不同流向上小流道加热管内超临界CO2的压降特性

王磊，曹雄金，罗凯，王艳，费华

（江西理工大学土木与测绘工程学院，江西 赣州 341000）

超临界CO2流体是一种处于临界温度和临界压力状态之上的特殊流体，其热物理以及化学性质介于气体和液体之间，且兼具两者的优点。超临界CO2流体在其临界点或假临界点附近的热物理性质均会发生剧烈变化。不同的超临界压力条件下，当CO2流体温度低于相对应的假临界温度时，流体表现出类似于液体的性质；当CO2流体温度高于相对应的假临界温度时，流体则表现出类似于气体的性质。在给定的超临界压力条件下，CO2流体的密度和动力黏度将会随着流体温度的升高而逐渐降低，而CO2流体的比热容和热导率则会在临界点或假临界点出现跳跃并达到峰值。正是由于超临界CO2流体这种独特的热物理性质从而导致其压降特性的实验研究更具有实际意义和工程应用价值。相较于超临界水而言，超临界CO2流体的临界压力为73.8bar（1bar=0.1MPa），所对应的临界温度为31.0℃，并且具备可压缩性、储量丰富、不易燃烧以及经济环保等诸多特点，目前已经广泛应用于航空航天、能源电力行业[1-8]。

Kandlikar[9]在文献中提出了一种流道尺寸的分类方法，即流道尺寸（D）大于3.0mm 时为常规流道（conventional channels）；当0.2mm≤流道尺寸（D）≤3.0mm 时为小流道（Mini-channels）；当0.01mm≤流道尺寸（D）≤0.2mm时为微流道（Micro-channels）。通过大量的文献回顾可知绝大部分有关超临界CO2流体在不同流动方向上的压降实验研究均在测试管径大于1.0mm 条件下进行[10-19]。例如，水平流动方向的主要参考文献有Dang 与Hihara[20]、Dang 等[21]、Huai 等[22]、Pitla 等[23-24]、Son 与Park[25]、Yoon 等[26]、Liu 等[27]以及Yun 等[28]所采用的实验方法均为冷却方式且管径尺寸均大于1.0mm，而相对较少的参考文献如Yang 与Liao[29]所采用的测试管径尺寸小于1.0mm，但实验却采用冷却的方式进行。由此可知，在水平流动方向上采用加热方式且测试管径尺寸小于1.0mm的超临界CO2流体的压降实验研究非常有限。此外，垂直流动方向的主要参考Jiang等[30-31]所采用的实验方法，既有加热方式也有冷却方式，但管径尺寸均大于1.0mm。由此可知，在垂直流动方向上采用加热方式且管径尺寸小于1.0 mm 的超临界CO2流体的压降实验研究同样比较有限。因此，开展不同流动（水平流动、垂直向上流动以及垂直向下流动）方向上小流道加热管（D＜1.0mm）内超临界CO2流体的压降实验研究显得尤为重要。其中比较有代表性的文献是Dang和Hihara[20]、Huai 等[22]、Son 和Park[25]、Yoon 等[26]以及Liu等[27]通过实验研究了超临界CO2的压降特性，研究结果表明当系统压力保持恒定，实验压降随着质量通量的增大而增大。当质量通量保持恒定，实验压降随着系统压力的升高而减小，这是因为随着系统压力的升高，CO2流体的物理性质变化所致。并进一步说明当系统压力和质量通量保持恒定时，实验压降随CO2流体平均温度升高而增大，这是因为通过测试管截面的CO2流体的平均速度增大以及流体的平均密度减小所致。当CO2流体的平均温度低于假临界温度时，实验压降随着CO2流体平均温度的升高而略有所增大。当CO2流体的平均温度接近假临界温度时，实验压降急剧增大。当CO2流体的平均温度高于假临界温度时，实验压降单调增大。此外，当CO2流体平均温度高于假临界温度时，实验压降随着系统压力的减小而增大。当CO2流体平均温度低于假临界温度时，实验压降与系统压力无关。Wang等[32]通过实验研究了超临界CO2流体在水平加热条件下不同测试管径的压降特性，研究结果同样表明实验压降随着质量通量的增大和进口温度的升高而增大，但随着系统压力的升高和管径的增大而减小。由于摩擦压降在实验总压降中的贡献最大，所以对实验总压降的变化影响最为显著。Rao 等[33]对超临界CO2流体的压降特性进行了概括总结，即在临界压力附近压降随着质量通量的增加而增大，因为CO2流体的雷诺数随着质量通量的增大而增大。当系统压力接近临界压力时，CO2流体的密度较小，使得压降进一步增大。当系统压力远离临界压力时，CO2流体的密度降低，压降变化取决于质量通量的增量。如果质量通量的增量较小，压降可能会减小。通常压降与进口压力成反比，这是因为CO2流体的热物理性质取决于进口压力的变化。随着进口压力的增加，CO2流体的密度和黏度也随之增加。

