Auswirkungen der Einlasstemperatur und des Einlassdrucks auf den Wärmeübergang von sCO₂ in einem 1 mm Durchmesser horizontalen Rohr

Überkritisches CO₂ (sCO₂) ist von großem Interesse für kompakte Kühlanwendungen, jedoch sind lokale Wärmeübertragungsdaten in millimetergroßen horizontalen Rohren unter elektronikrelevanten Bedingungen noch rar. Diese Arbeit berichtet über lokale Wärmeübergangskoeffizienten, Druckverluste und Temperaturwerte von Einlass zu Auslass für CO₂ bei Einlassdrücken von 7,5 bis 8,5 MPa, die in einem 1 mm horizontalen Rohr aus Edelstahl mit G = 2130 kg m −2 s −1 ( m ̇ ≈ 1,8 g s −1 ) unter gleichmäßiger Joule-Erwärmung über L h = 0,903 m bei q = 35 kW m −2 fließen. Eine kalorimetrische Datenreduktion, die auf Einlass- und Auslassbedingungen basiert, wird mit einer axialen Enthalpie-Integration kombiniert, um die Ergebnisse als Funktion der spezifischen Enthalpie auszudrücken, wodurch ein konsistenter Vergleich über die Einlasstemperaturen hinweg ermöglicht wird. Die erhaltenen Wärmeübergangskoeffizienten reichen von 10 bis 60 kW m −2 K −1 und zeigen eine systematische Abhängigkeit von Einlasstemperatur und Druck durch die pseudo-kritische Region. Wenn das Fluid nahe der Wand den pseudo-kritischen Punkt überschreitet, wird eine erste Verbesserung beobachtet, die mit dem starken Anstieg von c p assoziiert ist, was den Zusammenbruch von ( T w − T b ) verursacht. Der gesamte Druckabfall steigt steil an, wenn die Einlassbedingungen sich der pseudo-kritischen Temperatur nähern, während der Temperaturanstieg von Einlass zu Auslass abnimmt und dazu tendiert, zu stagnieren, was den thermisch-hydraulischen Trade-off in diesem Bereich verdeutlicht. Darüber hinaus zeigt der Vergleich mit den Korrelationen von Petukhov (P) und Krasnoshchekov–Kuraeva–Protopopov (KKP), dass KKP etwa 85 % der Daten innerhalb von ± 20 % erfasst, während P bei hohen Wärmeübergangskoeffizienten überprognostiziert, da die starken radialen Eigenschaftsvariationen nicht berücksichtigt werden. Diese Ergebnisse liefern einen Benchmark-Datensatz über hohe Reynolds-Zahlen und niedrige Wärmeflüsse von sCO₂-Wärmeübertragung in 1 mm horizontalen Kanälen und zeigen eine verbesserte Leistung von sCO₂ als lokalen einphasigen Kältemittel, was es zu einer vielversprechenden Alternative für die Kühlung von Detektoren und Elektronik bei warmen Betriebstemperaturen über 31 °C macht. • Lokale CO₂-Wärmeübergangskoeffizienten experimentell in einem 1 mm horizontalen Rohr erhalten. • Wärmeübergangskoeffizienten von 10–60 kW m −2 K −1 mit manchmal zwei lokalen Spitzen nahe T p c . • Temperaturanstieg sinkt und Druckverlust erreicht Spitzenwerte nahe pseudo-kritischen Bedingungen. • CO₂ kann eine praktikable Alternative zu Wasser für die Elektronik-Kühlung in kleinen Kanälen sein.