超临界二氧化碳在微细管内的换热特性开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1.1 选题的目的及意义
氟里昂等空调制冷剂对臭氧层有严重的破坏作用并且会引发温室效应,而这些工质广泛应用在制冷和空调领域,严重加剧了臭氧层的破坏和温室效应,因此人们需要寻找一种自然工质。作为天然工质的二氧化碳对大气臭氧层没有破坏作用,并且制冷系统其本身并不产生二氧化碳,其在整个系统中只是作为工质,并且其可从工业废气中回收得到[1]
但常温常压下的二氧化碳为气态,其本身作为换热介质的性质并不够优越。自1869年ThomosAndrew 首次发现临界现象以来,超临界流体传热技术的应用已经涉及到化学化工、石油、环保、食品、生物技术、能源、分析等诸多领域,其中超临界流体传热特性一直是能源领域的研究重点之一。超临界二氧化碳也因为超临界流体传热技术的发展而越来越受到重视。超临界流体和常态的气体、液体相比,在热物理性质上有着很大不同。超临界流体具有与常态下的气体相近的粘度,而密度却与常态下的液体接近。这决定了超临界流体具有较大的自扩散力和较小的流动阻力[2]。正是由于超临界流体自身所具备的优良特性,使其越来越受到人们的关注。自20世纪60年代以来,基于超临界流体特性的超临界流体技术得到了迅速发展[3]
微通道换热器最早出现于20世纪80年代,当时较多应用于电子元器件的散热,后逐渐应用汽车空调领域。随着技术的发展和市场的需求,微通道换热器现已在家用及商用空调领域得到广泛应用。所谓微通道换热器,通常是指水力当量直径小于1mm的换热器。微通道换热器采用全铝结构制成,通常由具有多个平行小孔的扁管、铝带开窗折叠成型的翅片以及集流管组成。微通道换热器同现有的管式翅片换热器相比有换热效率高,体积小,重量轻,成本低,制冷剂充注量少等优点[4]。微通道换热器以其高效的换热性能、较低的生产使用成本和紧凑的结构体积,越来越受到空调行业的关注[5],而研究超临界二氧化碳在微细管内的换热特性对微通道换热器的发展是必不可少的,因此对超临界二氧化碳在微细管内的换热特性开展专题研究对于空调行业具有重要意义。
1.2 国内外的研究现状分析
1.2.1国外研究现状分析
国外对超临界二氧化碳传热研究起步较早,理论研究和实验成果丰富。20世纪60年代以来,学者们以水为研究对象,对超临界压力下的流体传热规律进行了大量的研究,开发出以超临界压力锅炉发电机组和核反应堆为背景的超高热流密度换热技术[6]。近年来,超临界二氧化碳在核反应堆的换热方面也获得了较大的研究进展,如Motoaki等[7]基于使用超临界二氧化碳作为工作流体的微通道换热器(MCHE)的实验,得出了一组局部传热系数和压力损失系数的经验相关性。发现Nusselt数的相同相关性适用于两种流体,其值几乎是DittusBoelter相关性的两倍。还表明,上述形式适用于各种几何形状,对于具有S形翅片的MCHE,在9~12.5MPa的压力范围和280~390K的温度范围内,在5%的误差内确认了两种相关性的准确性。基于相关性,还开发了换热器的设计方法。
Pandey等[8]使用了超临界流体的双层热传递模型,使浮力和加速效果得到改善,然后用直接数值模拟(DNS)数据校准结果进行细化,并用可用的SCO2实验数据进行验证。对该模型在预测传热恶化的能力方面定性地改进,并且在平均相对误差的减少方面进行定量地改进。 还进行了参数研究以确定不同变量的影响。发现导热率和粘度对向SCO2的传热具有限制作用。对于给定的直径,入口温度和压力,传热随着质量流量而增加。对于给定的入口条件,具有较小直径的管具有较小的浮力效应。
由于与亚临界压力下完全不同,流体在超临界压力下加热时不发生相变。换言之,气相和液相分界面消失,工质不再历经液态—气液共存区—气态这一相变过程,而是在一瞬间由液体状态转变为超临界状态,同时物性发生急剧变化。通用的传热经验关系式和亚临界压力下沸腾理论不能完全描述超临界压力下流体的传热过程。对于低于临界压力点的区域,有些学者认为此区域是沸腾传热和对流传热的相结合[9],可用传统的换热理论进行解释。针对临界点附近的热传递湍流,Takashi等[10]使用基于与PROPATH结合的预处理方法的数值方法开发了超临界流体模拟器(SFS)。在几种温度条件下计算管中超临界二氧化碳的湍流将计算结果相互比较,并将传热系数与现有实验结果进行了比较。
Pucciarelli等[11] 采用与AHFM模型相关联的k-ε湍流模型进行超临界压力流体传热的分析,用于计算浮力效应和湍流热通量。使用在管中流动的超临界二氧化碳的实验数据,其中操作条件有高低质量的通量值和从相对低的入口温度跨越到高于假临界阈值的值。模型正确地再现了实验数据中出现的一些有趣特征,该模型设法定性地和定量地预测了可靠的壁温趋势。