综上所述，小流道加热管（D＜1.0mm）内超临界CO2流体的压降实验研究数据比较有限。本文基于不同流动（水平流动、垂直向上流动以及垂直向下流动）方向上，小流道加热管（D=0.75mm）内超临界CO2流体的压降特性进行实验研究，结合各种实验参数（系统压力、质量流量、加热功率以及进口温度）对不同流动方向上超临界CO2流体的压降特性进行详细分析与对比，并得到一些较为科学且详实的实验数据和结论，为进一步深入探究不同流动方向上小流道加热管内超临界CO2流体的压降特性提供重要参考和数据支撑。

1 实验装置及方法

本实验系统主要由CO2储液系统、加压系统、高压储液系统、流量控制系统、预热系统、实验测试系统以及减压排放系统7个子系统所组成。每个子系统所包含的主要实验仪器如图1所示。

图1 实验流程及其装置示意图

由于钢瓶内CO2的压力低于临界压力（73.8bar），因此需要通过加压系统把CO2液体的压力逐渐升高并超过临界压力。为了保证实验操作过程的安全性和稳定性，加压后的CO2液体首先需要进入到高压储液系统进行降温冷却和稳压储存，高压储液系统上的T型热电偶用于测量CO2液体的温度，数字显示称重器用来测量高压储液系统内CO2液体的总重量。当CO2液体离开高压储液系统进入流量控制系统时，CO2液体的质量流量可通过高压控制阀进行自动精准控制。CO2液体离开流量控制系统后直接进入预热段内进行加热以满足不同参数条件下的实验操作。在实验过程中将利用MX100 数据采集器进行数据记录和保存。当CO2流出测试段后将通过减压排放系统进行压力、流量和温度调节，采用便携式恒温水槽对CO2进行加热，目的是为了防止高压CO2在排放过程中因气体急剧膨胀导致流体快速降温从而引起管道结冰堵塞，造成管路系统故障并产生安全隐患。测试段由圆形铜柱体、小流道圆管、环形加热器以及隔热保温层四个部分所组成，如图2 所示。小流道圆管长度为200mm，外径为1.6mm，内径为0.75mm，材质为316不锈钢，紧密固定在长度为170mm 的铜圆柱体内，目的是为了使其能够受到均匀加热。环形加热器所提供的加热功率可以通过测量环形加热器的电压和电流来确定。包裹环形加热器所采用的是隔热保温层，其材质为厚玻璃纤维，目的是为了最大限度地减少热量损失。

图2 测试段组合示意图

2 实验数据的处理

如图3所示，为确保计算过程的精准度，可将测试管段划分为16 个计算区间，其区间长度分别表示为L1～L16，在此区间内CO2的局部平均温度可通过式(1)进行计算，其中z= 0,1,…,16，Tf,0=Tf,in，Tf,16=Tf,out。

