超临界压力下二氧化碳在套管换热器内传热特性数值模拟

在超临界二氧化碳布雷顿循环等热质循环输运过程中，存在超临界压力下冷热2股二氧化碳间的流动传热过程，其传热特性是影响相应系统性能的关键。本文以套管换热器为原型，对超临界压力下的冷热二氧化碳间的传热特性开展了数值模拟研究，分析了热流体入口温度、冷热流体入口流量对于传热特性的影响和周向的传热特性分布。结果表明:随着热流体入口温度的变化，热侧和冷侧的局部换热系数产生相应的变化和波动，同时冷侧局部换热系数在主流温度接近拟临界温度时，会出现明显的传热强化现象；另外，热侧二氧化碳质量流量的上升，会使得热侧换热系数提高，冷侧换热系数峰值减小且向冷流体入口处移动，而随着冷侧质量流量的上升，冷侧换热系数峰值增大且向冷流体出口处移动。这是由于套管换热器为水平布置，传热特性在周向上产生了明显的不均匀现象，其与流体密度变化在重力作用下的局部湍流效应增强和削弱有关。本研究对新型二氧化碳布雷顿循环等热质循环输运过程的开发和设计具有指导意义。     

结构和工况参数对印刷电路板式换热器性能的影响

印刷电路板式换热器（PCHE）具有耐高温高压和结构紧凑的特点，因此常被用于超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿循环中。本文采用分段设计方法对PCHE建立了数学模型，与实验结果对比显示，热负荷、冷负荷、冷流体进口温度、热端换热面积、热端流量的误差分别为2.700%、0.330%、0.634%、0.683%、2.219%，证明了数值模型的正确性。对不同水力直径、壁厚及热端进口温度下的PCHE换热性能及阻力特性进行了对比分析，结果表明:水力直径与总传热系数和压降成反比，冷端压降大于热端；壁厚与总传热系数成反比，但压降对壁厚变化不敏感；热端进口温度越高，总传热系数和压降越小。研究结果可为PCHE的几何设计和热力学性能的研究提供一定参考。     

非对称紧凑式换热器内超临界二氧化碳与液态铅铋合金耦合换热特性研究

超临界二氧化碳布雷顿循环与铅冷快堆的结合被认为是最为理想的动力循环之一，系统通过中间换热器传递热量，其性能影响着整个发电系统的高效与安全运行。由于超临界二氧化碳和液态铅铋合金（LBE）物理性质和热输运性质差异显著，对称式结构无法匹配两侧工质的换热要求，构建了1种非对称式紧凑式耦合换热器，采用数值模拟方法研究了超临界二氧化碳与液态铅铋合金耦合换热特性。结果表明：提升冷侧流体入口速度会显著增强换热；增加热侧LBE入口速度时，总换热系数先降低后增加；提升换热器冷热流体入口温度，换热器的换热系数先减小后增大，存在最优值；在拟临界区内，强浮力作用会大幅提升冷侧换热，而加速效应则抑制换热。     

类菱形肋片流道印刷电路板换热器热工水力特性研究

为研究类菱形肋片流道印刷电路板换热器热工水力特性，采用数值模拟方法，以冷侧超临界二氧化碳(S-CO₂)和热侧气态CO₂为工质，分析了冷侧进口温度313.15～353.15 K，热侧进口温度553.15～593.15 K，冷热侧热工水力特性的变化，比较了NACA0030翼型肋片流道和类菱形肋片流道的综合性能。结果表明：S-CO₂入口温度增大40.0 K，总换热量减小23.91%，冷、热侧压降分别增大29.95%、11.14%；气态CO₂温度增大40.0 K，总换热量增大16.40%，冷、热侧压降分别增大9.42%、7.43%,S-CO₂入口温度变化对热工水力特性的影响更明显；类菱形肋片流道印刷电路板换热器有着更小的流动阻力和较好的综合性能。该研究结果对间断型印刷电路板换热器设计有一定的参考意义。     

超临界二氧化碳布雷顿循环燃煤发电系统仿真研究

针对超临界二氧化碳主压缩机间冷再热再压缩布雷顿循环燃煤发电系统,建立了相关的热力学模型。通过详细的模拟仿真,研究高压透平入口压力、高压透平入口温度、主压缩机入口温度以及压力损失等关键参数对循环最佳热效率的影响。通过分析发现,提升高压透平入口压力和高压透平入口温度、降低主压缩机入口温度都有利于循环热效率的提升,压力损失的增加会导致循环效率降低。最后,将超临界二氧化碳循环燃煤机组的性能与实际运行的蒸汽循环燃煤发电机组的性能进行了比较。研究结果表明,SCO_2循环机组可以通过改进循环参数取得与水蒸汽循环相当或者更低的供电煤耗;但是在供电功率相同的情况下,SCO_2循环机组工质在锅炉里面的体积流量更大。     

