超临界二氧化碳在套管内换热的实验研究

　　传统制冷剂有明显的臭氧层破坏作用和较高的全球变暖值。作为一种无毒、不燃、安全、经济、资源丰富的自然制冷剂，二氧化碳最有希望应用于汽车空调、热泵、食品冷藏和船舶制冷等系统中，同时在超导机械及超级计算机冷却等领域也具有极为广阔的应用前景^[1]。

　　超临界二氧化碳与常规亚临界流体的传热与流动特性有很大差异，对超临界流体的研究从上世纪50年代就已经开始了，主要涉及到核电站或火箭的冷却^[2]。近年来许多学者对超临界二氧化碳换热进行了实验研究^[3-5]_，得出了很多关联式，并得出二氧化碳的质量流量，温度，压力等对换热有很大影响。

　　文章研究了超临界二氧化碳在套管内流动时管内压力、质量流量和冷却水流量等参数的变化对换热特性的影响，为气体冷却器的设计提供了理论依据。

　　1 实验装置和实验研究方法

　　实验台示意图如图1所示。二氧化碳闭路循环系统主要由冷凝储罐、计量泵、稳压罐、预热器、预冷器、缓冲器、汇流排、二氧化碳高压气瓶和旁通支路阀门等组成。

　　实验的套管的内管为不绣钢管，规格为Φ6mm×1.1mm，长4000mm的无缝不锈钢管，具体材质为1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢，CO₂制冷剂在管内流动;外管为Φ16mm×1mm的紫铜管，环隙中的水和CO2流动方向相反。实验段前、后分别预留了300mm的流动稳定段。为了减少实验测试段与外界的热交换，套管外用厚度为9mm的橡塑套管保温，将实验测试段分为8个单元，每段间隔分别为200mm、600mm、600mm、600mm、600mm、600mm、600mm和200mm处接一铜-康铜热电偶测量管内水温，共有11个，如图2所示。在实验段进出口分别布置2个铠装热电偶，用于测量管内CO₂的进出口温度。入水管和出水管的管径均为外径16mm、内径14mm，分别布置了2个铜-康铜热电偶来测量进、出口水的温度，用0.1℃刻度标准水银温度计作为标准仪表对所有热电偶进行标定，误差范围为±0.2℃。此外，为了使得压力值测量的更加准确，在实验段入口安装了精度为±0.3%的高精度压力变送器和精度为±0.25%的差压变送器，用于测量实验测试段的压力和压降。流量计采用的是科里奥利流量计，测量范围10kg/h~100kg/h,测量精度为±0.2%零点稳定度，最高测压为25MPa。

　　2 实验数据处理

　　当实验段的压力、温度和流量稳定一段时间后，可认为实验段的传热过程为稳态过程。在实验中每一工况都需要稳定足够的时间，使各参数趋于稳定。由于CO₂在临界区物性变化非常大，对于每段的热流密度，应按水侧的换热量计算，在稳定状态，近似的认为不锈钢管壁为稳态导热，其内壁的热流密度：