图3 测试管的计算分析示意图

不同流动方向上CO2的加速度压降可通过式(2)进行计算。

不同流动方向上CO2的局部重力压降可通过式(3)进行计算。

不同流动方向上CO2的摩擦压降可通过式(4)进行计算。

加速度压降、重力压降以及摩擦压降在实验总压降中所占有的比例（ηi）可通过式(5)计算，其中i分别为a、g、f。

在获取热传数据之前，为了保证采集数据的有效性和准确性，需要对实验系统的稳定性和重复性进行测试。通过多次重复实验测试对不同流动方向上小流道加热管的均匀加热条件进行了验证以及超临界CO2流体不同参数的不稳定性分析，分别如表1、图4 所示。分析结果表明，不同流动方向上，不同参数的不稳定性分析误差均控制在0～6.0%范围以内，测试温度的实验值与理论值的最大相对误差均小于±7.0%。因此，重复性实验测试结果验证了不同流动方向上实验系统的稳定性和均匀加热条件的科学性与合理性。

表1 实验参数的不确定性分析 单位：%

3 结果与讨论

3.1 不同流动方向上系统压力对实验压降的影响

三种流动（水平流动、垂直向上流动和垂直向下流动）方向上，小流道加热管内超临界CO2对应不同系统压力（76.6bar、80.5bar、86.5bar和90bar,1bar=105Pa）的实验条件为：质量流量（m）恒定为2.4kg/h，加热功率（Q）恒定为80W，进口温度（Tin）恒定为(31±0.2)℃。

图5显示出不同流动（水平流动、垂直向上流动和垂直向下流动）方向条件下小流道加热管进、出口两端超临界CO2的实验总压降（ΔPtot）、摩擦压降（ΔPf）、加速度压降（ΔPa）以及重力压降（ΔPg）随 不 同 系 统 压 力（76.6bar、80.5bar、86.5bar 和90bar）的变化影响。恒定流动方向上实验总压降、摩擦压降以及加速度压降均随系统压力的升高而明显减小，如图5(a)～(c)所示。重力压降随系统压力的升高而逐渐增大，如图5(d)所示。对于恒定系统压力而言，不同流动方向上各种压降的变化趋势则有所不同。其中，实验总压降在水平流动方向上明显最大，而在垂直向上流动方向和垂直向下流动方向上除系统压力为76.6bar 之外，两种垂直流动方向上无较大差别，如图5(a)所示。摩擦压降在水平流动方向上相对较大，在垂直向上流动方向上相对较小，如图5(b)所示。垂直向上流动方向的加速度压降略大于垂直向下流动方向，如图5(c)所示。重力压降在垂直向下流动方向略大于垂直向上流动方向，如图5(d)所示。

图5 不同流动方向和不同系统压力条件下各种压降的变化

图6显示出不同流动（水平流动、垂直向上流动和垂直向下流动）方向以及不同系统压力（76.6bar、80.5bar、86.5bar 和90.0bar）条件下小流道加热管进口位置处CO2流体的雷诺数（Rein）和沿加热管内长度方向的局部雷诺数（Rez）。恒定流动方向上小流道加热管进口位置处CO2流体的雷诺数随着系统压力的升高而显著减小，如图6(a)所示，这种变化趋势与实验总压降、摩擦压降以及加速度压降随系统压力升高而显著减小的变化趋势相同，如图5所示。对于恒定的系统压力而言，水平流动方向上CO2流体的局部雷诺数沿加热管的长度方向急剧增大，并随着系统压力的升高而明显下降，如图6(b)所示。这种变化趋势说明超临界CO2流体在加热管内由于热物性的剧烈变化，即CO2流体的黏度（μ）急剧减小，从而导致局部雷诺数急剧增大，随着系统压力的升高，其所对应的假临界温度也随着升高，因此CO2流体的黏度也随之增大，从而导致局部雷诺数随系统压力的升高而明显下降。

