代寶民，李敏霞，呂佳桐，王派，馬一太

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超臨界CO2/R41小通道內(nèi)的換熱特性

代寶民，李敏霞，呂佳桐，王派，馬一太

（天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

對(duì)R41和混合工質(zhì)CO2/R41 (20.5/79.5)、CO2/R41（51.4/48.6）在直徑為2 mm的水平光滑圓管中的超臨界冷卻流動(dòng)換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。質(zhì)量流速范圍為400～800 kg·m-2·s-1，壓力為6.0～8.0 MPa，熱通量為12～48 kW·m-2，流體溫度為20～80℃。3種工質(zhì)的對(duì)流傳熱系數(shù)的極值隨CO2含量的增加而增大，在相同條件下R41的傳熱系數(shù)小于CO2/R41的傳熱系數(shù)?；旌衔锏某R界傳熱系數(shù)變化規(guī)律與純R41相同。實(shí)驗(yàn)條件下，3種流體的傳熱系數(shù)在2～25 kW·m-2·K-1之間，壓力的影響顯著，越接近臨界壓力對(duì)應(yīng)壓力條件下的傳熱系數(shù)極值越高。在遠(yuǎn)離準(zhǔn)臨界點(diǎn)的區(qū)域傳熱系數(shù)隨熱通量變化不明顯，而在準(zhǔn)臨界點(diǎn)附近對(duì)流傳熱系數(shù)的極值隨熱通量的增加而小幅減小。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，有4個(gè)關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)效果較好，誤差均在±30%以內(nèi)，預(yù)測(cè)誤差隨CO2含量的增加而下降。

超臨界CO2；R41；混合物；對(duì)流；換熱；小通道

引 言

歐盟“禁氟令”規(guī)定：自2015年1月1日起，GWP（全球變暖潛能值）大于150的制冷劑停止在家用制冷和冷凍系統(tǒng)使用[1]。對(duì)于耗能較高的制冷空調(diào)領(lǐng)域，傳統(tǒng)制冷劑（HFC，HCFC）由于其較高的GWP，使用量會(huì)逐步消減，直到完全停止使用。為了尋求新型節(jié)能環(huán)保的制冷劑，以下幾種途徑在制冷領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注：①低GWP制冷劑；②自然工質(zhì)；③混合制冷劑[2]。

以R1234yf和R1234ze為代表的新一代制冷劑雖然GWP較低（分別為4和6），但其合成路線復(fù)雜，產(chǎn)量較低，造成現(xiàn)階段價(jià)格較昂貴[3]；自然工質(zhì)如丙烷、丁烷等烴類化合物（HC）由于其較高的可燃性限制了其在大型設(shè)備中的應(yīng)用；氨由于較高的毒性以及近年來事故頻發(fā)，其安全使用也引起制冷界的廣泛討論；CO2由于其優(yōu)良的熱物性及傳輸特性、GWP1、無毒不可燃、易獲取等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具潛力的制冷劑，但其運(yùn)行壓力較高、能效較低的缺點(diǎn)也限制了其廣泛推廣應(yīng)用。Kim等[4-5]、Niu等[6]、Zhang等[7]、Sarkar等[8]、Onaka等[9]和Hakkaki-Fard等[10]的理論及實(shí)驗(yàn)研究表明，將R290、R600、R600a、RE170和R32等制冷劑與CO2按一定比例混合后用于熱泵及制冷系統(tǒng)，可以顯著提升系統(tǒng)的COP（制熱能效比），并且降低系統(tǒng)的運(yùn)行高壓。將CO2與普通工質(zhì)按一定比例混合，既可以降低CO2較高的運(yùn)行壓力，也可以通過CO2的阻燃性提高可燃低GWP工質(zhì)的安全性，并且混合后的制冷劑依然保持較低的GWP，滿足環(huán)保的要求。

