CO2工质传热计算与状态选择

流体在亚临界和超临界状态的热物性存在明显差异，图7-11（a）所示为压力为9 MPa时超临界CO2的密度、定压比热容、热导率和黏度随温度的变化曲线。可以看出，在临界温度附近，这些热物性出现很大的波动。图7-11（b）所示为不同压力下CO2的定压比热容随温度的变化曲线，在临界点附近，定压比热容急剧增大。热物性的明显变化会影响传热计算的精度，在实际工作中，需要根据CO2所处的状态，选用合适的传热关联式来进行传热计算。

图7-11　CO2热物性随温度的变化曲线

（a）压力为9 MPa时的热物性；（b）不同压力下的定压比热容

在二氧化碳动力循环的热力学分析中，常常需要估算换热器面积的大小，这对计算系统的尺寸和成本很关键。因此，需要计算CO2在不同形式换热器中的对流传热系数。对于管壳式换热器，对超临界状态的二氧化碳可采用Krasnoshchekov-Protopopov关联式［9］计算。

式中，Re和Pr为工质的雷诺数和普朗特数；摩擦因子f=（1.82 lg Re-1.64）-2；k为导热系数；μ为黏度；下标“bulk”指流体平均温度，下标“wall”指壁面温度；为按截面平均的定压比热容，

亚临界状态单相CO2的换热可采用Petukhov关联式［10］计算。

在求得摩擦因子f后，可由式（7-3）求得换热器的压降：

式中，G为质量流量，L为流道长度，D eq为水力直径。

气液两相状态的对流换热系数可由Cavallini-Zecchin关联式［11］求得。

式中，Re eq由下式给出：

冷凝器内CO2工质的压降可由Kedzierski-Goncalves关联式［12］计算。

近年来，对超临界CO2与高温热源换热的换热器可采用印制电路板式换热器（Printed Circuit Heat Exchanger，PCHE），PCHE内CO2的对流传热系数可由Gnielinski关联式［13］，［14］求得。

PCHE内部微通道内的压降与Re和管内壁粗糙度有关，设壁面的蚀刻轮廓波峰与波谷间的最大轮廓高度为δ，则相对粗糙度定义为

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根据相对粗糙度确定的流动过渡区雷诺数为

当实际流动雷诺数Re小于Re0时，

当Re0＜Re＜Re1时，

当Re1＜Re＜Re2时，

将式（7-23）和式（7-24）代入式（7-22），通过迭代求解可得f，f的初值由下式给出：

当Re2＜Re＜Re3时，

当Re＞Re3时，

对采用CO2的工质泵，不同工况下的性能可由相似定律进行估算。

工质泵的工作效率可由下式估算：

对于截面不可调整的涡轮膨胀机，当采用压力滑移模式工作时，在不同工况下可由Stodola椭圆公式［15］近似计算其工作性能。

涡轮效率可由下式估算［16］：