图6 不同流动方向和不同系统压力条件下CO2的雷诺数

图7 显示出不同系统压力（76.6bar、80.5bar、86.5bar 和90.0bar）条件下小流道加热管进、出口两端CO2流体的摩擦压降、加速度压降以及重力压降在实验总压降中所占有的比例（ηf，ηa，ηg）。如图7(a)～(d)所示，当系统压力保持恒定时，不同流动方向上CO2流体的摩擦压降在实验总压降中所占有的比例（ηf）最大，而重力压降在实验总压降中所占有的比例（ηg）最小。随着系统压力的逐渐升高，水平流动方向与垂直向上流动方向的摩擦压降在实验总压降中所占有的比例略有所上升，而加速度压降在实验总压降中所占有的比例（ηa）略有所下降。垂直向下流动方向的摩擦压降在实验总压降中所占有的比例随系统压力的升高而明显增大，而加速度压降在实验总压降中所占有的比例随系统压力的升高而明显减小。垂直向上流动方向与垂直向下流动方向的重力压降在实验总压降中所占有的比例（ηg）随系统压力的升高而略有所增大。由此可知，系统压力的变化对各种压降均有不同程度的影响，但对垂直向下流动方向上摩擦压降的变化影响最为显著。因为在垂直向上流动方向上，CO2流体所受的重力方向与流动方向相反，小流道加热管内CO2流体所受的重力对其流动状态起到一定的抑制作用。相反在垂直向下流动方向上，CO2流体所受的重力方向与流动方向相同，此时小流道加热管内CO2流体所受的重力对其流动状态起到一定的促进作用。

图7 不同流动方向和不同系统压力条件下各种压降在实验总压降中所占的比例

3.2 不同流动方向上质量流量对实验压降的影响

三种流动（水平流动、垂直向上流动和垂直向下流动）方向上，小流道加热管内超临界CO2对应不同质量流量（1.9kg/h、2.4kg/h、2.9kg/h和3.4kg/h）的实验条件为：系统压力（P）恒定为80.5bar，加热功率（Q）恒定为100W，进口温度（Tin）恒定为(31±0.2)℃。

图8显示出不同流动（水平流动、垂直向上流动和垂直向下流动）方向条件下小流道加热管进、出口两端超临界CO2的实验总压降（ΔPtot）、摩擦压降（ΔPf）、加速度压降（ΔPa）以及重力压降（ΔPg）随不同质量流量（1.9kg/h、2.4kg/h、2.9kg/h和3.4kg/h）的变化影响。恒定流动方向上实验总压降、摩擦压降、加速度压降以及重力压降均随着质量流量的增大而明显增大，如图8(a)～(d)所示。对于恒定质量流量而言，不同流动方向上各种压降的变化趋势则有所不同。其中，实验总压降在水平流动方向上相对最大，在垂直向下流动方向上相对较小，而在两种垂直流动方向上的差别较小，如图8(a)所示。摩擦压降在水平流动方向上最大、在垂直向上流动方向和垂直向下流动方向上的差别较小，如图8(b)所示。垂直向下流动方向的加速度压降略小于水平流动方向和垂直向下流动方向，如图8(c)所示。重力压降在垂直向下流动方向大于垂直向上流动方向，随着质量流量的增大，这种变化趋势愈加明显，如图8(d)所示。

图8 不同流动方向和不同质量流量条件下各种压降的变化

图9 显示出不同流动（水平流动、垂直向上流动和垂直向下流动）方向以及不同质量流量（1.9kg/h、2.4kg/h、2.9kg/h 和3.4kg/h）条件下小流道加热管进口位置处CO2流体的雷诺数（Rein）和沿加热管内长度方向的局部雷诺数（Rez）。恒定流动方向上小流道加热管进口位置处CO2流体的雷诺数随着质量流量的增大而显著增大，并且不同流动方向和不同质量流量条件下CO2流体的进口雷诺数基本相同，如图9(a)所示。对于恒定的质量流量而言，水平流动方向上CO2流体的局部雷诺数沿加热管内的长度方向急剧增大，并随着质量流量的增大而明显增大，如图9(b)所示。CO2流体的雷诺数随质量流量增大而显著增大的变化趋势与实验总压降、摩擦压降、加速度压降以及重力压降随着质量流量的增大而显著增大的变化趋势相同，如图8 所示。因此，加热管内超临界CO2流体在不同质量流量条件下对各种压降的变化均有显著影响。

