CO_2在螺旋管内流动与传热特性实验研究

【摘要】螺旋管因其传热效率高、结构紧凑、加工方便等优点,在高效蒸汽发生器和冷却器、电站锅炉、核反应堆、石油化工、以及制冷空调等领域得到广泛应用。自然工质CO2作为CFCs和HCFCs的替代工质已成为人们研究的热点,在制冷、热泵及低温余热发电系统中,CO2跨临界循环系统具有广阔的应用前景。研究螺旋管内CO2的流动与换热问题对于新型高效换热器的设计与应用具有重要的科学意义和实用价值。在充分考虑超临界以及亚临界状态下、尤其是准临界温度附近C02特殊的热物性变化基础上,本文自行设计并搭建了高压C02流动传热实验研究平台,通过热平衡、阻力与换热校正,验证了实验系统的可靠性,可以在宽广参数范围内深入开展螺旋管内CO2流动换热与阻力特性研究。在螺旋管内超临界压力C02传热特性研究方面,采用低压大电流加热方式,研究了恒热流密度条件下螺旋管内超临界压力C02的传热特性,获取了运行压力、质量流速和热流密度对换热特性的影响规律。结果表明沿程换热系数总体呈先上升后下降的趋势且极大值发生在主流平均温度小于准临界温度而壁温大于准临界温度条件下。通过理论分析,深入揭示了螺旋管中超临界压力C02热边界层发展、工质变物性以及浮升力和离心力的耦合作用规律,并对不同实验工况下的沿程及周向壁温和传热系数分布特性给出机理解释。基于实验获取的2346个实验数据,以准临界温度为界限,分别拟合出适用于低焓值和高焓值区间螺旋管内超临界CO2换热实验关联式。对螺旋管内超临界压力CO2的阻力特性开展研究,分析改变质量流速和热流密度时,摩擦压降、加速压降、重位压降以及摩擦压降与总压降比值的变化情况。发现摩擦因子随着热流密度呈先缓慢降低后升高的趋势。深入揭示浮升力对螺旋管内超临界压力下C02阻力特性影响机理,并提出基于实验数据的摩擦压降关联式。为揭示CO2在螺旋管内流动沸腾时的换热机理,对不同压力以及不同加热功率时,沿管长和横截面周向壁温分布规律进行研究。深入分析CO2流动沸腾时的干度、质量流速、系统J压力以及热流密度对局部沸腾换热的影响。发现螺旋管内壁温周向分布不均匀,指出浮升力和离心力的相对大小是导致周向壁温分布差异的主要原因。局部平均换热系数随热流密度以及进口压力的增加而显著增加,但增大质量流速对换热系数的影响不大,表明核态沸腾是CO2在螺旋管内流动沸腾的主要传热模式而强制对流效应较弱；发现了随着热流密度增加所引起的核态沸腾强度变化以及干涸和再润湿使得换热系数随出口干度的变化可分为三种变化趋势。并发展了本实验参数范围内C02立式螺旋管内流动沸腾传热系数计算关联式。研究了C02在螺旋管内的沸腾阻力特性,结果表明,亚临界压力C02在螺旋管内的摩擦压降随热流密度的升高而增大,而在不同加热功率下随质量流速会有不同变化趋势,整体呈上升而在小功率或较高质量流速出现下降趋势。压力升高时液相和气相之间的密度比减小,进而导致两相相对速度降低、摩擦压降减小。通过对实验数据回归分析,得到全液相摩擦乘子两相阻力关系式。本研究将为高效换热器的发展以及制冷空调领域相关设备的更新换代与新设备的设计开发提供参考依据。
【作者】王淑香；
【导师】徐进良；
【作者基本信息】华北电力大学，可再生能源与清洁能源，2014，博士
【关键词】螺旋管；二氧化碳；超临界；亚临界；传热；摩擦压降；

【参考文献】
[1]田宽.合肥市新型城镇化动力机制研究[D].安徽大学,行政管理,2013,硕士.
[2]王运.邮件处理中心工艺过程计算机仿真[D].大连理工大学,控制工程,2003,硕士.
[3]李为萍.土壤水盐与作物信息空间结构性及其协同关系研究[D].内蒙古农业大学,农业水土工程,2004,硕士.
[4]黄小玮.试论“六书”与对外汉语汉字教学[D].湖南师范大学,汉语国际教育（专业学位）,2014,硕士.
[5]赵少珂.基于宏观调控政策的SDZK房地产公司战略转型研究[D].天津大学,高级工商管理,2013,硕士.
[6]张毓.磁力联轴器的设计及涡流损耗研究[D].浙江大学,电机与电器,2013,硕士.
[7]郭晨.独立书店转型经营模式[D].安徽大学,出版（专业学位）,2014,硕士.
[8]孟嘉.高校网页英译策略研究[D].苏州大学,翻译（专业学位）,2014,硕士.
[9]肖友.水管理体制对水资源可持续利用的作用和影响[J].中国水利.2002(10)
[10]俞德育.中国新一代通信卫星“东方红3号”成功发射并定轨[J].中国新闻科技.1997(04)
[11]刘莉,徐玉生,马志新.数据挖掘中数据预处理技术综述[J].甘肃科学学报,2003,01:117-119.
