超临界水冷堆类四边形子通道内超临界水的传热试验研究

在压力23~28 MPa、质量流速700~1 300 kg/(m2·s)、热流密度200~800 kW/m2的参数范围内,对超临界水冷堆堆芯棒径D=8 mm、栅距比P/D=1.2的类四边形子通道内超临界水的传热特性及管壁温度分布进行了试验研究,分析了压力、热流密度和质量流速对管壁温度及传热特性的影响,并与环形通道内超临界水的传热特性进行了对比。试验结果表明:在超临界压力区,类四边形子通道管壁温度随着焓值的增大而逐渐上升,换热系数在拟临界点附近达到峰值,低焓值区的换热系数比高焓值区大;随压力增大,壁面温度升高,换热系数峰值减小;热负荷的增大和质量流速的减小均会使壁面温度升高,换热系数减小,削弱传热强化。与环形通道对比发现,在低焓值区,类四边形通道与环形通道内壁温度和换热系数相差不大;超临界水在类四边形子通道内比在环形通道内更容易渡过拟临界区,拟临界区对类四边子形通道的影响比对环形通道的影响小。     

螺旋管圈内螺纹管内上母线处超临界水传热关联式建立

为发展准确度高、通用性强的螺旋管圈内螺纹管内上母线处超临界水传热关联式,利用收集的螺旋管圈内螺纹管内超临界水传热实验数据,对现有传热关联式的预测能力进行评价与分析,发现现有传热关联式对其他学者不同几何结构参数管型、不同螺旋倾角内螺纹管传热实验数据的预测通用性较差;讨论了超临界水物性、螺旋倾角以及管型几何结构参数对管内超临界水传热的影响,提出了新的通用传热关联式,并用实验数据对新传热关联式进行了验证。结果表明,新传热关联式可对不同管型、不同螺旋倾角的内螺纹管内上母线处超临界水表面传热系数进行比较准确的预测。     

基于类沸腾理论的超临界CO_(2)水平管内强制对流传热特性EI北大核心CSCD

该文开展超临界二氧化碳10mm水平圆管内强制对流传热的实验研究,实验参数范围为:质量流速为240.12~1020.34kg/m^(2) s;热流密度为30.24~352.64kW/m^(2);压力为7.542~15.427MPa。基于类沸腾理论解释了实验结果:用类液相雷诺数的大小表征类液相层流效应的强弱,解释传热系数随热流密度的非单调性变化,为超临界流体正常传热与传热恶化划分了边界;用弗劳德数解释类两相区内顶底壁面的传热差异,工质在类气类液区的传热符合单相工质特征。研究结果验证了类沸腾理论模型的实用价值,可为超临界流体传热提供新的研究思路。     

直通道印刷电路板式换热器过渡区传热与流动的实验与数值模拟研究

制造了一台直通道及半圆形截面的印刷电路板式换热器（PCHE）样机并进行了不同流量下的水-水过渡区下的传热与流动实验。采用经典宏观圆管传热与流动关联式获得的计算结果与实验结果有明显偏差，具体为实验f因子更大，总体传热系数随雷诺数的变化更复杂。因此，对相应应用范围内PCHE过渡区液体流动的传热与流动关联式进行了校准。为了获得传热关联式，利用数值模拟获得PCHE过渡区单侧平均表面传热系数。结果表明，基于平均表面传热系数获得的总体传热系数与实验值平均偏差为8.5%，最大偏差为17.2%，但基于平均表面传热系数获得的总体传热系数预测模型与实验结果的偏差在10%以内，说明通过数值模拟获得PCHE过渡区单侧平均表面传热系数是一种可行的思路。     

超临界CO_2换热特性实验研究

超临界CO_2布雷顿循环发电系统具有动力设备体积小、效率高的优点,发展潜力巨大。超临界CO_2的换热特性是相关部件设计的关键,本文实验研究了超临界CO_2在水平直圆管中的换热特性,其中CO_2的最高压力达到15 MPa、最高温度达到500℃。结果表明:CO_2的压力越高,传热系数在准临界温度处的峰值越低,传热系数随CO_2温度的变化越平缓;而在高温状态下,传热系数主要取决于CO_2流量的大小。同时,本文提出了超临界CO_2在30～500℃范围内的传热关联式,该式既能较好地预测超临界CO_2准临界温度范围的传热特性,又能准确地预测高温状态的传热特性。     

