超臨界CO2水平螺旋管內(nèi)對流換熱的數(shù)值模擬

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(河北科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050018)

0 引言

以二氧化碳工質(zhì)作為制冷劑的跨臨界熱泵機(jī)組,因其對臭氧層無破壞(ODP=0)、溫室效應(yīng)潛能極小(GWP=1)；系統(tǒng)穩(wěn)定性高、安全性好、結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小；并且具有較高的制熱能效比而引起廣泛的關(guān)注與研究[1-8]。近年來，為充分發(fā)揮熱泵熱水器高效、節(jié)能和環(huán)保的特點(diǎn)，CO2作為制冷劑再次引起了行業(yè)的重視，并且在我國發(fā)展迅速，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，如何提高CO2作為制冷劑在熱泵系統(tǒng)中的換熱性能便成為了重點(diǎn)研究方向。近年來,超臨界CO2在換熱管中的研究頗多，其中，更多的是針對直管中的換熱特性和阻力特性研究[9-11]，而其在螺旋管中的流動換熱的研究相對較少。

Zhang等[12]采用數(shù)值模擬的方法，研究了超臨界CO2在水平圓管內(nèi)的對流換熱特性，并與工質(zhì)水在水平圓管的流動進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，超臨界CO2的邊界層更薄、粘度更低、比熱容更大，從而使超臨界CO2有更好的換熱效果。靳遵龍等[13]采用Y-S低雷諾數(shù)模型對超臨界CO2在直徑100 μm的水平管內(nèi)冷卻對流換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示,對流換熱系數(shù)隨進(jìn)口雷諾數(shù)的增大而增大,換熱系數(shù)峰值出現(xiàn)在CO2準(zhǔn)臨界溫度點(diǎn)附近。楊傳勇等[14]采用數(shù)值模擬的方法，研究了超臨界CO2在直徑0.5 mm、長度1 000 mm的各種傾斜角度的直管中的冷卻對流換熱性能，并研究了浮升力對換熱的影響。王淑香等[15-16]研究了超臨界CO2在豎直螺旋管中的流動換熱特性，結(jié)果表明，沿程換熱系數(shù)先上升、后下降，熱邊界層變薄是換熱強(qiáng)化的主要原因，比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)下降是對流換熱系數(shù)減小的主要因素。……