王乃心 ，楊大章 ，謝 晶 ，王金鋒

（1.上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心，上海 201306；2.上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評價專業(yè)技術服務平臺，上海 201306；3.食品科學與工程國家級實驗教學示范中心（上海海洋大學），上海 201306；4.上海海洋大學 食品學院，上海 201306）

0 引言

制冷技術在食品生產儲藏，化學加工工業(yè)以及其他工業(yè)應用中具有廣泛應用，但由于制冷空調行業(yè)采用的CFCs和HCFCs會破壞大氣中的臭氧層、產生溫室效應，導致全球氣候變暖，因而實現(xiàn)CFCs和HCFCs替代成為全世界關注的問題［1］。由于人工合成的制冷劑絕大部分最終都會排放到大氣中影響地球環(huán)境，因此采用自然工質是一種非常安全的選擇。各種不同的自然工質中，水、氨、CO2和碳氫化合物都適用于制冷空調領域。但對比水、氨和碳氫化合物，CO2具有獨特的優(yōu)勢：環(huán)境友好性、安全性、傳熱性能和流動性好、容積制冷量大［2］。這些優(yōu)秀的物理性質使CO2足以成為最好的制冷工質替代品之一。目前CO2已應用于汽車空調、熱泵等領域。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行，但放熱過程發(fā)生在超臨界壓力下，工質的放熱過程中沒有冷凝液產生，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，近年來國內外學者都致力于研究超臨界CO2的對流換熱特性。

超臨界CO2換熱特性試驗可分為在冷卻條件下和加熱條件下進行研究。研究冷卻條件下的超臨界CO2換熱特性，目的是設計出高效的氣體冷卻器以及了解質量流量、熱流密度、入口溫度和壓力等熱物性參數(shù)對超臨界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傳熱過程有著顯著影響，導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，對加熱條件下超臨界CO2換熱特性的試驗研究就顯得尤為重要。除此之外，加熱條件下為何會出現(xiàn)傳熱惡化現(xiàn)象還是個未解之謎，想要解決傳熱惡化現(xiàn)象，需要進行大量試驗研究。本文針對冷卻條件下和加熱條件下超臨界CO2換熱特性的試驗研究進行綜述，并對現(xiàn)存的問題進行討論。

1 冷卻條件下的超臨界CO2換熱特性

在冷卻條件下，當CO2流體溫度高于準臨界溫度而壁溫低于準臨界溫度時，會出現(xiàn)傳熱增強現(xiàn)象［2］。原因是邊界層中總會有一層流體的溫度與準臨界溫度相等，此處流體比熱容達到峰值，換熱得到強化。冷卻條件下超臨界CO2對流換熱特性的研究主要集中在質量流量、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構形式上，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，已成為管內超臨界CO2對流換熱特性試驗的主要研究對象。Li等［4］研究了內徑為2 mm的豎直圓形管內超臨界CO2的換熱特性，分析了質量流量、浮升力以及流動方向對超臨界CO2對流換熱特性的影響，發(fā)現(xiàn)當雷諾數(shù)較高而質量流量較低時，向上流動和向下流動的對流換熱系數(shù)均隨著質量流量的增加而增大；當雷諾數(shù)較高且質量流量也較高時，向上流動出現(xiàn)換熱惡化，而向下流動中沒有出現(xiàn)這種情況。Jiang等［5］對豎直微管中超臨界CO2的換熱特性進行了數(shù)值模擬，得出了與Li等相似的結果，同時指出超臨界CO2在微型管中流動時，浮升力的影響微乎其微，熱加速是導致在質量流量較高時換熱特性異常的主要因素。但也有人給出了不同的結論，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和向下流動的速度、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］也得出了相同的結論，并總結出了冷卻條件下豎直向上流動和豎直向下流動時的換熱關聯(lián)式。近年來對豎直管中超臨界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數(shù)據(jù)（管內換熱系數(shù)）的對比來獲取試驗結果，這說明了近年來超臨界CO2在豎直管內對流換熱試驗研究的匱乏。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變化。其中文獻［13］采用的是RANS湍流模型。目前缺乏可靠的試驗數(shù)據(jù)來判斷哪種模型能夠更好的進行數(shù)值模擬，大部分都是對比后選取合適的湍流模型。文獻［8，10，13］提出了新的換熱關聯(lián)式。

表1 水平管中超臨界CO2換熱特性的試驗研究

1.2 螺旋管中超臨界CO2換熱特性

超臨界CO2在螺旋管內的傳熱技術廣泛應用于化工領域。Wang等［14］利用SST湍流模型對超臨界CO2在豎直螺旋管中的冷卻換熱特性進行了數(shù)值模擬并將結果與水平螺旋管進行了對比，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［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果與水平直管進行了對比，螺旋管內流體受離心力、重力及浮升力共同作用產生二次流加強管內流體擾動，使得螺旋管內換熱系數(shù)大于水平直管內換熱系數(shù)。崔海亭等［16］采用RNGk-ε湍流模型也得出了相似的結論，同時指出，離心力和浮升力是造成換熱系數(shù)增大的原因，重力對螺旋管中的對流換熱影響不大，并且節(jié)距增加到一定程度會削弱換熱系數(shù)。近幾年對螺旋管中超臨界CO2冷卻換熱特性試驗研究如表2所示。

