流动方向对超临界二氧化碳流动传热特性的影响

作者：程亮元; 徐进良^*

来源：Acta Physica Sinica, 2023, 1-21.

• 超临界二氧化碳
• 流动传热
• 拟沸腾
• 传热恶化

本文基于拟沸腾理论研究了超临界二氧化碳(sCO2)在水平和垂直向上管(φ8 mm ?2 mm)中的流动和传热特性差异。实验条件为：质量流量G=496～1100 kg/m2s；热流密度qw=54.4～300.2 kW/m2；压力P=7.531～20.513 MPa。比较了不同质量通量、热流密度和压力下水平管与垂直向上管的流动和换热特性差异。与以往超临界流体的经典单相流体假设不同，本文引入拟沸腾理论来处理sCO2在两管中的流动和传热，将超临界流体视为多相结构，包括近壁区的类气(Vapor-like， VL)层和管芯中的类液(Liquid-like， LL)流体。结果表明：1)传热方面：在正常传热模式下垂直向上管内壁温和水平管底母线内壁温基本一致。当垂直向上管发生传热恶化时，垂直向上管的壁温峰值会随着超临界沸腾数(Supercritical boiling number， SBO)的增大超过对应焓值位置的水平管顶母线内壁温。垂直向上管中SBO (SBO=5.126×10-4)区分了正常传热和传热恶化。而在水平管中，当弗劳得数(Froude number， Frave)小于100时，SBO主导顶底壁面最大壁温差(ΔTmax)。相比于垂直向上管，相同压力下的超临界流体在水平管内发生传热恶化需要更高的热流密度和质量流量的比值(qw/G)。2)流动方面：引起垂直向上管压降斜率增高的机理是孔口收缩效应。主导水平管压降变化的机理是分层效应，并用Frave在水平管中顶底壁温差异与压降之间建立联系。

• 单位
  华北电力大学