王乃心 ，楊大章 ，謝 晶 ，王金鋒

（1.上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306；2.上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評(píng)價(jià)專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 201306；3.食品科學(xué)與工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（上海海洋大學(xué)），上海 201306；4.上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海 201306）

0 引言

制冷技術(shù)在食品生產(chǎn)儲(chǔ)藏，化學(xué)加工工業(yè)以及其他工業(yè)應(yīng)用中具有廣泛應(yīng)用，但由于制冷空調(diào)行業(yè)采用的CFCs和HCFCs會(huì)破壞大氣中的臭氧層、產(chǎn)生溫室效應(yīng)，導(dǎo)致全球氣候變暖，因而實(shí)現(xiàn)CFCs和HCFCs替代成為全世界關(guān)注的問題［1］。由于人工合成的制冷劑絕大部分最終都會(huì)排放到大氣中影響地球環(huán)境，因此采用自然工質(zhì)是一種非常安全的選擇。各種不同的自然工質(zhì)中，水、氨、CO2和碳?xì)浠衔锒歼m用于制冷空調(diào)領(lǐng)域。但對(duì)比水、氨和碳?xì)浠衔?，CO2具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：環(huán)境友好性、安全性、傳熱性能和流動(dòng)性好、容積制冷量大［2］。這些優(yōu)秀的物理性質(zhì)使CO2足以成為最好的制冷工質(zhì)替代品之一。目前CO2已應(yīng)用于汽車空調(diào)、熱泵等領(lǐng)域。在傳統(tǒng)的制冷循環(huán)中，吸熱和放熱過程均發(fā)生在亞臨界條件下，制冷劑可以在冷凝器中由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，而CO2跨臨界循環(huán)中，吸熱過程仍在亞臨界條件下進(jìn)行，但放熱過程發(fā)生在超臨界壓力下，工質(zhì)的放熱過程中沒有冷凝液產(chǎn)生，其高壓換熱器不再是冷凝器，而被稱為氣體冷卻器［3］。在超臨界壓力下臨界區(qū)附近CO2的熱物理參數(shù)隨溫度變化非常劇烈，近年來國內(nèi)外學(xué)者都致力于研究超臨界CO2的對(duì)流換熱特性。

超臨界CO2換熱特性試驗(yàn)可分為在冷卻條件下和加熱條件下進(jìn)行研究。研究冷卻條件下的超臨界CO2換熱特性，目的是設(shè)計(jì)出高效的氣體冷卻器以及了解質(zhì)量流量、熱流密度、入口溫度和壓力等熱物性參數(shù)對(duì)超臨界CO2換熱特性的影響。由于在加熱條件下熱流密度和熱加速對(duì)傳熱過程有著顯著影響，導(dǎo)致加熱條件下超臨界CO2換熱特性與冷卻條件下完全不同。鑒于超臨界CO2在熱電廠、核電廠以及太陽能發(fā)電中的發(fā)展前景，對(duì)加熱條件下超臨界CO2換熱特性的試驗(yàn)研究就顯得尤為重要。除此之外，加熱條件下為何會(huì)出現(xiàn)傳熱惡化現(xiàn)象還是個(gè)未解之謎，想要解決傳熱惡化現(xiàn)象，需要進(jìn)行大量試驗(yàn)研究。本文針對(duì)冷卻條件下和加熱條件下超臨界CO2換熱特性的試驗(yàn)研究進(jìn)行綜述，并對(duì)現(xiàn)存的問題進(jìn)行討論。

1 冷卻條件下的超臨界CO2換熱特性

在冷卻條件下，當(dāng)CO2流體溫度高于準(zhǔn)臨界溫度而壁溫低于準(zhǔn)臨界溫度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)傳熱增強(qiáng)現(xiàn)象［2］。原因是邊界層中總會(huì)有一層流體的溫度與準(zhǔn)臨界溫度相等，此處流體比熱容達(dá)到峰值，換熱得到強(qiáng)化。冷卻條件下超臨界CO2對(duì)流換熱特性的研究主要集中在質(zhì)量流量、熱流密度、入口溫度和壓力等熱物性參數(shù)在傳熱過程中的變化。目前超臨界CO2換熱特性的研究主要集中在換熱管的結(jié)構(gòu)形式上，如直管、螺旋管等。