图9 不同流动方向和不同质量流量条件下CO2的雷诺数

图10 显示出不同质量流量（1.9kg/h、2.4kg/h、2.9kg/h 和3.4kg/h）条件下小流道加热管进、出口两端CO2流体的摩擦压降、加速度压降以及重力压降在实验总压降中所占有的比例（ηf，ηa，ηg）。如图10(a)～(d)所示，当质量流量保持恒定时，不同流动方向上CO2流体的摩擦压降在实验总压降中所占有的比例（ηf）最大，而重力压降在实验总压降中所占有的比例最小（ηg）。随着质量流量的逐渐增大，不同流动方向上摩擦压降在实验总压降中所占有的比例均显著上升，而不同流动方向上加速度压降以及重力压降在实验总压降中所占有的比例（ηa，ηg）则显著下降，说明质量流量的增大对摩擦压降所占有的比例（ηf）具有明显的促进效果，而对加速度压降以及重力压降所占有的比例（ηa，ηg）具有明显的抑制效果。由此可知，质量流量的变化对各种压降所占有的比例均有不同程度的影响，特别是对垂直向下流动方向上摩擦压降所占有的比例的变化影响最为显著。

3.3 不同流动方向上加热功率对实验压降的影响

三种流动（水平流动、垂直向上流动和垂直向下流动）方向上小流道加热管内超临界CO2对应不同加热功率[(42±2.0)W、(68±2.0)W 和(80±2.0)W]的实验条件为：系统压力（P）恒定为80.5bar，质量流量（m）恒定为2.4kg/h，进口温度（Tin）恒定为(31±0.2)℃。

图11 显示出不同流动（水平流动、垂直向上流动和垂直向下流动）方向条件下小流道加热管进、出口两端超临界CO2的实验总压降（ΔPtot）、摩擦压降（ΔPf）、加速度压降（ΔPa）以及重力压降（ΔPg）随不同加热功率[(42±2.0)W、(68±2.0)W以及(80±2.0)W]的变化影响。恒定流动方向上实验总压降、摩擦压降以及加速度压降均随着加热功率的升高而明显增大，如图11(a)～(c)所示。重力压降随着加热功率的升高而逐渐减小，如图11(d)所示。对于恒定加热功率而言，不同流动方向上各种压降的变化趋势则有所不同。其中，实验总压降在水平流动方向上相对较大，而在垂直向上流动方向和垂直向下流动方向上的差别较小，如图11(a)所示。摩擦压降在水平流动方向上相对较大、在垂直向上流动方向上相对较小，如图11(b)所示。当加热功率为(42±2.0)W 时，加速度压降在水平流动方向上的相对较大，而在垂直向下流动方向上相对较小，随着加热功率的升高，加速度压降在不同流动方向上基本相同，如图11(c)所示。当加热功率为(42±2.0)W 时，重力压降在垂直向下流动方向略大于垂直向上流动方向，随着加热功率的升高，重力压降在两种垂直流动方向上基本相同，如图11(d)所示。

图11 不同流动方向和不同加热功率条件下各种压降的变化

图12 显示出不同流动（水平流动、垂直向上流动和垂直向下流动）方向以及不同加热功率[(42±2.0)W、(68±2.0)W 和(80±2.0)W]条件下小流道加热管出口位置处CO2流体的雷诺数（Reout）和沿加热管长度方向的局部雷诺数（Rez）。恒定流动方向上小流道加热管出口位置处CO2流体的雷诺数随着加热功率的升高而显著增大，当加热功率为(42±2.0)W 时，CO2流体的出口雷诺数在水平流动方向上相对较大，在垂直向下流动方向相对较小，随着加热功率的升高，出口雷诺数在不同流动方向上基本相同，如图12(a)所示。对于恒定的加热功率而言，水平流动方向上CO2流体的局部雷诺数沿加热管的长度方向急剧增大，并随着加热功率的升高而明显增大，如图12(b)所示。CO2流体的雷诺数随着加热功率的升高而显著增大的变化趋势与实验总压降、摩擦压降以及加速度压降随着加热功率的升高而显著增大的变化趋势相同，如图11所示。

