超高参数CO2在垂直管中的传热分析

在均匀加热条件下,开展了超高参数二氧化碳在垂直上升管中的传热特性实验研究。实验段内径为10.0mm,实验参数范围：压力p=8.21～20.6MPa,热流密度q _w=95～300kW/m²,质量流速G= 1000～1232.5kg/(m²·s)。分析了入口温度、压力和热流密度对传热的影响规律。实验结果表明,在热流密度、压力和质量流速一定的条件下,入口温度对传热有明显影响,当T _in<T _pc时,在拟临界温度前壁温出现峰值,达到峰值点随后又逐渐下降,即传热出现了恶化现象。但是当T _in>T _pc时在同样的工况下,壁温沿着主流焓值单调上升,无明显的壁温峰值出现,这意味着传热恶化只发生在T _in<T _pc时。在T _in>T _pc的超临界工况下,压力和热流密度对传热的影响较小,工质遵循单相强制对流换热。将实验数据与选取的典型传热关联式作比较,结果显示,经典的D-B单相湍流对流公式计算的换热系数和壁温已达到了满意的预测精度。     

压力瞬态下超临界压力CO2的传热特性

在均匀加热条件下,开展超临界压力二氧化碳在压力瞬态下的传热特性实验研究。实验段内径为10.0mm,实验参数范围：压力P=7.58~9.97MPa,热流密度q _w=64~256kW/m²,质量流速G=660~893kg/(m²·s)。分析了正常传热和传热恶化条件下,瞬间泄压过程对传热的影响规律。实验结果表明,正常传热工况下,壁温随着压力的减小有降低的趋势,传热系数明显增大;传热恶化发生后壁温迅速上升,对应的传热系数减小传热恶化更加严重,且恶化壁温峰值点向着入口方向移动。最后对实验现象进行了解释,正常传热下壁温降低是由于压力的降低增大了比热容,从而改善了传热。传热恶化发生后,压力的降低减小了拟临界焓值i _pc,从而增大了超临界沸腾数SBO,更大的SBO表明膨胀动量力占主导,靠近壁面低密度的vapor-like fluid在不断向外膨胀,从而使得低密度层流体的厚度增加,从而加大了传热热阻,这时壁温升高或者出现更大的恶化。     

超临界二氧化碳动力循环研究进展及展望

超临界二氧化碳（S-CO₂）动力循环具有效率高、系统紧凑及灵活性高等优点，未来可取代或部分取代水蒸气朗肯循环，实现高效热功转换。本文从能量传递转换机理、关键部件研发以及系统设计等角度，总结了国内外研究进展。已有研究表明，目前已成功展示小型径流式透平S-CO₂循环系统，但CO₂泄漏等导致系统性能降低，大型轴流式透平系统可能不会出现小型系统类似问题。综述了我国在S-CO₂循环方面的研究进展。围绕大型S-CO₂燃煤发电系统能量传递转换机理及系统概念设计，提出了锅炉模块化设计，将锅炉压降降低到与水蒸气锅炉相当甚至更低的水平；提出了顶/底复合循环，彻底解决了锅炉烟气热量全温区吸收问题。建立了高温高压CO₂传热实验系统，获得了宽广参数范围内的实验数据，引入超临界类沸腾概念并提出超临界沸腾数及K数，获得了高精度预测超临界传热恶化及传热系数的广义关联式，提出了控制壁温的S-CO₂锅炉概念设计等。在此基础上，提出了需加强的研究方向，包括适合不同热源（核能、太阳能、化石能源）的S-CO₂循环构建，回热器、压气机及透平等关键部件设计及制造技术，关键部件及全系统的控制运行技术，以及不同功率等级的S-CO₂循环的示范系统等，为S-CO₂发电的商业应用奠定理论和技术基础。     

垂直上升管内超临界CO_2流动传热特性研究

在压力为7.5～21 MPa,热通量为50～413 kW·m~(-2),质量流速为519～1500 kg·m~(-2)·s~(-1)的实验参数范围内,对超临界CO_2在内径为10.0 mm的垂直上升管内的流动传热特性进行了均匀加热条件实验研究。分析了热通量、压力和浮升力对圆管内传热特性的影响规律。实验结果表明:随着热通量的增加,传热出现恶化现象,并且随着热通量的增加壁温峰值点向入口段移动。传热恶化发生在流体温度小于拟临界温度而壁面温度大于拟临界温度附近。增大压力时由于物性的变化趋于平缓,传热恶化被抑制。当传热恶化发生时,浮升力对传热恶化有明显的影响。基于实验数据,综合考虑物性变化和浮升力对传热的影响,建立了新的超临界二氧化碳传热关联式,在实验工况范围内,预测值与实验值的平均偏差和标准差分别为1.2%和16.29%。     