1.1 直管中超臨界CO2換熱特性

直管簡單易用，已成為管內(nèi)超臨界CO2對(duì)流換熱特性試驗(yàn)的主要研究對(duì)象。Li等［4］研究了內(nèi)徑為2 mm的豎直圓形管內(nèi)超臨界CO2的換熱特性，分析了質(zhì)量流量、浮升力以及流動(dòng)方向?qū)ΤR界CO2對(duì)流換熱特性的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷諾數(shù)較高而質(zhì)量流量較低時(shí)，向上流動(dòng)和向下流動(dòng)的對(duì)流換熱系數(shù)均隨著質(zhì)量流量的增加而增大；當(dāng)雷諾數(shù)較高且質(zhì)量流量也較高時(shí)，向上流動(dòng)出現(xiàn)換熱惡化，而向下流動(dòng)中沒有出現(xiàn)這種情況。Jiang等［5］對(duì)豎直微管中超臨界CO2的換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了與Li等相似的結(jié)果，同時(shí)指出超臨界CO2在微型管中流動(dòng)時(shí)，浮升力的影響微乎其微，熱加速是導(dǎo)致在質(zhì)量流量較高時(shí)換熱特性異常的主要因素。但也有人給出了不同的結(jié)論，Rao等［6］分別分析了有浮升力存在和沒有浮升力存在的條件下超臨界CO2在豎直微型管中向上流動(dòng)和向下流動(dòng)的速度、溫度、傳熱系數(shù)以及努塞爾數(shù)，發(fā)現(xiàn)即使在雷諾數(shù)較高的情況下，也不能忽略浮升力的影響。張麗娜等［7］也得出了相同的結(jié)論，并總結(jié)出了冷卻條件下豎直向上流動(dòng)和豎直向下流動(dòng)時(shí)的換熱關(guān)聯(lián)式。近年來對(duì)豎直管中超臨界CO2的冷卻換熱特性研究較少，而水平直管的研究較多，如表1所示。

在豎直管的研究中，研究者都是采用與他人的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（管內(nèi)換熱系數(shù)）的對(duì)比來獲取試驗(yàn)結(jié)果，這說明了近年來超臨界CO2在豎直管內(nèi)對(duì)流換熱試驗(yàn)研究的匱乏。而表1中所列出的水平直管中CO2換熱特性數(shù)值研究中，大多是使用FLUENT軟件，基于SST的湍流模型且工況在小范圍內(nèi)變化。其中文獻(xiàn)［13］采用的是RANS湍流模型。目前缺乏可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來判斷哪種模型能夠更好的進(jìn)行數(shù)值模擬，大部分都是對(duì)比后選取合適的湍流模型。文獻(xiàn)［8，10，13］提出了新的換熱關(guān)聯(lián)式。

表1 水平管中超臨界CO2換熱特性的試驗(yàn)研究

1.2 螺旋管中超臨界CO2換熱特性

超臨界CO2在螺旋管內(nèi)的傳熱技術(shù)廣泛應(yīng)用于化工領(lǐng)域。Wang等［14］利用SST湍流模型對(duì)超臨界CO2在豎直螺旋管中的冷卻換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬并將結(jié)果與水平螺旋管進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)水平螺旋管傳熱系數(shù)高于豎直螺旋管，豎直螺旋管中也需要考慮浮升力的作用。吳楊揚(yáng)［15］基于RNGk-ε湍流模型研究了超臨界CO2在水平螺旋管的冷卻換熱特性并將結(jié)果與水平直管進(jìn)行了對(duì)比，螺旋管內(nèi)流體受離心力、重力及浮升力共同作用產(chǎn)生二次流加強(qiáng)管內(nèi)流體擾動(dòng)，使得螺旋管內(nèi)換熱系數(shù)大于水平直管內(nèi)換熱系數(shù)。崔海亭等［16］采用RNGk-ε湍流模型也得出了相似的結(jié)論，同時(shí)指出，離心力和浮升力是造成換熱系數(shù)增大的原因，重力對(duì)螺旋管中的對(duì)流換熱影響不大，并且節(jié)距增加到一定程度會(huì)削弱換熱系數(shù)。近幾年對(duì)螺旋管中超臨界CO2冷卻換熱特性試驗(yàn)研究如表2所示。

表2 螺旋管中超臨界CO2換熱特性的試驗(yàn)研究

螺旋管內(nèi)超臨界CO2的傳熱性能研究多為數(shù)值模擬，研究者大多使用Fluent軟件，基于SST或RNGk-ε的湍流模型，壁面邊界條件為恒定壁溫。螺旋管中超臨界CO2冷卻換熱特性的影響因素研究集中在浮升力方面，且還存在一定的分歧。文獻(xiàn)［15～17］在進(jìn)行螺旋管研究的同時(shí)，還將螺旋管的研究結(jié)果與直管做對(duì)比，得到的結(jié)果更具完善性。此外，上述文獻(xiàn)中鮮有提到螺旋管參數(shù)對(duì)換熱特性的影響，有必要對(duì)螺旋管結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律開展研究，為換熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1.3 其他通道中超臨界CO2換熱特性