300MW超临界二氧化碳锅炉气动力特性及壁温分布

超临界二氧化碳布雷顿循环有着全流量回热、回热量大的特点,使得其进入热源的工质温度远高于同参数的蒸汽朗肯循环。与以水为工质的传统超临界锅炉相比,超临界二氧化碳锅炉具备入口工质温度高,再热气吸热比例较高,锅侧流体远离大比热区等特点。因此,深入研究超临界二氧化碳锅炉气动力特性(对应水工质锅炉的水动力特性)对煤基超临界二氧化碳发电技术的发展意义重大。以300MW,600℃等级的超临界二氧化碳锅炉为例,通过数值模拟和气动力建模计算相结合的方法,对垂直管圈气冷壁和再热气冷壁的气动力特性进行了详细计算和分析,获得了相应的流量分配规律以及气温和壁温分布特点。     

槽式太阳能腔体式吸热器热力性能分析

详述了适用于槽式太阳能中低温有机朗肯循环热发电系统的腔体式吸热器的结构形式和聚光原理;并应用TRACEPRO软件对该吸热器的光学特性进行了分析,证实了该吸热器能够可靠地接收太阳辐射;建立了该吸热器的二维稳态传热计算模型;选用R123作为工质,系统地分析了其在超临界工况下的辐照强度、工作压力、工质流量、环境风速以及保温层厚度等参数对热吸热器热力性能的影响规律。结果表明:吸热器在超临界工况下工作时,适当增加工质流量可以增大其吸热量并保证其安全稳定运行;增加入口压力会增加设备成本,并且不能提高吸热器的性能;合理的保温层厚度可以有效减少热损,使吸热器性能得到改善。研究结果可为设计和搭建腔体式吸热器实验台提供理论参考。     

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。     

超临界二氧化碳再压间冷分流光热发电系统性能仿真分析

为提高基于光热的超临界二氧化碳（S-CO₂）循环发电效率,提出了1种改进的再压间冷分流循环发电方案。通过建立热力学模型对系统进行参数优化,在循环效率最大和熔融盐出口温度为290 ℃ 2种情况下,将该方案与传统再压缩循环方案进行了效率和系统总热导对比。计算结果表明:相较于再压缩循环方案,改进方案的效率提高了1%,总热导增加了4%;降低熔融盐出口温度可以减小系统总热导;当熔融盐出口温度限定为290 ℃时,再压间冷分流方案的效率降低至36%,系统总热导降低了10%。该结果可为塔式光热发电系统的设计和参数选择提供参考。     

超临界二氧化碳部分冷却布雷顿循环参数优化

针对一级再热超临界二氧化碳部分冷却布雷顿循环建立循环热力学模型,分析循环关键参数对循环热效率的影响。结果表明:最佳再热压力的最佳值约为第一级透平的0.5倍;在给定条件下,使压缩机入口参数接近于临界值、减小夹点温差、提高透平入口温度、提高压缩机效率和透平效率都可以提高循环热效率;透平效率对循环热效率的影响大于压缩机效率对循环热效率的影响。     

采用超临界二氧化碳动力循环回收燃气轮机排气余热的系统优化研究

采用超临界二氧化碳（S-CO2）动力循环回收燃气轮机排气余热可以提高系统性能,增加 系统灵活性,减小系统体积。为此,本文采用遗传算法,以Taurus 60燃气轮机排气为热源对4种S-CO2动力循环构型进行优化。结果表明,采用高、低温2级加热器布置的循环构型4输出净功最高,为3.20 MW,和单独的燃气轮机相比,可使系统热效率提高17.78百分点,是回收燃气轮机排气余热发电的优选构型。针对S-CO2动力循环冷源损失较大的问题,进一步集成以液化天然气（LNG）为冷源的跨临界二氧化碳（T-CO2）动力循环回收S-CO2动力循环冷源余热,可以进一步增加输出净功1.23 MW,使系统热效率进一步提高6.86百分点。对预冷器进行夹点分析可知,最小换热温差出现在预冷器热端,未出现夹点效应,满足设 计要求。     