R41的物理性質(zhì)與CO2相近，臨界溫度較低（表1），僅為44.1℃，ODP為0，GWP為107，屬低GWP工質(zhì)，但有可燃性。Dai 等[11]對(duì)CO2與10種低GWP工質(zhì)的混合物用于熱泵熱水器進(jìn)行了分析和篩選，結(jié)果表明R41與CO2混合后系統(tǒng)的性能最優(yōu)，在最優(yōu)配比條件下系統(tǒng)COP提高了4%，并大幅降低了運(yùn)行壓力。因此，將R41與CO2混合用于熱泵熱水器是改善CO2系統(tǒng)性能的有效方法。之前的分析[11]表明，將R41與CO2以任意比例混合，其放熱過程均發(fā)生在超臨界狀態(tài)。

表1 CO2及R41的物理性質(zhì)、安全及環(huán)保特性

CO2流體在放熱過程中壓力較高（8～12 MPa），常規(guī)換熱器的承壓能力有限、體積較大，氣冷器的運(yùn)行和制造成本較高。而微小通道換熱器承壓能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、換熱高效，并可減小工質(zhì)充灌量，更加適用于類似CO2等流體的高壓運(yùn)行工況。然而到目前為止R41及其與CO2混合物的換熱數(shù)據(jù)非常少，本文對(duì)純R41以及不同混合比的超臨界CO2/R41流體在水力直徑為2 mm的水平光滑圓管中的換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，為CO2/R41制冷及熱泵系統(tǒng)的氣冷器設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)段如圖1所示。由圖1 (a)可以看到，工質(zhì)由齒輪泵推動(dòng)，通過流量計(jì)后進(jìn)入恒溫水浴加熱，之后進(jìn)入電加熱段繼續(xù)加熱，通過控制電加熱量獲得不同溫度的流體，加熱量用測(cè)功儀測(cè)量。工質(zhì)加熱至預(yù)定溫度后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，與換熱流體換熱后進(jìn)入冷凝器，冷卻至過冷液，流過過濾器進(jìn)入泵入口，完成制冷劑側(cè)循環(huán)。與工質(zhì)進(jìn)行換熱的流體為水，同樣由泵推動(dòng)，流過流量計(jì)后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，與工質(zhì)換熱后進(jìn)入恒溫水浴冷卻，完成換熱流體側(cè)循環(huán)。工質(zhì)側(cè)及水側(cè)的流量均用Coriolis質(zhì)量流量計(jì)測(cè)定。圖1 (b)為實(shí)驗(yàn)段的軸向截面圖，為水平放置同軸套管換熱段，工質(zhì)走管內(nèi)側(cè)，水走管外的環(huán)狀通道，兩側(cè)流體逆向流動(dòng)。與水換熱的有效長(zhǎng)度為480 mm。12根線徑為0.13 mm的T型熱電偶焊接在6個(gè)截面上，每個(gè)截面上下外壁面各布置一根熱電偶以測(cè)量壁面溫度。用鎧裝鉑電阻測(cè)量工質(zhì)側(cè)和水側(cè)進(jìn)出口以及電加熱入口的溫度。用壓力傳感器測(cè)量工質(zhì)進(jìn)出口及電加熱入口的壓力。實(shí)驗(yàn)段的截面圖及尺寸如圖1 (c)所示。測(cè)試物理量的不確定度見表2，可以看到測(cè)量誤差滿足實(shí)驗(yàn)精度的要求。測(cè)試的工質(zhì)包括組分質(zhì)量比為20.5/79.5和51.4/58.6的兩種CO2/R41混合物以及純R41?；旌衔锏慕M分通過文獻(xiàn)[12]中的方法進(jìn)行測(cè)定。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)段

表2 不確定度分析結(jié)果

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

冷卻的熱通量通過水側(cè)換熱量與實(shí)際換熱面積確定

式中，water為水側(cè)換熱量，通過式(2)計(jì)算

超臨界流體在管內(nèi)換熱過程中溫度發(fā)生改變，定義其整體溫度b為

工質(zhì)內(nèi)壁面溫度通過測(cè)得的外壁面溫度推算

假設(shè)工質(zhì)局部溫度b()沿實(shí)驗(yàn)段工質(zhì)流動(dòng)方向線性分布，工質(zhì)側(cè)的局部對(duì)流傳熱系數(shù)為

