超临界CO2对流换热特性试验研究进展

王乃心 ，杨大章 ，谢 晶 ，王金锋

（1.上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海 201306；2.上海冷链装备性能与节能评价专业技术服务平台，上海 201306；3.食品科学与工程国家级实验教学示范中心（上海海洋大学），上海 201306；4.上海海洋大学 食品学院，上海 201306）

0 引言

制冷技术在食品生产储藏，化学加工工业以及其他工业应用中具有广泛应用，但由于制冷空调行业采用的CFCs和HCFCs会破坏大气中的臭氧层、产生温室效应，导致全球气候变暖，因而实现CFCs和HCFCs替代成为全世界关注的问题［1］。由于人工合成的制冷剂绝大部分最终都会排放到大气中影响地球环境，因此采用自然工质是一种非常安全的选择。各种不同的自然工质中，水、氨、CO2和碳氢化合物都适用于制冷空调领域。但对比水、氨和碳氢化合物，CO2具有独特的优势：环境友好性、安全性、传热性能和流动性好、容积制冷量大［2］。这些优秀的物理性质使CO2足以成为最好的制冷工质替代品之一。目前CO2已应用于汽车空调、热泵等领域。在传统的制冷循环中，吸热和放热过程均发生在亚临界条件下，制冷剂可以在冷凝器中由气态变为液态，而CO2跨临界循环中，吸热过程仍在亚临界条件下进行，但放热过程发生在超临界压力下，工质的放热过程中没有冷凝液产生，其高压换热器不再是冷凝器，而被称为气体冷却器［3］。在超临界压力下临界区附近CO2的热物理参数随温度变化非常剧烈，近年来国内外学者都致力于研究超临界CO2的对流换热特性。

超临界CO2换热特性试验可分为在冷却条件下和加热条件下进行研究。研究冷却条件下的超临界CO2换热特性，目的是设计出高效的气体冷却器以及了解质量流量、热流密度、入口温度和压力等热物性参数对超临界CO2换热特性的影响。由于在加热条件下热流密度和热加速对传热过程有着显著影响，导致加热条件下超临界CO2换热特性与冷却条件下完全不同。鉴于超临界CO2在热电厂、核电厂以及太阳能发电中的发展前景，对加热条件下超临界CO2换热特性的试验研究就显得尤为重要。除此之外，加热条件下为何会出现传热恶化现象还是个未解之谜，想要解决传热恶化现象，需要进行大量试验研究。本文针对冷却条件下和加热条件下超临界CO2换热特性的试验研究进行综述，并对现存的问题进行讨论。

1 冷却条件下的超临界CO2换热特性

在冷却条件下，当CO2流体温度高于准临界温度而壁温低于准临界温度时，会出现传热增强现象［2］。原因是边界层中总会有一层流体的温度与准临界温度相等，此处流体比热容达到峰值，换热得到强化。冷却条件下超临界CO2对流换热特性的研究主要集中在质量流量、热流密度、入口温度和压力等热物性参数在传热过程中的变化。目前超临界CO2换热特性的研究主要集中在换热管的结构形式上，如直管、螺旋管等。

1.1 直管中超临界CO2换热特性

直管简单易用，已成为管内超临界CO2对流换热特性试验的主要研究对象。Li等［4］研究了内径为2 mm的竖直圆形管内超临界CO2的换热特性，分析了质量流量、浮升力以及流动方向对超临界CO2对流换热特性的影响，发现当雷诺数较高而质量流量较低时，向上流动和向下流动的对流换热系数均随着质量流量的增加而增大；当雷诺数较高且质量流量也较高时，向上流动出现换热恶化，而向下流动中没有出现这种情况。Jiang等［5］对竖直微管中超临界CO2的换热特性进行了数值模拟，得出了与Li等相似的结果，同时指出超临界CO2在微型管中流动时，浮升力的影响微乎其微，热加速是导致在质量流量较高时换热特性异常的主要因素。但也有人给出了不同的结论，Rao等［6］分别分析了有浮升力存在和没有浮升力存在的条件下超临界CO2在竖直微型管中向上流动和向下流动的速度、温度、传热系数以及努塞尔数，发现即使在雷诺数较高的情况下，也不能忽略浮升力的影响。张丽娜等［7］也得出了相同的结论，并总结出了冷却条件下竖直向上流动和竖直向下流动时的换热关联式。近年来对竖直管中超临界CO2的冷却换热特性研究较少，而水平直管的研究较多，如表1所示。