超临界二氧化碳与液态铅铋合金耦合换热模型与换热特性研究

铅冷快堆和超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿循环因其高的热效率、紧凑式设计被认为是 最具前景的发电系统之一。液态铅铋合金（Pb/Bi）和S-CO2在中间换热器耦合换热,然 而2种流体的湍流输运特性与耦合传热行为相较于常规流体差异巨大,常规湍流模型无法准确预测其耦合换热性能。为获得两者间耦合传热的准确预测模型、掌握耦合传热规律,首先针对管内液态Pb/Bi和S-CO2的湍流普朗特数（Prt）模型的适用性进行了比较分析,发现冷、热侧分别选择Tang、Cheng和Tak提出的Prt模型可获得准确结果;对两者的耦合换热模型进行了深入分析与校验,模拟结果与实验数据吻合良好;全面探讨了雷诺数、工质温度对2种特殊流体耦合传热能力的影响,发现套管式换热器热阻主要存在于S-CO2侧,提升S-CO2侧参数可以迅速提高传热性能,且当S-CO2工质温度处于拟临界区时换热器的换热能力将大幅增强。     

部分冷却二氧化碳循环燃煤发电系统热力学性能分析

再压缩二氧化碳布雷顿循环具有结构简单、循环效率高的优点。然而，再压缩循环应用于燃煤电站时面临锅炉压降大、冷却壁温高和余热利用难的问题。部分冷却二氧化碳循环凭借其本身的循环特点，在与燃煤锅炉集成时可有效缓解以上问题。利用MATLAB软件编写了600 MW部分冷却二氧化碳循环燃煤发电系统的热力计算程序。首先研究了单一参数变化时系统循环效率的变化情况。结果表明：主压缩机入口压力和温度在临界点附近约7.8 MPa/32℃时循环效率达到最大值；预压缩机工作在临界点附近时系统效率突降；分流系数和再热压力分别在0.35和17 MPa时系统效率达到最高。随后，应用粒子群算法对部分冷却循环进行参数优化，结果表明部分冷却循环在合适的设计参数条件下，可以实现接近于再压缩循环的效率。相比于再压缩循环，部分冷却循环的质量流量下降了17.46%，锅炉入口温度从462.45℃降低到429.39℃。     

50MW超临界二氧化碳燃煤电厂热经济性分析

超临界二氧化碳（S-CO2）循环发电具有效率高和设备紧凑等优点,被认为是未来燃煤发 电领域最具潜力的技术之一。本文针对现阶段小容量系统部件全局设计和多准则评价研 究比较欠缺的问题,提出了系统结构设计-流动传热计算-多指标评价同步计算方法,并 通过计算,对比了不同系统及不同设计参数下,50 MW级S-CO2燃煤电厂的热经济性能。结果表明:透平入口参数25 MPa/620 ℃下,再压缩-再热循环燃煤电厂发电效率比再压缩循环高3.29%,平准化度电成本低2.52%;不同设计参数下,2个系统总投资成本不超过3.9×108元,锅炉成本约占总设备投资成本的80%。     

超临界二氧化碳600 MW燃煤发电系统热力学性能仿真研究

本文采用Ebsilon软件对超临界二氧化碳布雷顿循环600 MW燃煤发电系统进行仿真研究,分析该系统主压缩机入口/出口压力、再热透平入口压力、压缩分流系数以及主/再热气温对其热力学性能的影响。研究结果表明:系统发电功率和循环效率随主/再热气温的提升而升高;主压缩机入口和出口压力存在最佳值;系统循环效率受压缩分流系数的影响较大,压缩机的总耗功量随压缩分流系数的升高而增大,导致系统发电功率降低;再热透平入口压力对系统循环效率影响较小。通过遗传算法对发电系统多参数进行优化可得,当主压缩机入口及出口压力分别为7.94、30.94 MPa,再热透平入口压力和压缩分流系数分别为17.88 MPa和0.30时,系统循环效率最高可达48.89%。     

水平管内低质量流量超临界二氧化碳异常传热行为研究

研究了水平管内低质量流量超临界二氧化碳(S-CO₂)异常传热行为，采用Fluent软件模拟了水平管内低质量流量条件下S-CO₂传热过程，分析了加热和冷却条件的异常传热行为和热流密度对传热影响。结果表明：热边界条件为压力8 MPa、质量流率200 kg/(m²·s)、热值比q/G=0.2 kJ/kg时，S-CO₂管内流动冷却过程中上、下壁面温度均沿程降低，在S-CO₂主流温度达到拟临界温度时，距离入口551.0 mm处上壁面换热系数出现突变峰值，该处传热强化；S-CO₂管内流动加热过程中上壁面温度均先沿程升高，而后下降至395 K后缓慢上升，下壁面温度短暂降温后缓慢升温，距离入口69.5 mm处上壁面传热系数出现谷值，该处传热恶化；热流密度的增大使加热条件下换热恶化程度加剧，但对冷却换热并无明显影响。由此可见，特征截面的热物性分布是导致出现不同换热行为的主要原因。最后，基于低质量流量条件、热物性及浮升力影响，构建了预测超临界强化传热关联式，为超临界流体换热设...     