平均對(duì)流傳熱系數(shù)為

相對(duì)平均偏差（mean absolute error，MAE）通過式(7)計(jì)算

83.6%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的熱平衡在±10%以內(nèi)，其中熱平衡較差的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在準(zhǔn)臨界點(diǎn)（在某一特定超臨界壓力條件下比定壓熱容在某一溫度處存在最大值，這一狀態(tài)點(diǎn)定義為準(zhǔn)臨界點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的溫度為準(zhǔn)臨界溫度）附近，這是因?yàn)樵跍?zhǔn)臨界點(diǎn)附近工質(zhì)的進(jìn)出口溫差較小，并且焓值在準(zhǔn)臨界點(diǎn)附近隨溫度變化劇烈，導(dǎo)致工質(zhì)側(cè)換熱量的測(cè)量誤差較大。工質(zhì)及換熱流體的物性均通過REFPROP 9.0[13]計(jì)算。

2 結(jié)果及討論

2.1 壓力的影響

圖2為純R41、CO2/R41（20.5/79.5）和CO2/R41（51.4/48.6）3種工質(zhì)在壓力為6.0～8.0 MPa時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)隨整體溫度的變化關(guān)系。熱通量恒定為24 kW·m-2，圖2 (a)和圖2 (b)的質(zhì)量流速分別恒定為400 kg·m-2·s-1和800 kg·m-2·s-1?；旌衔锏膫鳠嵯禂?shù)變化規(guī)律與純工質(zhì)相同?？梢钥吹綄?duì)流傳熱系數(shù)隨溫度升高先逐漸增大，在稍高于準(zhǔn)臨界溫度處達(dá)到極大值，圖中的虛線為對(duì)應(yīng)壓力下的準(zhǔn)臨界溫度；而后隨著溫度的進(jìn)一步升高，對(duì)流傳熱系數(shù)逐漸減小。在準(zhǔn)臨界溫度附近對(duì)流傳熱系數(shù)急劇增大，但在遠(yuǎn)離準(zhǔn)臨界溫度時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)隨溫度的變化并不明顯。

圖2 壓力對(duì)傳熱系數(shù)的影響

對(duì)于常規(guī)的管內(nèi)對(duì)流換熱，傳熱系數(shù)隨溫度的變化不明顯，這是因?yàn)榱黧w的物性隨溫度變化較小，但在超臨界壓力條件下流體的物性隨溫度變化劇烈，尤其是在準(zhǔn)臨界點(diǎn)附近。Kim等[14]的分析結(jié)果表明，對(duì)于超臨界流體，邊界層的比定壓熱容對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)影響顯著，較大的比熱容對(duì)應(yīng)較大的對(duì)流傳熱系數(shù)。當(dāng)邊界層的溫度等于準(zhǔn)臨界溫度時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)取得極大值，此時(shí)整體溫度稍高于準(zhǔn)臨界溫度。因此，對(duì)流傳熱系數(shù)出現(xiàn)在稍高于準(zhǔn)臨界溫度處。從圖2還可以看到，壓力越靠近臨界壓力，對(duì)應(yīng)壓力下的傳熱系數(shù)的極值越高，同樣是受比定壓熱容的影響。圖3為不同工質(zhì)的比定壓熱容隨整體溫度的變化規(guī)律，可以看到對(duì)流傳熱系數(shù)的變化趨勢(shì)與比定壓熱容隨溫度的變化一致。

圖3 不同混合物組分對(duì)應(yīng)的比定壓熱容

2.2 質(zhì)量流速的影響

圖4為不同質(zhì)量流速下3種工質(zhì)的對(duì)流傳熱系數(shù)。對(duì)應(yīng)的壓力為7.5 MPa，熱通量恒定為24 kW·m-2。可以看到，對(duì)于3種工質(zhì)，對(duì)流傳熱系數(shù)均隨質(zhì)量流速的增加而增大，并且均在稍高于準(zhǔn)臨界溫度時(shí)取得最大值，不受質(zhì)量流速以及工質(zhì)濃度配比的影響。質(zhì)量流速為800 kg·m-2·s-1與 400 kg·m-2·s-1相比，質(zhì)量流速增大了1倍，對(duì)流傳熱系數(shù)提高了1.9倍左右。這是由于實(shí)驗(yàn)中的工況Reynolds數(shù)（）均大于2300，為湍流流動(dòng)。隨著管內(nèi)的質(zhì)量流速的增加，湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，換熱效果明顯提升。