在竖直管的研究中，研究者都是采用与他人的试验数据（管内换热系数）的对比来获取试验结果，这说明了近年来超临界CO2在竖直管内对流换热试验研究的匮乏。而表1中所列出的水平直管中CO2换热特性数值研究中，大多是使用FLUENT软件，基于SST的湍流模型且工况在小范围内变化。其中文献［13］采用的是RANS湍流模型。目前缺乏可靠的试验数据来判断哪种模型能够更好的进行数值模拟，大部分都是对比后选取合适的湍流模型。文献［8，10，13］提出了新的换热关联式。

表1 水平管中超临界CO2换热特性的试验研究

1.2 螺旋管中超临界CO2换热特性

超临界CO2在螺旋管内的传热技术广泛应用于化工领域。Wang等［14］利用SST湍流模型对超临界CO2在竖直螺旋管中的冷却换热特性进行了数值模拟并将结果与水平螺旋管进行了对比，发现水平螺旋管传热系数高于竖直螺旋管，竖直螺旋管中也需要考虑浮升力的作用。吴杨扬［15］基于RNGk-ε湍流模型研究了超临界CO2在水平螺旋管的冷却换热特性并将结果与水平直管进行了对比，螺旋管内流体受离心力、重力及浮升力共同作用产生二次流加强管内流体扰动，使得螺旋管内换热系数大于水平直管内换热系数。崔海亭等［16］采用RNGk-ε湍流模型也得出了相似的结论，同时指出，离心力和浮升力是造成换热系数增大的原因，重力对螺旋管中的对流换热影响不大，并且节距增加到一定程度会削弱换热系数。近几年对螺旋管中超临界CO2冷却换热特性试验研究如表2所示。

表2 螺旋管中超临界CO2换热特性的试验研究

螺旋管内超临界CO2的传热性能研究多为数值模拟，研究者大多使用Fluent软件，基于SST或RNGk-ε的湍流模型，壁面边界条件为恒定壁温。螺旋管中超临界CO2冷却换热特性的影响因素研究集中在浮升力方面，且还存在一定的分歧。文献［15～17］在进行螺旋管研究的同时，还将螺旋管的研究结果与直管做对比，得到的结果更具完善性。此外，上述文献中鲜有提到螺旋管参数对换热特性的影响，有必要对螺旋管结构参数的影响规律开展研究，为换热器的设计优化奠定基础。

1.3 其他通道中超临界CO2换热特性

为了提高超临界CO2换热性能，许多学者对其他通道中超临界CO2换热特性做了研究。刘遵超等［22］模拟了三叶管内超临界CO2的冷却对流换热过程，发现流动方向对超临界CO2管内局部换热系数影响较小，而雷诺数、壁面热流密度以及冷却压力对局部换热系数影响较大。Lei等［23］对水平波浪形微通道内超临界CO2的冷却换热特性和压降进行了数值模拟，发现波浪形微通道较直通道有着明显的传热优势，并且与直通道相比压降略有增加。Xu等［24］和 Han 等［25］研究了竖直蛇形管中超临界CO2的湍流换热特性，通过比较蛇形管和直管在相同工况下的向下流动和向上流动的传热性能，得出受离心力二次流影响，蛇形管传热性能优于直管，并且蛇形管中向下流动的湍流对流传热要好于向下流动，并且无传热恶化现象。崔海亭等［26］和易长乐［27］在不同质量流量下模拟了扭曲水平椭圆管和无扭曲水平椭圆管内超临界CO2冷却换热特性及二次流的变化规律。结果表明，低质量流量下椭圆管具有更强浮升力造成的二次流来强化传热；高质量流量下椭圆管内浮升力作用已经不明显，而扭曲椭圆管具有自身结构所产生的周期性二次流来强化传热；管内的传热系数及压降随着扭曲程度及压扁程度的增大而增大。