超临界二氧化碳燃煤发电系统热力性能分析

基于热力学第一、第二定律,针对超临界二氧化碳(S-CO₂)再压缩循环、再压缩再热循环、部分冷却循环、部分冷却再热循环燃煤发电系统,采用MATLAB软件分别进行参数计算与分析。随后分别讨论了分流系数,主压缩机出口、入口压力对系统循环效率、各设备及系统?效率的影响,并对4种循环系统进行了对比分析。结果表明：不同循环布局下或同一循环布局,不同运行参数下,循环效率随相同参数的变化规律不同;分流系数存在使循环效率、?效率达到最高的最优值,主压缩机出口、入口压力与分流系数对循环效率的影响存在耦合关系;对于不同参数变化,系统?效率主要受不同设备?效率的影响;再热可提高系统循环效率和?效率,有部分冷却的循环对参数变化敏感度相对较低。     

R134a超临界压力下管内换热特性实验研究

有机工质跨临界循环或超临界循环的系统优化及应用设计,要求掌握有机工质在超临界压力下的传热特性,而目前这方面的研究还很有限。文中在设计、建立超临界有机工质传热特性研究实验装置的基础上,对有机工质HFC134a开展了超临界压力下管内换热特性实验研究,特别包含了工质流向为下降流情形的实验测量。结果表明:无论工质流向为竖直上升流还是竖直下降流,HTC均随热流密度增加而减小,随质量通量增大而增大;相同热流密度、压力条件下,上升流与下降流两种流向下HTC间的差别,随质量通量增大而减小。对上升流和下降流而言,在浮升力影响较小的实验工况下,HTC随压力的增加而减小,而在浮升力显著的工况下,HTC随压力增加呈现出先增加后减小的趋势。根据实验数据拟合得到了R134a超临界压力下的HTC关联式,该关联式适用于上升流及下降流,拟合精度为平均偏差-2%,均方根偏差11%。     

基于二氧化碳工质的回热器振荡流实验与模拟研究

采用二氧化碳气体作为斯特林发动机内部循环工质可以实现机器长时间运行,降低成本。为探究二氧化碳工质在回热器中的流动特性,完善斯特林循环分析方法,更好地设计和优化基于二氧化碳工质的斯特林发动机,本文基于CFD方法建立了有限体积模型和振荡流模型,并搭建了振荡流实验台进行实验验证,获得了二氧化碳在金属丝网回热器中的压降、摩擦特性和流阻关联式。随后发现热吹和冷吹过程中流阻关联式的差异较大,在高雷诺数下（1 733＜Re＜3 587）二氧化碳和空气流阻关联式差异小于10%,在低雷诺数下（Re＜1 733）两者相差超过10%。此外,对二氧化碳工质循环率进行了修正,拟合得到了循环率与频率和目数的定量关系式。该流阻关联式和循环率可为优化回热器设计、完善斯特林循环分析方法提供理论支持。     

超临界二氧化碳循环系统工艺参数设计研究

利用Ebsilon软件建立超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环系统计算模型,完成百kW功率等级系统的工艺参数设计计算,通过对计算结果的分析,深入探究系统工艺参数对系统发电效率、低温回热器和高温回热器换热系数与换热面积乘积(KA)的影响。主压缩机入口温度和入口压力存在合理组合范围,以保证发电效率较高且低温/高温回热器KA较小。主压缩机入口温度增加,适宜选取的主压缩机入口压力也增加。研究发现,在上述组合范围内,主压缩机入口温度一定时,不同主压缩机入口压力下发电效率随分流系数变化的曲线存在近似相交点,当分流系数小于该交点值,主压缩机入口压力越接近临界压力,发电效率越高;当分流系数大于该交点值,主压缩机入口压力越远离临界压力,发电效率越高;该分流系数随透平入口温度增大而增大。相同分流系数(小于上述分流系数交点值)时,发电效率变化幅度与主压缩机入口压力的关联程度随主压缩机入口温度的增大而逐渐减小。主压缩机入口压力一定时,低温回热器KA随分流系数增加的变化趋势与主压缩机入口压力本身取值有关,高温回热器KA随分流系数的增加而增加。分流系数一定时,主压缩机入口压力越大,低温/高温回热器KA越大。