图12 不同流动方向和不同加热功率条件下CO2的雷诺数

图13 显示出不同加热功率[(42±2.0)W、(68±2.0)W 和(80±2.0)W]条件下小流道加热管进、出口两端CO2流体的摩擦压降、加速度压降以及重力压降在实验总压降中所占有的比例（ηf，ηa，ηg）。如图13(a)～(c)所示，当加热功率保持恒定时，不同流动方向上CO2流体的摩擦压降在实验总压降中所占有的比例（ηf）最大，而重力压降在实验总压降中所占有的比例（ηg）最小。随着加热功率的增大，不同流动方向上摩擦压降以及重力压降在实验总压降中所占有的比例（ηf，ηg）均明显减小，而不同流动方向的加速度压降在实验总压降中所占有的比例（ηa）则明显增大，说明加热功率的升高对摩擦压降以及重力压降所占有的比例（ηf，ηg）具有明显的抑制效果，而对加速度压降所占有的比例（ηa）具有明显的促进效果。由此可知，加热功率的变化对各种压降所占有的比例均有不同程度的影响，特别是对垂直向下流动方向上摩擦压降所占有的比例的变化影响最为显著。

图13 不同流动方向和不同加热功率条件下各种压降在实验总压降中所占的比例

3.4 不同流动方向上进口温度对实验压降的影响

三种流动（水平流动、垂直向上流动和垂直向下流动）方向上小流道加热管内超临界CO2对应不同进口温度[(33±0.2)℃、(35±0.2)℃和(37±0.2)℃]的实验条件为：系统压力（P）恒定为80.5bar，质量流量（m）恒定为2.4kg/h，加热功率（Q）恒定为80W。

图14 显示出不同流动（水平流动、垂直向上流动和垂直向下流动）方向条件下小流道加热管进、出口两端超临界CO2的实验总压降（ΔPtot）、摩擦压降（ΔPf）、加速度压降（ΔPa）以及重力压降（ΔPg）随不同进口温度[(33±0.2)℃、(35±0.2)℃和(37±0.2)℃]的变化影响。恒定流动方向上实验总压降、摩擦压降均随着进口温度的升高而明显增大，如图14(a)、(b)所示。重力压降随着进口温度的升高而逐渐减小，如图14(d)所示。对于恒定进口温度而言，不同流动方向上各种压降的变化趋势则有所不同。其中，除进口温度为(37±0.2)℃之外，实验总压降在水平流动方向上相对较大，而在垂直向下流动方向上相对较小，如图14(a)所示。摩擦压降在水平流动方向上相对较大、而在两种垂直流动方向上无较大差别，如图14(b)所示。当进口温度为(33±0.2)℃时，加速度压降在垂直向上流动方向上相对较大，而在水平流动方向上相对较小。当进口温度为(35±0.2)℃时，加速度压降在水平流动方向上相对较大，而在垂直向下流动方向上相对较小。当进口温度为(37±0.2)℃时，加速度压降在垂直向下流动方向上相对较大，而在水平流动方向上相对较小，如图14(c)所示。重力压降在垂直向下流动方向略大于垂直向上流动方向，当进口温度为(37±0.2)℃时，两种垂直流动方向上的重力压降基本相同，如图14(d)所示。

图14 不同流动方向和不同进口温度条件下各种压降的变化

图15 显示出不同流动（水平流动、垂直向上流动和垂直向下流动）方向以及不同进口温度[(33±0.2)℃、(35±0.2)℃和(37±0.2)℃]条件下小流道加热管进口位置处CO2流体的雷诺数（Rein）和沿加热管长度方向的局部雷诺数（Rez）。恒定流动方向上小流道加热管进口位置处CO2流体的雷诺数随着进口温度的升高而显著增大，除进口温度为(35±0.2)℃之外，CO2流体的进口雷诺数在不同流动方向上基本相同，如图15(a)所示。对于恒定进口温度而言，水平流动方向上CO2流体的局部雷诺数沿加热管的长度方向急剧增大，并随着进口温度的升高而明显增大（尤其在小流道加热管进口位置处最为显著，但在出口位置处逐渐缩小），如图15(b)所示。CO2流体的局部雷诺数随着进口温度的升高而显著增大的变化趋势与实验总压降、摩擦压降以及加速度压降随进口温度升高而增大的变化趋势基本保持一致，如图14所示。