亚临界及近临界压力区倾斜管与垂直管中汽水沸腾传热特性比较

在亚临界及近临界压力下,对Φ32×3mm 不锈钢倾斜上升光管(倾角α=20°)及垂直上升光管中水的沸腾传热特性进行了试验研究。试验参数范围:压力 p=13~21.5MPa,质量流速 G=600~1200kg/(m2s),内壁热负荷 q=200~600kW/m2。试验结果表明:倾斜管比垂直管更容易发生第一类传热恶化(DNB),但倾斜管发生 DNB 后的壁温飞升峰值低于垂直管;倾斜管与垂直管类似,增加质量流速可以提高临界热负荷,在近临界压力区比亚临界压力区更容易发生DNB。提出了对超临界锅炉设计有重要参考价值的倾斜管临界热负荷、垂直管及倾斜管最小传热系数的计算关联式。     

超临界变压运行直流锅炉内螺纹管螺旋管圈水冷壁的传热特性研究

在压力9~28MPa,质量流速600~1200kg/(m2s),内壁热负荷200~500kW/m2的工况范围内,研究了Φ38.1×7.5mm倾斜上升内螺纹管(倾角α=19.5o)中水的传热特性。试验结果表明:在亚临界压力区,内螺纹管传热强化作用明显,有效地抑制了膜态沸腾的发生,但在近临界压力区此传热强化作用有所减弱。超临界压力区拟临界温度附近,内螺纹管内壁面与流体之间的温差较之前有所增加,但是此增幅远没有亚临界压力区发生传热后的壁温飞升幅度大。随着系统压力接近临界压力,拟临界点附近管壁与工质的温差显著增加。在超临界压力区,不同的质量流速与热负荷比例下,在大比热区内螺纹管内流体传热可能被强化也可能被恶化。在超临界压力下,由于螺旋内槽的旋流作用减弱了自然对流的影响,倾斜上升内螺纹管内壁温度的周向分布比较均匀。在高焓值区内螺纹管的周向最大温差只有10℃左右。文中提出了在考虑大比热区工质物性剧烈变化对传热影响的情况下,倾斜上升内螺纹管顶部内壁传热系数的试验关联式。     

基于无量纲结构因子的低质量流速内螺纹管中超临界水流动和传热性能分析

无量纲结构因子的合理选取对超临界及超超临界循环流化床锅炉中低质量流速内螺纹管的性能比较及通用换热关联式的发展具有重要意义。文中使用经过实验验证的数值模型,对具有不同几何结构的内螺纹管流动和传热特性进行了分析。结果表明,在无量纲结构因子βW=1.92~3.80、质量流速200~800kg/(m~2·s)、热流/质量流速比0.35~1.5k J/kg的范围内,βW能准确描述内螺纹管中超临界水的对流换热特性。βW相同时,内肋螺旋效应的有效作用区域(边界层对数区初段y+=30~100)中流场旋流强度基本一致,内螺纹管的传热性能也基本相同。肋结构对垂直上升流动超临界水换热的影响在Bo=10-5~10-4、βW2.58范围内最为明显,在此范围之外,其影响大小明显弱于强物性变化作用和浮升力作用。最后,指出发展精度更高的强制对流换热关联式是提出准确的内螺纹管超临界水对流换热关联式的基础。     

600MW煤基超临界二氧化碳循环PCHE预冷器设计及传热特性研究EI北大核心CSCD

为对超临界二氧化碳循环预冷器进行概念设计并探究其传热特性,构建了印刷电路板式换热器(printed circuit heat exchanger,PCHE)预冷器的变结构分段设计模型,对600MW煤基超临界二氧化碳循环PCHE预冷器开展设计计算和传热特性研究,在定换热量条件下分析冷热侧质量流量与预冷器设计参数的变化关系,探讨其内部传热特性,并给出预冷器设计方案。结果表明:预冷器内S-CO_(2)拟临界工况使温度呈非线性变化,热侧工质物性变化对预冷器整体传热性能的影响更加明显;热侧单通道入口质量流量增加3倍能使平均传热系数提高54.21%,但最小温差值降低53.38%,冷侧单通道入口质量流量的增加仅能强化冷侧传热;设计时可优先选取体积为优化目标以确定截面通道数及热侧入口参数,冷侧水量选取应权衡尺寸及压降关系;最终,该方案选取预冷器内冷热侧单通道入口质量流量分别为2.2和0.75g/s,与已有结果相比该预冷器体积可减小10.50%,夹点温差提高1℃。     

宽负荷超临界、超超临界锅炉光管螺旋管圈水冷壁传热特性

在压力p=12~32MPa,质量流率G=741~2294 kg/(m~2·s),内壁热负荷q(28)200~870 k W/m~2的参数范围内,以水为工质,对水平倾角25°的倾斜上升光管的传热特性进行了试验研究。试验结果表明:浮力作用是倾斜管传热的重要影响因素。热负荷对传热具有多重影响。在亚临界压力区,质量流率增量具有界限值,其影响与垂直管中的界限质量流率有所不同。在近临界压力区,增大质量流率或降低热负荷能推迟传热恶化的发生;宏观对流作用可以改善恶化后的传热。在超临界压力区,超临界水的物性变化作用不能减小倾斜管的周向不均匀性。     