圖4 質(zhì)量流速對(duì)傳熱系數(shù)的影響

2.3 熱通量的影響

圖5為3種工質(zhì)在壓力為7.0 MPa、質(zhì)量流速為800 kg·m-2·s-1時(shí)不同熱通量下對(duì)應(yīng)的對(duì)流傳熱系數(shù)。在準(zhǔn)臨界溫度附近，對(duì)流傳熱系數(shù)隨熱通量的增加而明顯減小，尤其在對(duì)流傳熱系數(shù)的極值處。這是因?yàn)樵跍?zhǔn)臨界點(diǎn)附近區(qū)域比定壓熱容隨溫度的變化劇烈，熱通量越大，工質(zhì)進(jìn)出口溫差越大，導(dǎo)致在準(zhǔn)臨界點(diǎn)處的平均比熱容越小。由2.1節(jié)的分析可知，對(duì)流傳熱系數(shù)與比定壓熱容的變化趨勢(shì)一致，因此平均比熱容的減小導(dǎo)致對(duì)流傳熱系數(shù)的極值隨熱通量的增加而減小。但在遠(yuǎn)離準(zhǔn)臨界點(diǎn)的區(qū)域，對(duì)流傳熱系數(shù)隨熱通量的變化不明顯。這是因?yàn)樵谶h(yuǎn)離臨界點(diǎn)的區(qū)域流體更接近常規(guī)流體，其物性隨溫度的變化幅度較小，流體的物性對(duì)熱通量的變化不敏感。

圖5 熱通量對(duì)傳熱系數(shù)的影響

2.4 混合物組分的影響

由圖2、圖4和圖5可以看到，對(duì)于純R41、CO2/R41（20.5/79.5）和CO2/R41（51.4/48.6）3種工質(zhì)，在壓力、質(zhì)量流速和熱通量均相同的工況下，CO2/R41（51.4/48.6）的對(duì)流傳熱系數(shù)極值最高，純R41的最低?；旌衔锏呐R界壓力隨CO2含量的增加而升高，3種工質(zhì)的臨界壓力分別為5.897、6.247、6.748 MPa。在壓力相同的條件下，混合物中CO2含量越高，越接近準(zhǔn)臨界壓力，準(zhǔn)臨界點(diǎn)處的定壓比熱容越高。如圖3 (a)和圖3 (b)所示，對(duì)于3種工質(zhì)，在壓力分別為7.0 MPa和7.5 MPa的條件下，CO2/R41（51.4/48.6）比定壓熱容的極值最高。由2.1節(jié)的分析可知，比定壓熱容是決定對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)鍵因素，比定壓熱容越高，對(duì)流傳熱系數(shù)越大。

由圖2 (a)和圖2 (b)也可以看到，壓力為7.0 MPa時(shí)，不同混合比的工質(zhì)對(duì)應(yīng)的對(duì)流傳熱系數(shù)差異明顯，CO2/R41 (51.4/48.6)的對(duì)流傳熱系數(shù)的極值比純R41提高了101%；壓力升高至7.5 MPa后，不同工質(zhì)間的差異縮小，CO2/R41 (51.4/48.6)的對(duì)流傳熱系數(shù)的極值比純R41僅提高了56%，在數(shù)量上同圖3所示的兩個(gè)壓力條件下的比定壓熱容的變化規(guī)律一致。因此，工作壓力越接近臨界壓力，物性變化得越劇烈，超臨界對(duì)流傳熱強(qiáng)度的提升越明顯。