图15 不同流动方向和不同进口温度条件下CO2的雷诺数

图16 显示出不同进口温度[(33±0.2)℃、(35±0.2)℃和(37±0.2)℃]条件下小流道加热管进、出口两端CO2流体的摩擦压降、加速度压降以及重力压降在实验总压降中所占有的比例（ηf，ηa，ηg）。如图16(a)～(c)所示，当进口温度保持恒定时，不同流动方向上CO2流体的摩擦压降在实验总压降中所占有的比例（ηf）最大，而重力压降在实验总压降中所占有的比例（ηg）最小。随着进口温度的升高，不同流动方向上摩擦压降在实验总压降中所占有的比例（ηf）均逐渐增大，而不同流动方向的加速度压降以及重力压降在实验总压降中所占有的比例（ηa，ηg）则明显减小，说明进口温度的升高对摩擦压降所占有的比例（ηf）具有明显的促进效果，而对加速度压降以及重力压降所占有的比例（ηa，ηg）具有明显的抑制效果。由此可知，进口温度的变化对各种压降所占有的比例均有不同程度的影响，尤其是对垂直向下流动方向上摩擦压降所占有的比例的变化影响最为显著。

图16 不同流动方向和不同进口温度条件下各种压降在实验总压降中所占的比例

3.5 各种参数条件下不同测试管径之间实验总压降的比较

图17显示出各种参数（系统压力、质量流量、加热功率以及进口温度）条件下不同流动方向上两种测试管径（1.0mm 和0.75mm）内超临界CO2实验总压降（ΔPtot）的变化趋势始终保持一致。不同流动方向上两种测试管径（1.0mm和0.75mm）的实验总压降（ΔPtot）均随着系统压力的升高而明显减小，如图17(a)所示，而随着质量流量的增大、加热功率以及进口温度的升高而明显增大，如图17(b)～(d)所示。当测试管径为0.75mm 时，实验总压降（ΔPtot）受各种因素（系统压力、质量流量、加热功率以及进口温度）的影响明显强于测试管径为1.0mm时的影响，并且测试管径为1.0mm的实验总压降均远小于测试管径为0.75mm的实验总压降，从而说明测试管径的尺寸大小对实验总压降的变化有着显著影响。

4 结论

针对不同流动方向上小流道加热管内超临界CO2的压降特性进行了科学详实的实验研究，其主要结论分别如下所述。

（1）不同流动方向上，实验总压降、摩擦压降以及加速度压降均随着系统压力的升高而逐渐减小，但随着质量流量的增大、加热功率以及进口温度的升高而逐渐增大。然而，重力压降随着系统压力的升高以及质量流量的增大而逐渐增大，但随着加热功率以及进口温度的升高而逐渐减小。

（2）当各种参数（系统压力、质量流量、加热功率以及进口温度）分别保持恒定时，不同流动方向上CO2流体的摩擦压降均在实验总压降中所占有的比例最大，而重力压降在实验总压降中所占有的比例最小。不同流动方向上各种参数对CO2流体的摩擦压降、加速度压降以及重力压降均造成不同程度的影响，尤其是对垂直向下流动方向上摩擦压降在实验总压降中所占有的比例的影响最大。

（3）对于各种参数（系统压力、质量流量、加热功率以及进口温度）而言，不同流动方向上两种测试管径（1.0mm和0.75mm）内超临界CO2实验总压降的变化趋势始终保持一致。测试管径为1.0mm的实验总压降均远小于测试管径为0.75mm 的实验总压降，说明测试管径的尺寸大小对实验总压降的变化有着显著影响。本文中的实验总压降数据均通过实验研究所得到，各种参数的取值范围为：76.6bar≤P≤90.0bar，(42±2.0)W≤Q≤(80±2.0)W，1.9kg/h≤m≤3.4kg/h，(33±0.2)℃≤Tin≤(37±0.2)℃。

符号说明

D——测试管径，m

G——质量通量，kg/(m2·s)

L——管长，m

m——质量流量，kg/h

P——压降，kPa

Q——加热功率，W

T——温度，℃

ρ——密度，kg/m3

η——不同压降在实验总压降中所占有的比例，%

下角标

a——加速度

b——平均

cal——计算

exp——实验

f——流体或摩擦

g——重力

i——任意参数

in——进口

out——出口

tot——总数

z——局部位置