超臨界流體在螺旋管內的對流換熱研究進展

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(合肥通用機械研究院有限公司 傳熱技術與裝備研究所，合肥 230031)

符號說明：

Bo*——邦德數；

cp——比定壓熱容，J/(kg·K)；

D——螺旋管外徑，mm；

d——螺旋管內徑，mm；

G——質量流量，kg/(m2·s)；

Gr——格拉曉夫數，Gr=gβd3(tw-tb)/υ2；

Gr*——格拉曉夫數，Gr*=gβd4qw/(λυ2);

g——重力加速度，m/s2；

h——管內傳熱系數，W/(m2·K)；

K——總傳熱系數，W/(m2·K)；

l——管長，mm；

m——質量流率，kg/s；

N——圈數；

Nu——努塞爾數，Nu=hd/λ；

P——螺距，mm；

Pr——普朗特數，Pr=cpμ/λ；

p——進口壓力，MPa；

q——熱流密度，kW/m2；

R——螺旋半徑，mm；

Re——雷諾數，Re=Gd/μ；

Ri——理查森數，Ri=Gr/Re2；

T——溫度，K；

β——容積熱膨脹系數，K-1；

δ——無量綱曲率，δ=d/2R；

λ——熱導率，W/(m·K)；

μ——黏度，Pa·s；

υ——運動黏度，m2/s；

ρ——密度，kg/m3；

Φ——離心浮升力效應與重力浮升力效應的比值；

b——下標,主流；

c——下標,離心的；

CT——下標,螺旋管；

g——下標,重力的；

in——下標,入口；

pc——下標,擬臨界點；

w——下標,壁面；

wi——下標,管內壁。

0 引言

超臨界流體是溫度和壓力均高于臨界點的流體，在臨界點附近其熱物性變化非常劇烈，處于超臨界狀態時其氣液兩相性質非常接近，密度接近液體，而黏度與擴散性接近氣體，在換熱管束內有良好的流動傳輸特性。超臨界流體由于具有特殊的傳熱與流動性能，在能源、醫藥、化工、食品及環保等諸多領域被廣泛應用[1-3]。迄今，超臨界換熱已經成為一個研究熱點，學者們對超臨界流體在不同管道內的對流換熱特性開展了廣泛的研究[4-22]。但是，目前的研究大多集中于直管(包括圓管、方管、光管、強化管)等簡單通道。

螺旋管是一種常見的強化傳熱管道。流體在螺旋管內運動時，由于離心力的存在，將在與其主流流動方向垂直的截面內產生二次流，即所謂的迪恩渦。這種二次流動能夠增加流體的湍動和混合程度，從而增大換熱速率和摩擦損失[23-24]。目前，無論是在換熱器、超濾、精餾、吸收過程、化學反應器、冷卻盤管、混合器、核反應堆等工業領域；……