超临界CO2在螺旋管内冷却过程的换热和阻力特性研究

Gas cooler is a key component of transcritical CO2 heat pump system. This project aims to study a new type of helical-coil-in-fluted-tube gas cooler. Both the heat transfer coefficient and the pressure drop characteristics of CO2 during gas cooling process in the helical coiled tube are investigated. Some important design parameters, including mass flux, mass flow rate, inlet temperature, inlet pressure, curvature and non-dimensional coil pitch are experimentally investigated to explore their influences on the heat transfer coefficient and the pressure drop. Experimental data are examined by multiple linear regression method, and then developed new correlations to predict the heat transfer coefficient and the pressure drop of the supercritical CO2 in helical coiled tube. With numerical simulations, the coupling laws between the internal factors such as secondary flow, buoyancy effect and the external factors including diameter, curvature and pitch will be explored to have an in-depth understanding of the mechanism of the convection heat transfer in the supercritical CO2 helical coiled tube. Finally, based on the interactions between heat transfer and pressure drop, the structural optimization design of supercritical CO2 helical coiled tube is carried out by the constrained nonlinear optimization method. This project theoretically develops and riches the heat transfer law and mechanism of the supercritical CO2 in a helical pipe cooling process, and practically provides a scientific basis to promote the CO2 helical-coil-in-fluted-tube gas cooler design and performance.

气体冷却器是跨临界 CO2 热泵系统的关键部件。本项目以新型的缠绕螺旋槽管式气体冷却器为研究对象，对超临界CO2在螺旋管内冷却过程的换热和阻力特性开展深入和系统的研究。通过实验研究包括热流密度、质量流率、进口温度、进口压力、曲率和无量纲螺距等因素对换热和阻力的影响规律，运用多元线性回归方法，对所获得的实验数据进行归纳总结，提出相应的换热及阻力准则关联式；在此基础上，通过数值模拟探讨内部因素如离心力产生的二次流、密度不均导致的浮力效应和外部因素如管径、曲率和螺距之间的耦合规律，深入分析超临界CO2在螺旋管冷却过程中单相换热的机理；最后，基于换热和阻力二者间相互制约关系，引入有约束非线性优化方法对超临界CO2螺旋管进行结构优化设计。本项目在理论上可发展和丰富超临界CO2在螺旋管内冷却过程的换热影响规律和机理，在实践上为推进CO2缠绕式螺旋管气体冷却器的设计和性能改善提供科学依据。

超临界CO2在螺旋管内冷却过程的换热特性对气体冷却器的设计和优化非常重要，为了揭示超临界CO2在螺旋管和直管内的换热特性以及丰富换热的影响规律和机理，本项目进行了实验和理论研究。.在实验研究方面，搭建了超临界CO2在管内换热特性的实验台。研究了超临界CO2在螺旋管和直管内冷却条件下的换热特性。实验压力为P=7.5MPa-9MPa，质量流速为G=79.6kg/m2s-358.1kg/m2s，流体温度为25℃-50℃。分析了质量流速、压力、流体温度对换热的影响。实验结果表明: 螺旋管和直管的换热系数随着质量流速的增加而增大。换热系数峰值点随压力的升高向高温区偏移。当质量流速较小时，换热热系数峰值点出现在准临界温度之前，且浮升力作用加大，流体处于混合对流状态。由于水平螺旋管的浮升力受离心力浮升力和重力浮升力的作用，计算比较复杂，因此引入组合参数来描述换热过程的浮升力。实验结果表明重力浮升力在临界点达到最大值，且在低质量流速下重力浮升力在混合对流过程中起到重要作用。比较了螺旋管和直管的换热系数和重力浮升力，螺旋管的重力浮升力明显要高于直管的，且质量流速越低二者的重力浮升力差值越大。根据已有的实验值提出了螺旋管和直管的经验关联式。98%的实验值分布在拟合公式误差为±20%的范围内。所得到的关联式在实践上为推进CO2缠绕式螺旋管气体冷却器的设计和性能改善提供科学依据。.数值模拟超临界CO2在竖直螺旋管内的换热特性。 分别对加热过程和冷却过程的换热特性、流动方向、螺旋管的倾斜角度以及非地球重力条件对换热特性影响进行了深入的研究。模拟结果表明：SST模型可以比较准确的预测逆压力梯度分离流，使得计算结果与实验数据吻合较好。参数Gr/Re2.7在螺旋管中不能表示浮升力的影响，应该进一步修正。湍流普朗特数Prt对计算结果的影响很小。浮升力对超临界流体在螺旋管向上流动与向下流动的影响差别并不大，而对水平流动的影响较大尤其是在 s/d 为 150 到350 之间（ 即临界温度附近），由于变物性、 浮升力和离心力的耦合作用，导致水平流动上换热系数的震荡。以上的数值模拟发展和丰富了超临界CO2在螺旋管内的换热影响规律和机理，为揭示超临界CO2在螺旋管内的关键参数对换热影响提供了机理和支撑，对于推动超临界CO2气超临界CO2气体冷却器的发展具有重要的意义。

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