2.5 與換熱關(guān)聯(lián)式比較

為了對(duì)實(shí)際制冷熱泵系統(tǒng)的氣冷器進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，需要精確地預(yù)測(cè)超臨界流體的對(duì)流傳熱系數(shù)。下面選取了12個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行對(duì)比，其中Gnielinski[15]的關(guān)聯(lián)式適用于2300＜＜106的過冷液或過熱氣的湍流流動(dòng)換熱，其他的均適用于超臨界流體的對(duì)流換熱，其中除了Petrov等[16]的關(guān)聯(lián)式適用于CO2、水及氦以外，其余關(guān)聯(lián)式均基于CO2提出。下面對(duì)收集的關(guān)聯(lián)式對(duì)CO2/R41的混合物及純R41的超臨界對(duì)流傳熱系數(shù)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)的平均絕對(duì)誤差見表3?？梢钥吹?，F(xiàn)ang[17]、Pitla等[18]、Dang等[19]、Fang等[20]的關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)效果最好。以上4個(gè)關(guān)聯(lián)式對(duì)純R41的預(yù)測(cè)平均絕對(duì)誤差均在±20%以內(nèi)，CO2/R41（20.5/79.5）的在±25%以內(nèi)，CO2/R41（51.4/48.6）的在±30%以內(nèi)。Gnielinski[15]、Petrov等[16]、Kuang等[21]、Petrov等[22]、Liao等[23]的預(yù)測(cè)結(jié)果偏低，而Yoon等[24]、Huai等[25]、Son等[26]的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值偏離較大。其中Son等[26]對(duì)3種工質(zhì)的預(yù)測(cè)結(jié)果均偏高，對(duì)CO2/R41 (51.4/48.6)的預(yù)測(cè)結(jié)果偏離更加明顯；Yoon等[24]的預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)純R41及CO2/R41（20.5/79.5）的預(yù)測(cè)結(jié)果明顯偏高，但對(duì)CO2/R41（51.4/48.6）的結(jié)果偏低，嚴(yán)重偏離了±30%的誤差線。

表3 關(guān)聯(lián)式計(jì)算的平均絕對(duì)誤差

預(yù)測(cè)較準(zhǔn)確的4個(gè)關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)誤差如圖6所示?？梢钥吹剑瑢?duì)于R41、CO2/R41（20.5/79.5）和CO2/R41（51.4/48.6）3種工質(zhì)的預(yù)測(cè)精度基本均隨CO2含量的增加而降低，其中CO2/R41 (51.4/48.6)的預(yù)測(cè)值較前面兩種更加分散。這是因?yàn)椋S著CO2含量的增加，對(duì)應(yīng)的壓力工況越接近臨界壓力，此時(shí)物性變化越劇烈，對(duì)流傳熱過程中壁溫和流體的溫差較小，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的測(cè)試精度有所降低，造成預(yù)測(cè)精度有所下降。

圖6 換熱關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)結(jié)果

由以上計(jì)算結(jié)果可以看到，雖然兩種工質(zhì)進(jìn)行了混合，但對(duì)于超臨界流動(dòng)換熱基本不存在相變換熱中的傳質(zhì)阻力對(duì)換熱的惡化效應(yīng)。這是因?yàn)槌R界流體呈現(xiàn)一種近似單相流動(dòng)的狀態(tài)，在流動(dòng)過程中兩種工質(zhì)充分混合，在傳熱過程中沒有發(fā)生相態(tài)的變化?？梢詫⑵浣瓶醋饕环N特殊的單相流體：在遠(yuǎn)離準(zhǔn)臨界點(diǎn)的左側(cè)表現(xiàn)為過冷液體，在遠(yuǎn)離準(zhǔn)臨界點(diǎn)的右側(cè)表現(xiàn)為過熱氣體的特性。雖然混合后為非共沸混合物，但超臨界流動(dòng)換熱不發(fā)生相變就不存在氣液相之間的濃度差，不會(huì)導(dǎo)致傳熱惡化。

3 結(jié) 論

對(duì)R41、CO2/R41（20.5/79.5）和CO2/R41（51.4/48.6）在水力直徑為2 mm的水平光滑圓管中的超臨界冷卻流動(dòng)換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。質(zhì)量流速范圍為400～800 kg·m-2·s-1，壓力為6.0～8.0 MPa，熱通量為12～48 kW·m-2，流體溫度為20～80℃。對(duì)壓力、質(zhì)量流速、熱通量和混合組分等因素對(duì)傳熱系數(shù)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論。

（1）3種工質(zhì)超臨界冷卻對(duì)流系數(shù)變化的規(guī)律與其他工質(zhì)一樣，在稍高于準(zhǔn)臨界溫度處出現(xiàn)極大值。實(shí)驗(yàn)條件下，傳熱系數(shù)范圍為2～25 kW·m-2·K-1，在遠(yuǎn)離準(zhǔn)臨界點(diǎn)的區(qū)域小幅度變化，越靠近臨界點(diǎn)變化越劇烈。