為了提高超臨界CO2換熱性能，許多學(xué)者對(duì)其他通道中超臨界CO2換熱特性做了研究。劉遵超等［22］模擬了三葉管內(nèi)超臨界CO2的冷卻對(duì)流換熱過程，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)方向?qū)ΤR界CO2管內(nèi)局部換熱系數(shù)影響較小，而雷諾數(shù)、壁面熱流密度以及冷卻壓力對(duì)局部換熱系數(shù)影響較大。Lei等［23］對(duì)水平波浪形微通道內(nèi)超臨界CO2的冷卻換熱特性和壓降進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)波浪形微通道較直通道有著明顯的傳熱優(yōu)勢(shì)，并且與直通道相比壓降略有增加。Xu等［24］和 Han 等［25］研究了豎直蛇形管中超臨界CO2的湍流換熱特性，通過比較蛇形管和直管在相同工況下的向下流動(dòng)和向上流動(dòng)的傳熱性能，得出受離心力二次流影響，蛇形管傳熱性能優(yōu)于直管，并且蛇形管中向下流動(dòng)的湍流對(duì)流傳熱要好于向下流動(dòng)，并且無傳熱惡化現(xiàn)象。崔海亭等［26］和易長樂［27］在不同質(zhì)量流量下模擬了扭曲水平橢圓管和無扭曲水平橢圓管內(nèi)超臨界CO2冷卻換熱特性及二次流的變化規(guī)律。結(jié)果表明，低質(zhì)量流量下橢圓管具有更強(qiáng)浮升力造成的二次流來強(qiáng)化傳熱；高質(zhì)量流量下橢圓管內(nèi)浮升力作用已經(jīng)不明顯，而扭曲橢圓管具有自身結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的周期性二次流來強(qiáng)化傳熱；管內(nèi)的傳熱系數(shù)及壓降隨著扭曲程度及壓扁程度的增大而增大。

2 加熱條件下的超臨界CO2換熱特性

與冷卻條件下的傳熱不同，超臨界CO2在加熱條件下的對(duì)流換熱特性比較復(fù)雜。當(dāng)熱流密度較高時(shí)，超臨界CO2在管內(nèi)加熱的換熱情況會(huì)惡化。超臨界流體在螺旋管內(nèi)的傳熱技術(shù)研究相較于直管內(nèi)的還很匱乏［28］。王開正［18］采用SST模型模擬分析加熱條件下超臨界CO2在螺旋管中的換熱系數(shù)，將結(jié)果同冷卻條件下的超臨界CO2換熱系數(shù)做對(duì)比后，得出冷卻下的對(duì)流換熱系數(shù)大于加熱下的對(duì)流換熱系數(shù)，又通過分析流場云圖后得知壁面熱流密度通過影響螺旋管界面熱物性來影響換熱。顧騫［29］同樣對(duì)比了加熱條件下超臨界CO2在直管和螺旋管內(nèi)的換熱特性，探討了離心力和浮升力對(duì)超臨界CO2換熱特性的影響。結(jié)論是直管中在準(zhǔn)臨界區(qū)，浮升力的影響不能忽略；螺旋管中離心力影響整個(gè)傳熱過程，在流體離開準(zhǔn)臨界區(qū)前，浮升力的影響也不能忽略。李洪瑞［30］在非正常重力條件下采用改變流動(dòng)方向的方法來探討了浮升力對(duì)加熱螺旋管內(nèi)超臨界CO2的換熱特性的影響，分析了變物性、離心力、浮升力在不同流動(dòng)方向上對(duì)螺旋管內(nèi)換熱的耦合作用。研究發(fā)現(xiàn)：微重力和超重力的換熱系數(shù)隨著重力的增加，在準(zhǔn)臨界區(qū)之前的換熱系數(shù)也相應(yīng)增加，并且在準(zhǔn)臨界溫度出換熱系數(shù)達(dá)到峰值；無論是水平流動(dòng)方向還是豎直流動(dòng)方向，微重力和超重力分別對(duì)換熱有削弱作用和強(qiáng)化作用，但在準(zhǔn)臨界點(diǎn)后這種作用并不明顯。近年來國內(nèi)外對(duì)加熱條件下直管內(nèi)超臨界CO2的換熱特性試驗(yàn)研究如表3所示。