2 加热条件下的超临界CO2换热特性

与冷却条件下的传热不同，超临界CO2在加热条件下的对流换热特性比较复杂。当热流密度较高时，超临界CO2在管内加热的换热情况会恶化。超临界流体在螺旋管内的传热技术研究相较于直管内的还很匮乏［28］。王开正［18］采用SST模型模拟分析加热条件下超临界CO2在螺旋管中的换热系数，将结果同冷却条件下的超临界CO2换热系数做对比后，得出冷却下的对流换热系数大于加热下的对流换热系数，又通过分析流场云图后得知壁面热流密度通过影响螺旋管界面热物性来影响换热。顾骞［29］同样对比了加热条件下超临界CO2在直管和螺旋管内的换热特性，探讨了离心力和浮升力对超临界CO2换热特性的影响。结论是直管中在准临界区，浮升力的影响不能忽略；螺旋管中离心力影响整个传热过程，在流体离开准临界区前，浮升力的影响也不能忽略。李洪瑞［30］在非正常重力条件下采用改变流动方向的方法来探讨了浮升力对加热螺旋管内超临界CO2的换热特性的影响，分析了变物性、离心力、浮升力在不同流动方向上对螺旋管内换热的耦合作用。研究发现：微重力和超重力的换热系数随着重力的增加，在准临界区之前的换热系数也相应增加，并且在准临界温度出换热系数达到峰值；无论是水平流动方向还是竖直流动方向，微重力和超重力分别对换热有削弱作用和强化作用，但在准临界点后这种作用并不明显。近年来国内外对加热条件下直管内超临界CO2的换热特性试验研究如表3所示。

表3 加热条件下直管内超临界CO2换热特性的试验研究

这些试验研究中，发现在加热管模型的验证中，文献［19，31］是选取他人的试验数据进行模拟验证，文献［33，34，37］采用与经典经验公式对比管内Nu来得到试验结果。这也说明了目前超临界CO2在加热管内对流换热试验研究的匮乏。

上述大多数文献在研究过程中提到加热条件下会出现传热恶化的现象，为了抑制这种现象，许多学者对不同通道结构内超临界CO2的对流换热进行了了研究。熊超［39］对内插有0.1 mm和内插有0.2 mm不锈钢螺旋丝的内径为1 mm竖直细圆管中超临界CO2对流换热特性展开了试验研究，对比光管管内换热现象后发现，在内插有不锈钢螺旋丝的圆管中，向上流动和向下流动的壁温均沿程升高，没有出现传热恶化，螺旋丝很好的抑制了传热恶化现象。王振川等［40］得出了相同的结论并指出内插螺旋管相对于光管可以提高换热系数二倍以上。朱凤岭［41］对超临界CO2在内径为2 mm的水平内凸圆管中的对流换热进行了试验研究，结论是高热流低流速工况下内凸管与光管均出现传热恶化，但内凸管传热系数高于光管，努塞尔数提高近二倍。近年来对传热恶化现象的试验研究见表4。

表4 加热条件下超临界CO2传热恶化的试验研究

3 超临界CO2流体换热关联式归纳

将上述所有文献中所采用的超临界CO2换热关联式进行整理，如表5所示。从表5可以看出：直管和螺旋管中的换热关联式大多数是在经典换热关联式的基础上，引入临界点附近的物性参数进行修正而得到的；且所有换热关联式与模拟计算值之间的计算误差均在25%以内，但大部分都是针对特定通道内或者特定工况下的对流换热，结果缺乏广泛性。目前提出适用于不同工况下超临界CO2的换热关联式可为开发设计高效换热器提供理论基础。

表5 超临界CO2换热关联式归纳

4 结论

（1）竖直管和其他通道内超临界CO2对流换热特性的试验研究较水平直管匮乏，大量试验研究都集中在水平直管内超临界CO2对流换热特性，建议今后对不同通道管内超临界CO2换热特性做深入研究。

（2）在螺旋管内超临界CO2对流换热特性的研究中，鲜有看到螺旋管参数对超临界CO2换热特性的影响，所做研究基本集中在浮升力和离心力对超临界CO2对流换热特性的影响，并且对于浮升力的作用还存在一定的分歧，有必要在这方面做进一步研究。

（3）从现有的文献来看，虽然有大量针对超临界CO2对流换热特性的试验研究和数值模拟，但研究工况均在小范围内变化，缺少更多工况条件下超临界CO2试验研究分析。

（4）虽然很多文献提出了新的超临界CO2换热关联式，但是大部分都是针对特定通道内或者特定工况下的对流换热，结果缺乏广泛性。目前提出适用于不同工况下超临界CO2的换热关联式可为开发设计高效换热器提供理论基础。