超临界压力二氧化碳在竖直细圆管中的强化换热实验研究

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1、超临界压力二氧化碳在竖直细圆管中的强化换热实验研究（申请清华大学工程硕士专业学位论文）培养单位：能源与动力工程系工程领域：动力工程申请人：熊超指导教师：胥蕊娜副教授联合指导教师：张波研究员二○一七年十二月ExperimentalInvestigationofEnhancedHeatTransferofCO2atSuper-criticalPressuresinSmallVerticalTubesThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementfortheprofess

2、ionaldegreeofMasterofEngineeringbyXiongChao（PowerEngineering）ThesisSupervisor:AssociateProfessorXuRuinaAssociateSupervisor:ProfessorZhangBoDecember,2017摘要摘要近年来，超临界压力流体在核能利用、热泵与低温制冷系统、航天航空等领域广泛应用。在高热流或小流量时，超临界压力流体对流换热有可能出现传热恶化，对系统造成重要影响。因此，在已有研究基础上，进一步揭示超临界压力流体在竖直管道内的流动和换热规律，提出抑制传热恶化

3、并强化换热结构，具有重要意义。本文实验研究了超临界压力CO2在内径1mm圆管中的湍流换热特性。实验结果表明，由于超临界压力流体在准临界点附近物性剧烈变化，形成的浮升力抑制了向上流动时的紧贴壁面处湍流掺混，出现了传热恶化现象；对于向下流动，浮升力增强了湍流掺混强度，强化了湍流对流换热。为进一步解决超临界流体在圆管内向上流动的湍流传热恶化问题，本文提出通过内插微小结构来破坏紧贴壁面湍流流场的思路，改变浮升力对贴壁区湍流掺混的抑制，甚至通过内插结构的调控来强化换热。因此，本文设计对于内径为1mm的竖直细圆管中内插螺旋丝结构，进行超临界压力CO2湍流换热实验研究。分别

4、进行了两种不同内插不锈钢螺旋丝结构的实验：（1）不锈钢丝直径0.1mm，螺距1.25mm；（2）不锈钢丝直径0.2mm，螺距1.25mm。在这两种内插螺旋丝直管中，与上述超临界压力CO2在竖直光滑圆管湍流换热相同实验条件下，向上流动湍流换热时的壁面温度沿程单调升高，没有出现局部峰值，且向上流动和向下流动的壁面温度几乎相同。实验结果表明，通过在竖直圆管内插螺旋丝结构，能够有效抑制超临界压力流体向上流动的湍流传热恶化并有效强化换热。与相同实验工况下竖直圆管超临界压力CO2湍流对流换热实验结果相比，在本文传热恶化最严重的工况中，丝径0.1mm强化管的PEC在1.8-

5、5.6之间，丝径0.2mm强化管的PEC在1-1.4之间，丝径0.1mm的螺旋丝具有更好的综合换热性能。关键词：超临界压力二氧化碳；湍流对流换热；强化换热；螺旋丝IAbstractAbstractRecently,thesupercriticalpressurefluidiswidelyusedinnuclearenergyutilization,heatpumpandcryogenicrefrigerationsystems,aerospaceandotherfields.Athighheatfluxdensityconditionsorsmallmassf

6、lowrates,convectiveheattransferofsupercriticalpressurefluidsmaycauseheattransfertodeteriorate,causingsignificanteffectsonthesystem.Therefore,itisnecessarytofurtherrevealthelawsofflowandheattransferofsupercriticalpressurefluidintheverticalpipelinesandthenputforwardstructuretosuppress

7、theheattransferdeteriorationandstrengthentheheattransferbasedontheexistingresearch.Inthispaper,theturbulentconvectiveheattransferofsupercriticalpressureCO2inaverticalsmalltubewithaninnerdiameterof1mmwereexperimentallystudied.Theexperimentalresultsshowedthatduetothedrasticchangeofthe

8、propertiesofsupercr