类单侧加热条件下有内置纽带的竖直上升圆形通道内过冷水的传热特性

为了研究国际热核聚变实验堆中偏滤器靶板的水冷换热结构的传热特性,用偏心电加热的方法来模拟工程实际中的单侧辐射加热。在系统压力P=3~5MPa、质量流速G=3000~8000kg/(m~2?s)、冷却通道壁面的平均热流密度q=2~5MW/m~2的参数范围内,对类单侧加热条件下,有内置纽带的竖直上升圆形通道内的水进行传热试验。分析了P、G、q以及内置纽带对传热特性的影响,在单相及过冷沸腾区将实验数据与典型的传热关联式进行对比,并提出了新的传热关联式。结果表明:在单相强制对流区,试验段的换热系数h主要受G和内置纽带的影响;在过渡沸腾区,h受到P、G、q和内置纽带的综合影响;而在充分发展过冷沸腾区,h主要受到q的影响。     

非均匀加热管内超临界CO_2传热特性研究

在质量流速100 kg/(m~2·s),热流密度28～50kW/m~2,入口压力7.6～8.6 MPa下,对超临界CO_2在非均匀热流密度下竖直向上的流动传热规律进行了数值模拟,比较了均匀与非均匀加热的区别,分析了非均匀加热情况下热流密度和入口压力对对流传热系数、浮力效应和加速效应的影响,提出并检验了新的传热关联式。结果表明:与均匀加热相比,非均匀加热局部对流传热系数小,壁温更高;随着热流密度的增大,对流传热系数减小,浮力效应和加速效应增强;高热流密度下,随着入口压力的增大,对流传热系数增大,浮力效应和加速效应减弱;新的传热关联式能较好地预测本文中超临界CO_2的传热规律。     

内螺纹管内超临界水的流动阻力特性试验研究

在压力22.5~28MPa,质量流速600~1000kg·m-2·s-1,工质比焓800~3100 kJ·kg-1范围内,对超临界水在四头内螺纹管内的流动阻力特性进行了试验研究,得到了不同工况下内螺纹管流动阻力的变化规律,分析了压力、质量流速和工质比焓变化对内螺纹管摩擦阻力系数的影响。试验结果表明:超临界压力下质量流速对摩擦阻力压降有很大影响,但对摩擦阻力系数的影响很小;在拟临界区域摩擦阻力系数有阶跃式增长现象,且这种阶跃增长现象随着压力的增加而减弱。整理试验数据得到超临界水的内螺纹管摩擦阻力系数经验关联式,与试验值相比误差小于15%,为设计具有良好水动力特性的超临界锅炉提供可靠依据。     

平行管超临界流体流动不均匀特性试验研究

为了解超临界循环流化床（CFB）锅炉炉膛中悬吊屏平行管束内工质流动不均匀性,基于流体模化理论,设计超临界工质平行管束试验系统,以R-134a模化超临界水蒸气进行试验研究。试验在工质质量流率500~700 kg/(m2·s),入口温度503~543 K,入口压力4.0~4.3 MPa,CFB颗粒浓度3.9~15.0 kg/m3下进行,研究了上述参数对平行管束中工质流动不均匀性的影响。结果表明:影响工质在管束内流动不均匀性的主要因素包括管外的换热特性、管内的换热特性和管内压降;工质入口温度增加,其在平行管束内的流动不均匀性降低;当工质入口压力高于其临界压力时,入口压力变化对工质整体流动不均匀性影响较小;工质质量流率增加,其流动不均匀性增加;管束外侧颗粒浓度增加,工质流动不均匀性增强;试验条件下,平行管束两侧流动不均系数相对较小。     

矩形和圆形微通道内流体流动特性的实验研究

流体在微米级通道中的流动规律与常规通道不同,其区别主要体现在摩擦因子、转捩雷诺数和泊肃叶数等方面。针对上述问题,实验研究了水在水力直径为167~195 m矩形硅通道和水力直径为168~399 m圆形玻璃微管中的流动特性。结果表明,对水力直径为167~195 m的矩形通道,其转捩雷诺数发生在1 300~1 480;对水力直径为168~399 m的圆形通道,其转捩雷诺数位于2 600~2850,且二者的摩擦因子和泊肃叶数与理论值基本一致,这说明了微通道的形状对流动阻力特性没有明显影响。通道S-3的长径比为173,其入口段长度比常规管道入口段略长,说明微通道的入口效应较明显。实验测量了微通道的局部阻力压降随流量变化的关系。结果表明,突变微通道内水流动的局部阻力符合常规理论曲线。     