Rao等[12]对超临界二氧化碳在不同的管型中的流动做了大量的实验,描述了超临界二氧化碳的热流体特性对几个参数的依赖性:管直径,入口压力,入口质量通量,壁热通量和入口温度。主要结论总结如下:大多数研究(数值和实验)表明,传热系数在伪临界点附近达到峰值。而且,在临界点附近,压降最高。在冷却过程中,传热系数随着系统入口压力增加到临界压力以上而降低。当质量通量增加时,传热系数也降低。另一方面,在大多数研究中,观察到内管直径越小,传热系数越高。然而,很少有研究表明,当内管直径减小时,努塞尔数减少。当系统入口压力增加时,系统中的压降减小。然而,它随着质量通量的增加而增加。该综述对于确定超临界区域的二氧化碳的传热和流动特性非常有用。
Mohseni和Bazargan[13]分别使用六种不同的低雷诺数κ-ε湍流模型模拟了超临界CO2和超临界水在管内的对流传热过程。模拟结果显示,六种湍流模型均能模拟出传热强化的存在,但传热系数的峰值会有所不同;与实验数据对比表明,运用CK、MK和CH湍流模型预测传热系数最佳。
1.2.2国内发展状况
国内对超临界二氧化碳传热研究起步较晚。饶政华和廖胜明[14,15]运用数值模拟的方法分别对超临界CO2在细微圆管、微通道气体冷却器和水平三角细微管中的流动与换热进行了分析。通过模拟发现,超临界CO2在定热通量条件下于水平细微管内作层流流动时,由密度差引发的浮升力可以起到强化传热的作用;超临界CO2在竖直微通道管内作湍流流动时,提高流体的质量流量或增大管内外的温差可增大M数;提高压力、减小管径或増加流程数均可以增大气体冷却器中的换热量;超临界CO2在水平等边三角细微管内冷却换热时,顶角向上管更有利于强化换热,在拟临界区附近,顶角向下管也能够加强局部的换热。
张丽娜等[16] 对冷却条件下竖直管内超临界二氧化碳的传热特性进行了
模拟研究,分析了不同管径、进口雷诺数及不同的热流率对超临界二氧化碳对流换热的影响,考察管内局部流体温度、湍动能、湍流雷诺数的变化。湍流模型采用低雷诺数YS模型。研究表明,在临界温度区域比较大的截面。超临界二氧化碳局部传热系数达到最大值,同时管内传热受湍流雷诺数影响较大。
王珂等[1] 建立了内径为1.31 mm单管的三维模型,使用CFD软件Fluent分析了超临界二氧化碳在竖直微细管道内的换热特性,并对热通量、进口质量流速、流动方向和压力对超临界二氧化碳换热和压降的影响进行了研究。数值结果表明:增加进口质量流量能够使壁面边界层减薄,增强换热效果。改变热通量的大小对超临界二氧化碳换热和压降影响很小。由于重力和浮升力的影响,流动方向对换热性能的影响较大,流体竖直向上流动时的传热系数大于竖直向下和水平方向流动时的传热系数。
在先行研究中,对于超临界二氧化碳的流动和换热特性做了大量的研究。但是对于微细管内的特性研究还缺乏较为全面和细致的模拟实验,其结果对超临界二氧化碳高效紧凑式换热器的设计与优化有重要的意义。本文以超临界二氧化碳,微细管为研究对象,使用Fluent软件对对超临界二氧化碳(SCO2)在微细管内流动换热进行数值模拟,掌握SCO2在微细管内的传热特性,分析SCO2在不同质量流率、热流密度、工作压力下的换热特性,以期建立合理的理论分析模型。


2. 研究的基本内容与方案

2.1 以流体力学为理论基础,用有限体积法的分析方式,进行质量流率、热流密度、工作压力对于以超临界二氧化碳为工质的微细管传热系数影响的数值模拟。

2.2 借助ansys workbench分析软件,建立sco2微细管传热数值模拟的模型。

2.3 应用fluent求解当入口雷诺数,冷壁面温度等参数发生变化是,壁面传热系数延管的分布规律。

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3. 研究计划与安排

2019年02月16日--02月28日: 调研,拟定提纲,完成《开题报告》。

2019年03月01日--03月10日: 阅读参考文献,熟悉计算流体力学数值仿真的基本流程

2019年03月11日--03月20日: 建立sco2微细管传热数值模拟的模型。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] 王珂, 谢金, 刘遵超, et al. 超临界二氧化碳在微细管内的换热特性[j]. 化工学报, 2014, 65(s1): 323-327.

[2] 王英杰. 超临界流体传热特性研究综述 [j]. 科技导报, 2012, 30(33): 74-79.

[3] 李发旺, 李赞忠. 超临界流体技术及应用现状[j]. 内蒙古石油化工, 2014, 40(23): 92-94.

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