（2）壓力對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)的影響明顯，越接近臨界壓力傳熱系數(shù)極值越高。超臨界對(duì)流傳熱系數(shù)隨質(zhì)量流速的增加而增大，質(zhì)量流速由400 kg·m-2·s-1增大至800 kg·m-2·s-1，對(duì)流傳熱系數(shù)平均提高了1.9倍。

（3）在準(zhǔn)臨界點(diǎn)附近，對(duì)流傳熱系數(shù)隨熱通量的增加而減??；在遠(yuǎn)離準(zhǔn)臨界點(diǎn)的區(qū)域，對(duì)流傳熱系數(shù)隨熱通量的變化不明顯。在相同的運(yùn)行壓力下，3種工質(zhì)的對(duì)流傳熱系數(shù)的極值隨R41含量增加而減小。

（4）與實(shí)驗(yàn)值比較，發(fā)現(xiàn)Fang[17]、Pitla等[18]、Dang等[19]、Fang等[20]的關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)效果最好，平均絕對(duì)誤差均在±30%以內(nèi)，但對(duì)3種工質(zhì)的預(yù)測(cè)誤差隨CO2含量的增加而下降。

References

[1] The European Parliament, the Council of the European Union. Regulation (EU) No 517/2014 of the European Parliament and of the Council on fluorinated greenhouse gases and repealing Regulation (EC) No 842/2006 [J]., 2014, 150: 195-230

[2] Miyara A, Onaka Y, Koyama S. Ways of next generation refrigerants and heat pump/refrigeration systems [J]., 2012, 20 (1): 1130002

[3] McLinden M O, Kazakov A F, Steven Brown J, Domanski P A. A thermodynamic analysis of refrigerants: possibilities and tradeoffs for low-GWP refrigerants [J]., 2014, 38: 80-92

[4] Kim J H, Cho J M, Lee I H, Kim M S. Circulation concentration of CO2/propane mixtures and the effect of their charge on the cooling performance in an air-conditioning system [J]., 2007, 30 (1): 43-49

[5] Kim J H, Cho J M, Kim M S. Cooling performance of several CO2/propane mixtures and glide matching with secondary heat transferfluid [J]., 2008, 31 (5): 800-806

[6] Niu B, Zhang Y. Experimental study of the refrigeration cycle performance for the R744/R290 mixtures [J]., 2007, 30 (1): 37-42

[7] Zhang X, Wang F, Fan X, Wei X, Wang F. Determination of the optimum heat rejection pressure in transcritical cycles working with R744/R290 mixture [J]., 2013, 54 (1): 176-184

[8] Sarkar J, Bhattacharyya S. Assessment of blends of CO2with butane and isobutane as working fluids for heat pump applications [J]., 2009, 48 (7): 1460-1465

[9] Onaka Y, Miyara A, Tsubaki K. Experimental study on evaporation heat transfer of CO2/DME mixture refrigerant in a horizontal smooth tube [J]., 2010, 33 (7): 1277-1291

[10] Hakkaki-Fard A, Aidoun Z, Ouzzane M. Applying refrigerant mixtures with thermal glide in cold climate air-source heat pumps [J]., 2014, 62 (2): 714-722

[11] Dai B, Dang C, Li M, Ma Y. Thermodynamic performance assessment of carbon dioxide blends with low-global warming potential (GWP) working fluids used for a heat pump water heater [J]., 2015, DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2014.11.009

[12] Grauso S, Mastrullo R, Mauro A W,. CO2and propane blends: experiments and assessment of predictive methods for flow boiling in horizontal tubes [J]., 2011, 34 (4): 1028-1039

[13] Lemmon E, McLinden M, Huber M. NIST Standard Reference Database 23. Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database (REFPROP) [CP]. Gaithersburg, MD; National Institute of Standards and Technology (NIST), 2010

[14] Kim D E, Kim M H. Two layer heat transfer model for supercritical fluid flow in a vertical tube[J]., 2011, 58(1): 15-25

[15] Gnielinski V. New equations for heat and mass transfer in the turbulent flow in pipes and channels [J]., 1975, 16 (2): 359-368