圆管内超临界CO2的阻力特性

对超临界二氧化碳在圆管内流动时的压降和摩擦系数进行了实验研究。实验段长为2000 mm,内径为10 mm。该实验压力范围为8～16 MPa,质量流量范围为1000～1525 kg·m^-2·s^-1,内壁热通量范围为96.5～283.2 kW·m^-2。得到了不同工况下竖直圆管内流动阻力的变化规律,分析了压力、质量流速、主流焓值和热通量对圆管内摩擦阻力的影响。实验结果表明摩擦压降随着质量流量和压力的增加而显著增加,特别是当主流焓值超过拟临界焓值后,其增加的速度变得更加剧烈,同时发现热通量对摩擦压降的影响较小。对于预测常物性摩擦因子的经验关联式并不能预测超临界CO₂的摩擦因子。因此提出了一个新的经验关联式,其实验数据在±20%误差范围内占83.31%。     

微小型压缩空气储能系统用涡旋压缩机流动特性研究

以空气为工质,基于计算流体动力学方法,对无油空气涡旋压缩机在变工况运行条件下进行了三维非稳态数值模拟。研究发现：动静涡旋齿之间存在的径向间隙,会使得压缩机工作腔内温度、流速和压力的分布不规律;增大转速,不但可以增加涡旋压缩机的质量流量,而且还可以减小切向泄漏量,进而提高压缩机的工作效率;排气压力过大,会降低涡旋压缩机的基本输出性能;在低转速下,过高的排气压力会使得压缩机排气口出现“净回流”现象。     

垂直上升管内超临界CO2 流动传热特性研究

在压力为7.5～21 MPa，热通量为50～413 kW·m^-2，质量流速为519～1500 kg·m^-2·s^-1的实验参数范围内，对超临界CO₂在内径为10.0 mm的垂直上升管内的流动传热特性进行了均匀加热条件实验研究。分析了热通量、压力和浮升力对圆管内传热特性的影响规律。实验结果表明：随着热通量的增加，传热出现恶化现象，并且随着热通量的增加壁温峰值点向入口段移动。传热恶化发生在流体温度小于拟临界温度而壁面温度大于拟临界温度附近。增大压力时由于物性的变化趋于平缓，传热恶化被抑制。当传热恶化发生时，浮升力对传热恶化有明显的影响。基于实验数据，综合考虑物性变化和浮升力对传热的影响，建立了新的超临界二氧化碳传热关联式，在实验工况范围内，预测值与实验值的平均偏差和标准差分别为1.2%和16.29%。     

冷却条件下渐扩/渐缩管内超临界压力二氧化碳的传热特性

采用SST k-ω湍流模型,数值计算了冷却条件下超临界压力二氧化碳(SCO₂)在三种水平管(等截面管、渐扩管和渐缩管)内的传热特性,研究了不同运行参数(压力、质量流量及热通量)对传热性能的影响。结果表明,与等截面管相比,渐扩管有效地强化了传热,采用渐扩管时,SCO₂的总传热系数最大提高了47.98%。然而,相比等截面管,渐缩管却削弱了传热。最后,从类冷凝和湍流场分布的角度阐明了传热强化的物理机理。为SCO₂冷却器的优化设计提供了新的思路和理论指导。     

轴向非均匀热流条件下超临界二氧化碳垂直管内换热特性

针对超临界二氧化碳(S-CO₂)燃煤锅炉冷却壁热边界条件的实际分布，采用SST k-ω低雷诺数湍流模型，数值模拟研究了半周加热轴向非均匀热流作用下S-CO₂在垂直圆管内的传热特性，分析了不同热流分布、质量流速对换热性能以及圆管内壁温度分布的影响。研究结果表明：轴向非均匀热流分布对S-CO₂传热具有显著影响，在平均热流相同的条件下，相较于均匀热流分布，轴向非均匀热流分布下总传热系数最大提高了约8%；轴向非均匀热流分布对传热恶化有抑制作用，有效降低了壁温峰值点；非均匀热流条件下，S-CO₂传热主要受类气膜厚度、类气膜导热系数及近壁区定压比热容的影响较大。研究结果可为燃煤S-CO₂锅炉设计提供理论指导。     

太阳能热发电中超临界压力CO2在渐扩变截面圆管内冷却传热强化机理

采用SST k-ω湍流模型对冷却条件下超临界压力CO₂(S-CO₂)在等截面圆管、水平渐扩管以及不同倾斜角的渐扩管内的传热特性进行数值模拟。模拟结果表明，在相同换热面积下，相比较于等截面圆管，水平渐扩管的总传热系数提高了32.33%,30°倾斜渐扩管提高了33.12%；水平渐扩管的压降降低了53.87%,30°渐扩管降低了9.86%。采用综合性能评价准则PEC，得到水平渐扩管的综合性能最优。基于S-CO₂在拟临界温度T_pc处发生“类相变”的假设，获得了类液膜厚度沿管长方向的分布规律，在同一截面处，30°渐扩管的类液膜厚度最小，等截面圆管的类液膜厚度最大，从超临界态类两相的角度解释了强化传热。