表2 螺旋管中超臨界CO2換熱特性的試驗研究

螺旋管內超臨界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［15～17］在進行螺旋管研究的同時，還將螺旋管的研究結果與直管做對比，得到的結果更具完善性。此外，上述文獻中鮮有提到螺旋管參數(shù)對換熱特性的影響，有必要對螺旋管結構參數(shù)的影響規(guī)律開展研究，為換熱器的設計優(yōu)化奠定基礎。

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，許多學者對其他通道中超臨界CO2換熱特性做了研究。劉遵超等［22］模擬了三葉管內超臨界CO2的冷卻對流換熱過程，發(fā)現(xiàn)流動方向對超臨界CO2管內局部換熱系數(shù)影響較小，而雷諾數(shù)、壁面熱流密度以及冷卻壓力對局部換熱系數(shù)影響較大。Lei等［23］對水平波浪形微通道內超臨界CO2的冷卻換熱特性和壓降進行了數(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，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和向上流動的傳熱性能，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的湍流對流傳熱要好于向下流動，并且無傳熱惡化現(xiàn)象。崔海亭等［26］和易長樂［27］在不同質量流量下模擬了扭曲水平橢圓管和無扭曲水平橢圓管內超臨界CO2冷卻換熱特性及二次流的變化規(guī)律。結果表明，低質量流量下橢圓管具有更強浮升力造成的二次流來強化傳熱；高質量流量下橢圓管內浮升力作用已經不明顯，而扭曲橢圓管具有自身結構所產生的周期性二次流來強化傳熱；管內的傳熱系數(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在加熱條件下的對流換熱特性比較復雜。當熱流密度較高時，超臨界CO2在管內加熱的換熱情況會惡化。超臨界流體在螺旋管內的傳熱技術研究相較于直管內的還很匱乏［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)，將結果同冷卻條件下的超臨界CO2換熱系數(shù)做對比后，得出冷卻下的對流換熱系數(shù)大于加熱下的對流換熱系數(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］同樣對比了加熱條件下超臨界CO2在直管和螺旋管內的換熱特性，探討了離心力和浮升力對超臨界CO2換熱特性的影響。結論是直管中在準臨界區(qū)，浮升力的影響不能忽略；螺旋管中離心力影響整個傳熱過程，在流體離開準臨界區(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方向的方法來探討了浮升力對加熱螺旋管內超臨界CO2的換熱特性的影響，分析了變物性、離心力、浮升力在不同流動方向上對螺旋管內換熱的耦合作用。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，在準臨界區(qū)之前的換熱系數(shù)也相應增加，并且在準臨界溫度出換熱系數(shù)達到峰值；無論是水平流動方向還是豎直流動方向，微重力和超重力分別對換熱有削弱作用和強化作用，但在準臨界點后這種作用并不明顯。近年來國內外對加熱條件下直管內超臨界CO2的換熱特性試驗研究如表3所示。

表3 加熱條件下直管內超臨界CO2換熱特性的試驗研究

這些試驗研究中，發(fā)現(xiàn)在加熱管模型的驗證中，文獻［19，31］是選取他人的試驗數(shù)據(jù)進行模擬驗證，文獻［33，34，37］采用與經典經驗公式對比管內Nu來得到試驗結果。這也說明了目前超臨界CO2在加熱管內對流換熱試驗研究的匱乏。

上述大多數(shù)文獻在研究過程中提到加熱條件下會出現(xiàn)傳熱惡化的現(xiàn)象，為了抑制這種現(xiàn)象，許多學者對不同通道結構內超臨界CO2的對流換熱進行了了研究。熊超［39］對內插有0.1 mm和內插有0.2 mm不銹鋼螺旋絲的內徑為1 mm豎直細圓管中超臨界CO2對流換熱特性展開了試驗研究，對比光管管內換熱現(xiàn)象后發(fā)現(xiàn)，在內插有不銹鋼螺旋絲的圓管中，向上流動和向下流動的壁溫均沿程升高，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］得出了相同的結論并指出內插螺旋管相對于光管可以提高換熱系數(shù)二倍以上。朱鳳嶺［41］對超臨界CO2在內徑為2 mm的水平內凸圓管中的對流換熱進行了試驗研究，結論是高熱流低流速工況下內凸管與光管均出現(xiàn)傳熱惡化，但內凸管傳熱系數(shù)高于光管，努塞爾數(shù)提高近二倍。近年來對傳熱惡化現(xiàn)象的試驗研究見表4。

表4 加熱條件下超臨界CO2傳熱惡化的試驗研究

3 超臨界CO2流體換熱關聯(lián)式歸納

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

表5 超臨界CO2換熱關聯(lián)式歸納

4 結論

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

（2）在螺旋管內超臨界CO2對流換熱特性的研究中，鮮有看到螺旋管參數(shù)對超臨界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超臨界CO2對流換熱特性的影響，并且對于浮升力的作用還存在一定的分歧，有必要在這方面做進一步研究。

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

（4）雖然很多文獻提出了新的超臨界CO2換熱關聯(lián)式，但是大部分都是針對特定通道內或者特定工況下的對流換熱，結果缺乏廣泛性。目前提出適用于不同工況下超臨界CO2的換熱關聯(lián)式可為開發(fā)設計高效換熱器提供理論基礎。