表3 加熱條件下直管內(nèi)超臨界CO2換熱特性的試驗(yàn)研究

這些試驗(yàn)研究中，發(fā)現(xiàn)在加熱管模型的驗(yàn)證中，文獻(xiàn)［19，31］是選取他人的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬驗(yàn)證，文獻(xiàn)［33，34，37］采用與經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比管內(nèi)Nu來得到試驗(yàn)結(jié)果。這也說明了目前超臨界CO2在加熱管內(nèi)對(duì)流換熱試驗(yàn)研究的匱乏。

上述大多數(shù)文獻(xiàn)在研究過程中提到加熱條件下會(huì)出現(xiàn)傳熱惡化的現(xiàn)象，為了抑制這種現(xiàn)象，許多學(xué)者對(duì)不同通道結(jié)構(gòu)內(nèi)超臨界CO2的對(duì)流換熱進(jìn)行了了研究。熊超［39］對(duì)內(nèi)插有0.1 mm和內(nèi)插有0.2 mm不銹鋼螺旋絲的內(nèi)徑為1 mm豎直細(xì)圓管中超臨界CO2對(duì)流換熱特性展開了試驗(yàn)研究，對(duì)比光管管內(nèi)換熱現(xiàn)象后發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)插有不銹鋼螺旋絲的圓管中，向上流動(dòng)和向下流動(dòng)的壁溫均沿程升高，沒有出現(xiàn)傳熱惡化，螺旋絲很好的抑制了傳熱惡化現(xiàn)象。王振川等［40］得出了相同的結(jié)論并指出內(nèi)插螺旋管相對(duì)于光管可以提高換熱系數(shù)二倍以上。朱鳳嶺［41］對(duì)超臨界CO2在內(nèi)徑為2 mm的水平內(nèi)凸圓管中的對(duì)流換熱進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)論是高熱流低流速工況下內(nèi)凸管與光管均出現(xiàn)傳熱惡化，但內(nèi)凸管傳熱系數(shù)高于光管，努塞爾數(shù)提高近二倍。近年來對(duì)傳熱惡化現(xiàn)象的試驗(yàn)研究見表4。

表4 加熱條件下超臨界CO2傳熱惡化的試驗(yàn)研究

3 超臨界CO2流體換熱關(guān)聯(lián)式歸納

將上述所有文獻(xiàn)中所采用的超臨界CO2換熱關(guān)聯(lián)式進(jìn)行整理，如表5所示。從表5可以看出：直管和螺旋管中的換熱關(guān)聯(lián)式大多數(shù)是在經(jīng)典換熱關(guān)聯(lián)式的基礎(chǔ)上，引入臨界點(diǎn)附近的物性參數(shù)進(jìn)行修正而得到的；且所有換熱關(guān)聯(lián)式與模擬計(jì)算值之間的計(jì)算誤差均在25%以內(nèi)，但大部分都是針對(duì)特定通道內(nèi)或者特定工況下的對(duì)流換熱，結(jié)果缺乏廣泛性。目前提出適用于不同工況下超臨界CO2的換熱關(guān)聯(lián)式可為開發(fā)設(shè)計(jì)高效換熱器提供理論基礎(chǔ)。

表5 超臨界CO2換熱關(guān)聯(lián)式歸納

4 結(jié)論

（1）豎直管和其他通道內(nèi)超臨界CO2對(duì)流換熱特性的試驗(yàn)研究較水平直管匱乏，大量試驗(yàn)研究都集中在水平直管內(nèi)超臨界CO2對(duì)流換熱特性，建議今后對(duì)不同通道管內(nèi)超臨界CO2換熱特性做深入研究。

（2）在螺旋管內(nèi)超臨界CO2對(duì)流換熱特性的研究中，鮮有看到螺旋管參數(shù)對(duì)超臨界CO2換熱特性的影響，所做研究基本集中在浮升力和離心力對(duì)超臨界CO2對(duì)流換熱特性的影響，并且對(duì)于浮升力的作用還存在一定的分歧，有必要在這方面做進(jìn)一步研究。

（3）從現(xiàn)有的文獻(xiàn)來看，雖然有大量針對(duì)超臨界CO2對(duì)流換熱特性的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，但研究工況均在小范圍內(nèi)變化，缺少更多工況條件下超臨界CO2試驗(yàn)研究分析。

（4）雖然很多文獻(xiàn)提出了新的超臨界CO2換熱關(guān)聯(lián)式，但是大部分都是針對(duì)特定通道內(nèi)或者特定工況下的對(duì)流換熱，結(jié)果缺乏廣泛性。目前提出適用于不同工況下超臨界CO2的換熱關(guān)聯(lián)式可為開發(fā)設(shè)計(jì)高效換熱器提供理論基礎(chǔ)。