[12]屈治礼.高维数据可视化研究及在商业智能中的应用[D].江苏科技大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[13]邢乃宁,孙志挥.一种基于粗集理论的分类规则挖掘的实现方法[J].计算机应用,2001,12:29-31.
[14]高艳男.染料敏化太阳电池光阳极的构筑及性能研究[D].哈尔滨工业大学,化学工程与技术,2014,硕士.
[15]林钟高,郑军.基于契约视角的企业内部控制研究[J].会计研究,2007,10:53-61+96.
[16]周明,赵炜,王鹏,李庚银.供电企业运营绩效评估的层次化标尺竞争模型及方法[J].电力系统自动化,2008,04:20-24.
[17]郑贤辉.单幅图像去雨雪的算法研究[D].厦门大学,微电子学与固体电子学,2014,硕士.
[18]高杨.双溶剂法制备的银催化剂及其CO选择性催化氧化性能研究[D].中南民族大学,物理化学,2013,硕士.
[19]吕华益.MT智能建筑公司竞争战略研究[D].大连理工大学,EMBA（专业学位）,2012,硕士.
[20]李洁.沥青路面施工质量的符合性检验及可靠性评价[D].长安大学,道路与铁道工程,2013,硕士.
[21]李跃生,陈孟英.卓越企业的卓越文化(Ⅱ)——对宝钢以质量为核心的企业文化的调研[J].质量与可靠性.2003(06)
[22]闫婷婷.等离子体辅助制备纳米材料理论模拟研究[D].上海交通大学,2013.
[23]张勇.脑瘫儿童心理行为障碍的临床特征及针刺干预的实验研究[D].广州中医药大学,中西医结合临床（专业学位）,2014,博士.
[24]李元丽.硝苯地平微胶囊的制备工艺及性能的研究[D].渤海大学,物理化学,2014,硕士.
[25]孙雅静.基于超声导波的管道腐蚀检测技术研究[D].北京化工大学,控制科学与工程,2013,硕士.
[26]庞廷田.调强治疗计划优化的新方向研究[D].清华大学,生物医学工程（专业学位）,2013,硕士.
[27]周溪溪,宋国华,于雷.面向排放量化的低速区间机动车比功率分布特性与模型[J].环境科学学报,2014,02:336-344.
[28]蒋雷.中国进口大豆定价权研究[D].首都经济贸易大学,国际商务（专业学位）,2013,硕士.
[29]国九英,周兴元,杨慧珠.三维f-x,y域随机噪音衰减[J].石油地球物理勘探,1995,02:207-215+291.
[30]刘天.突发事件中公民知情权的法律保障研究[D].辽宁大学,法律,2012,硕士.
[31]杨宏波.基于成组技术的制造单元规划设计的研究[D].南京航空航天大学,机械电子工程,2004,硕士.
[32]黄浩.虚拟膝关节镜手术中的视觉表现方法研究[D].广东工业大学,机械电子工程,2013,硕士.
[33]李莹.黑龙江省农村居民家庭收入结构研究[D].黑龙江八一农垦大学,农村与区域发展,2014,硕士.
[34]高向华.银/沸石复合抗菌剂的制备及性能研究[D].太原理工大学,材料加工工程,2004,硕士.
[35]吴洪振,唐文升.供电企业客户关系管理系统建设与研究[J].电力信息化,2003,04:81-85.
[36]付增芝.秦腔艺术家杨文颖研究[D].山西师范大学,戏剧戏曲学,2013,硕士.
[37]胡建安.层间隔震加消能减震框架结构的抗震性能分析[D].安徽建筑工业学院,结构工程,2012,硕士.
[38]刘震,王大伟,赵伟,夏庆龙,李丽霞.薄层时移地震差异波形成因类型分析[J].石油地球物理勘探,2007,03:290-295+239-240+362.
[39]伍玲园.树突状细胞在人芽囊原虫感染免疫调节中的作用[D].广西医科大学,病原生物学,2013,硕士.
[40]李贺.包埋脱水法冰冻保存三种饵料金藻的研究[D].辽宁师范大学,植物学,2003,硕士.
[41]于凯民.自动确定聚类个数的模糊聚类算法研究[D].吉林大学,计算机应用技术,2013,硕士.
[42]王亚.论迟子建散文的艺术特质[D].首都师范大学,中国现当代文学,2013,硕士.
[43]胡静.是替代抑或互补？[D].南京大学,企业管理,2013,硕士.
[44]华清.可控硅整流器——一种新型自动化元件[J].自动化学报,1966,03:176-196.
[45]胡沁涵.高校人才招聘系统的设计与实现[D].苏州大学,计算机技术（专业学位）,2013,硕士.
[46]潘书燕,黄飙,陈永华,李永国.110kV变电站变压器差动保护动作原因分析[J].电力系统自动化,2005,19:87-89.
[47]杨文生.基于监管视角的渔业互助保险运营绩效评价研究[D].中国海洋大学,农业经济管理,2014,博士.
[48]完善,俞画屏.关于上电教培中心未来发展的思索[J].中国电力教育.2007(04)
[49]马萍.中国能源消耗强度影响因素分解分析[D].东北大学,数量经济学,2009,硕士.
[50]吴茜.酒店实习生职业价值观及其影响因素研究[D].湖南师范大学,旅游管理,2014,硕士.