[16] Petrov N, Popov V. Heat transfer and hydraulic resistance with turbulent flow in a tube of water at supercritical parameters of state [J]., 1988, 35 (10): 577-580

[17] Fang X. Modeling and analysis of gas coolers. Air Conditioning and Refrigeration Center [R]. College of Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign, 1999

[18] Pitla S S, Groll E A, Ramadhyani S. New correlation to predict the heat transfer coefficient during in-tube cooling of turbulent supercritical CO2[J]., 2002, 25 (7): 887-895

[19] Dang C, Hihara E. In-tube cooling heat transfer of supercritical carbon dioxide (Ⅰ): Experimental measurement [J]., 2004, 27 (7): 736-747

[20] Fang X, Xu Y. Modified heat transfer equation for in-tube supercriticalCO2cooling [J]., 2011, 31 (14): 3036-3042

[21] Kuang G, Ohadi M, Dessiatoun S. Semi-empirical correlation of gas cooling heat transfer of supercritical carbon dioxide in microchannels [J]., 2008, 14 (6): 861-870

[22] Petrov N, Popov V. Heat transfer and resistance of carbon dioxide being cooled in the supercritical region [J]., 1985, 32 (3): 131-134

[23] Liao S, Zhao T. Measurements of heat transfer coefficients from supercritical carbon dioxide flowing in horizontal mini/micro channels [J]., 2002, 124 (3): 413-420

[24] Yoon S H, Kim J H, Hwang Y W, Kim M S, Min K, Kim Y. Heat transfer and pressure drop characteristics during the in-tube cooling process of carbon dioxide in the supercritical region [J]., 2003, 26 (8): 857-864

[25] Huai X, Koyama S, Zhao T. An experimental study of flow and heat transfer of supercritical carbon dioxide in multi-port mini channels under cooling conditions [J]., 2005, 60 (12): 3337-3345

[26] Son C H, Park S J. An experimental study on heat transfer and pressure drop characteristics of carbon dioxide during gas cooling process in a horizontal tube [J]., 2006, 29 (4): 539-546

Heat transfer characteristics of supercritical CO2/R41 flowing in mini-channel

DAI Baomin, LI Minxia, Lü Jiatong, WANG Pai, MA Yitai

Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade EnergyMOESchool of Mechanical EngineeringTianjin UniversityTianjinChina

An experiment was conducted to study the heat transfer characteristics of supercritical pure R41, mixtures of CO2/R41 (20.5/79.5), and CO2/R41 (51.4/48.6) cooled in a horizontal smooth mini-channel tube with inner-diameter of 2 mm. Mass flow rate was in the range of 400 to 800 kg·m-2·s-1, pressure changed from 6.0 to 8.0 MPa，heat flux ranged from 12 to 48 kW·m-2and bulk temperature varied from 20℃to 80℃. The maximum heat transfer coefficient () of the three fluids increased with the CO2mass fraction. Additionally,of pure R41 is smaller than that of the mixtures. However,variation tendency of the mixtures is the same as that of pure R41.of the three working fluids are ranging from 2 kW·m-2·K-1to 25 kW·m-2·K-1under the present test condition. The influence of pressure is significant. The closer of the pressure approaches the critical pressure, the higher of the maximumis. The heat flux has little influence onwhen the bulk temperature is far away from the critical temperature. However for the bulk temperature near the critical temperature,increases with the decrease of heat flux. The experimental results are compared with prediction values calculated by twelve correlations. It is concluded that four correlations predicting with good precisions, and the errors are within ±30%. Nevertheless, the prediction errors increase with CO2mass fraction.

supercritical CO2; R41; mixture; convection; heat transfer; mini-channel

2014-09-18.

LI Minxia, tjmxli@tju.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20141404

TK 124

A

0438—1157（2015）03—0924—08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50976075）；天津市科委基金項(xiàng)目（12JCYBJC13800）。

2014-09-18收到初稿，2014-11-19收到修改稿。

聯(lián)系人：李敏霞。第一作者：代寶民（1987—），男，博士研究生。

supported by the National Natural Science Foundation of China (50976075) and the Tianjin Municipal Science and Technology Commission Foundation (12JCYBJC13800)