超超临界循环流化床锅炉内螺纹管水冷壁流动传热特性试验研究

该文在中低热流密度、质量流速的条件下,针对超超临界循环流化床锅炉的水冷壁管进行流动传热特性的试验研究。试验中使用材质为15Gr Mo G、外径和壁厚为φ35mm×5.67mm的六头内螺纹管,试验压力P为23~32MPa、质量流速G为600~1200kg/(m2?s)、热流密度q为200~510k W/m2。该文展示试验中获取的管壁温度的分布规律;拟合出可以用于工程实际的传热和阻力系数的公式;用六个传热系数公式对试验数据进行评估;探讨管内传热强化和减弱的机理。试验结果表明:压力和热流密度的变化对壁温的影响主要集中在焓值大于2400k J/kg的区域;质量流速的增大可以延迟传热恶化;浮升力对传热的影响集中在流体拟临界温度之前;相对于质量流速,热流密度和压力的变化对摩擦压降和阻力系数的影响更为显著。     

超临界二氧化碳在垂直光管内的传热特性

通过实验和模拟方法,研究超临界CO_2在恒定热流的垂直光管内的传热特性。实验段内径为10mm,全长2m;从实验数据中选取4个工况进行模拟研究,经过模型对比后选用SST k-w湍流模型模拟工质的传热传质过程;分别定义了正常传热和传热恶化现象,并对超临界流体的物性变化进行分析。流动热加速对于传热的影响显著,流体大比热区在径向截面上的位置与流体的主流温度可以作为判定传热恶化是否发生的依据。正常传热工况,在主流温度到达拟临界温度前,大比热区集中在过渡区中;当传热恶化现象出现时,主流温度与拟临界温度之差较大,大比热区已从过渡区移向核心区,导致雷诺切应力降低和湍流强度削弱,直到雷诺切应力方向改变,传热效果开始恢复。     

近临界压力区低质量流速光管水冷壁临界热流密度试验研究

在近临界压力区,对垂直上升光管的临界热流密度(CHF)进行了试验研究。试验参数范围:压力18~22MPa,质量流速310~550kg·m-2·s-1,进口过冷度5~10℃。试验段的管径和壁厚为30mm和5.5mm。试验得出了各工况条件下光管壁温分布规律;分析了各参数对传热特性的影响;分别拟合出正常传热和传热恶化区域传热系数的计算式;拟合出了CHF的计算式并与4个典型的CHF计算式进行了对比;分析了各试验参数对CHF的影响;探讨了传热恶化产生的原因和汽泡大小的关系。试验结果表明:压力越靠近临界压力,质量流速越小,传热恶化越早发生;截面位置越靠前,发生传热恶化的干度越小;该试验中传热恶化以核态沸腾(DNB)传热恶化为主。     

水平管内超临界CO_2冷却传热特性数值分析

采用数值模拟的方法研究冷却条件下水平管内超临界CO_2(supercritical CO_2,S-CO_2)湍流传热特性。通过实验数据验证AB、YS、LS、AKN和SST k-ω五种湍流模型预测S-CO_2冷却传热的能力,确定SST k-ω低雷诺数湍流模型的预测能力最佳。基于S-CO_2在类临界温度Tpc处发生"类相变"的假设,通过获取圆管横截面内流体的物性分布和湍流分布,研究水平管内S-CO_2冷却传热机理,并阐述顶母线和底母线传热系数分布存在差异的原因。分析热流密度qw和质量流速G对传热性能的影响,计算结果表明,S-CO_2冷却传热特性与近壁区类液膜厚度、导热系数及径向湍动能分布等因素密切相关。该结论对S-CO_2布雷顿循环系统的冷却器设计和经济运行具有一定的指导意义。     

亚临界及近临界压力区低质量流速垂直内螺纹管传热特性试验研究

在低质量流速条件下,对垂直上升内螺纹管内汽水两相流动沸腾传热特性进行了系统的试验研究。试验段采用了材料为SA-213T12的φ32mm×6.3mm四头内螺纹管。试验参数范围为压力p=12～21MPa,质量流速G=232～773kg/(m2·s),内壁热流密度q=132～663kW/m2。试验得到了不同工况下垂直上升内螺纹管的壁温分布特性,分析了压力、内壁热负荷和质量流速变化对内螺纹管传热特性的影响,探讨了传热恶化的发生机制,并给出了能用于工程实际的传热试验关联式。试验结果表明:在亚临界及近临界压力区,垂直上升内螺纹管会发生第2类传热恶化——干涸(dryout),而在试验中未观测到第1类传热恶化——膜态沸腾(departure from nucleate boiling,DNB)。压力与内壁热负荷的增大,以及质量流速的减小,均会导致干涸提前发生和干涸后的壁温飞升值增大。与亚临界压力区相比,内螺纹管在近临界压力区的传热特性变差,管壁温度显著升高,发生传热恶化时的临界焓值减小。