒壁温设置，温度界二氧化碳在内螺纹管内流动和局部换热特性的影进口采用质量流量进口，进口温度设为二一定的出口为压力出口响。，为超临界氧化碳制冷系统的设计提供参考模拟结果及分析数值挺型及边、界条件对超临界二氧化碳在内螺纹管内冷却压力分、和下模型几何参数别为，进口雷诺数分别为、和

5、时的流动与换热进行了计算。数值模拟采用的是齿形为梯形的内螺纹铜管’计算的结果及分析如下。其结构示意图如图所示。模拟结果与传热关联式的对比文献中给出的超临界二氧化碳在内螺纹管内基于实验数据的关联式为：。—严⑴其中，和为流体局部雷诺数和普朗特数；为流体局部平均温度对应的比定压热容，；为流体近壁面温度对应的比定压热容，一“一。图内螺纹管结构示意图该关联式适用于的情况，为流体局部平均温度压力对应的临界，为流体冷却点温度，。在本文研究的范围内，均大于、可以应用该关联式进行努塞尔数的计算。图为数复杂度：，本文研究内螺纹管的主要结构数如下難拟得到的努塞尔数与使用关联式⑴计管长管外径管内径算得

6、到的努寒尔数⋯的对比图。从图中可以齿高齿数°，齿顶角看出，大部分温度下的误差值在以内，因此数°值模拟的结果可以认为是准确的。实体模型及边界条件根据以上的几何参数建立了内螺纹管的三维实体模型和流体计算区域的模型如图和所示。一图流体计兑区域局部模型平均温度图内螺纹管实体模型图不同截而的局部传热系数二超临界氧化碳的物性参数与压力和温度有关，冷却压力对压降的影响因此在采用计算时采用变物性设置，物性参超临界二氧化碳在不同的冷却压力下，物性参数的输入采用。超临界二氧化碳的物数变化很大，因此对流动压降的影响也比较大。不同性参数由物性计算软件计算得到。模的冷却压力下，压降随进口雷诺数的变化如图

7、所拟选取的内螺纹管水平放置，计算过程考虑浮升力示。从图中可以看出，超临界二氧化碳通过内螺纹404工程热物理学报卷、管的压降随进口雷诺数的增加逐渐变大。由于在本文分别为和越接近临界点，超计算采用的进口温度下，超临界二氧化碳流体的密度临界二氧化碳流体的比热容、导热系数越高，所以图随着冷却压力的增加而增大。从，在相同的雷诺数下进口中的局部传热系数随着温度的升高逐渐变小速度随着冷却压力的增大而减小，越接近临，故此冷却压力为的曲线可以明显看出界点局部传热的压降要比其他两个冷却压力下的压降高。系数上升越