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。     

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。     

超临界压力CO_2在倾斜光管内换热特性数值分析

对超临界压力下CO_2在内径为10mm、长度为2000mm的不同倾斜角度(a=0°、30°、45°、60°、90°)光管内向上流动传热特性进行数值模拟研究。采用超临界压力CO_2在垂直光管内向上流动传热实验数据,评估了AKN、YS、LS和AB 4种低雷诺数k-e湍流模型和SST k-w湍流模型预测超临界压力CO_2传热恶化和正常传热的能力,发现SST k-w模型可以获得较准确的计算结果。基于超临界流体在类临界点T=T_(pc)处发生类液–类气"相变"的角度,研究了圆管倾斜角度对超临界压力CO_2传热的影响,通过获取圆管内详细的温度分布、物性分布和速度分布等信息,分析了顶母线和底母线管壁温度产生差异的原因,重点讨论了倾斜圆管顶母线发生传热恶化和传热恢复的机理,确定了类气膜厚度和性质、湍动能k以及黏性底层厚度等是影响超临界CO_2传热过程中壁温分布的主要因素。     

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。     

超临界CO_(2)水平管内动态冷却传热特性数值模拟研究EI北大核心CSCD

该文利用有限元与CFD的方法建立一维和三维模型,对超临界CO_(2)的动态冷却传热性能进行研究。该文比较了两种模型在外部热流密度发生扰动时的动态响应与反馈,并探讨浮升力效应对管内超临界CO_(2)动态流动换热影响。结果表明:超临界CO_(2)动态冷却的三维动态模拟与一维动态模拟所得出口参数的响应时间具有较大差距;三维模型和一维模型的出口参数动态响应时间在温度接近临界区且管径较大的时候有着较大的差异,浮升力作用是造成两者差异的主要原因之一;浮升力效应通过理查德森数进行量化,在相同管径条件下,Ri越大,三维模型和一维模型之间的差距越大,在Ri大于0.1时,三维动态和一维动态之间响应时间差距较为明显。     

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。     

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。     

超临界水在垂直上升类矩形通道内传热与阻力特性试验研究

在压力为23~28MPa,质量流速为700~1300kg/(m2?s),内壁热负荷为200~1000k W/m2的试验参数范围内,对超临界水在垂直上升类矩形通道内的流动及传热特性进行了试验研究。结果表明,类矩形通道周向存在传热不均匀性,由于流动阻塞效应的影响,通道中心区的传热优于窄缝区。系统参数的改变对传热特性及流动阻力的变化有着较大的影响,这直接与超临界水剧烈的物性变化相关。通过与经典公式的比较发现,Mokry公式的预测结果与试验结果吻合较好,但其在低焓值区与试验结果偏差较大。基于Mokry公式的形式,提出了适用于类矩形子通道内超临界水传热系数计算公式,得到了较高精度的传热系数预测结果。     

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。     

超临界二氧化碳轴流透平冷却系统耦合传热特性数值研究

针对某型超临界二氧化碳(S-CO₂)轴流透平开展了冷却系统设计,通过抽取压缩机后管道中低温S-CO₂对干气密封、转轴和壳体进行冷却,以保证干气密封工作温度低于200.0℃。采用耦合传热方法分析了该冷却系统的流动和传热特性,对比了不同冷却方案的干气密封、转轴与壳体等固体域的温度分布。结果表明：采用转轴冷却方案时转轴温度降幅达到220.3℃,干气密封最高温度为229.1℃;进一步引入温度更低流量更大的S-CO₂对壳体进行冷却,能抑制透平进口处高温主流的加热作用,转轴温度降幅增加到244.1℃,干气密封最高温度下降到181.2℃,同时S-CO₂轴流透平干气密封、壳体和转轴等被冷却部件温度梯度可控。该冷却系统为S-CO₂轴流透平的安全可靠运行提供了解决方案。     

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。     

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。     

超临界直流锅炉均匀荷载水冷壁支撑结构特性研究

对超临界直流锅炉螺旋管圈水冷壁的均匀荷载支撑结构特性进行研究,建立温度传导特性模型,并运用有限元分析方法对变工况运行时水冷壁管与吊板之间的允许温差及热应力分布进行了分析,表明均匀荷载型水冷壁支撑结构对超临界直流锅炉快速启停的适应性,为提高直流锅炉变工况运行过程中的安全性能提供了数据支持。     

超临界CO_2储能装置及其经济性分析

储能技术作为一种解决电网调峰问题的方法得到了长足发展,但现有技术均存在一定的限制。构建了一种简单超临界CO_2循环储能装置,通过热力学计算,储能效率达到64.39%,能够实现电网削峰填谷及节能减排功能;同时对不同释能功率下的装置进行了经济分析,获得了其购置成本、回收周期随着装置功率等级变化的波动趋势。本研究为同类储能装置设计及经济性分析提供了一定的研究基础。     

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。     

干熄焦余热锅炉省煤器内传热的特性研究

针对干熄焦余热锅炉炉内省煤器传热特点,建立描述其内部传热的简化数学物理模型,并应用该模型对一台63．2t／h的干熄焦余热锅炉炉内省煤器烟气和蒸汽温度分布进行模拟,计算结果与实际运行过程具有较好的一致性,在此基础上分析了省煤器内部不同腐蚀及磨损情况对换热量分配的影响,并得出干熄焦余热锅炉省煤器内传热特性的研究结论。     

CO_2激光器线性动力学响应特性研究

本文用包括振动-转动能级在内的多能级速率方程,分析了CO_2激光器对小讯号腔长调制的线性动力学响应特性.并通过实验征实了理论分析所得结论.     

超临界CO_2部分冷却布雷顿循环分析

为了确定部分冷却布雷顿循环各设备节能潜力,得出应用于聚光太阳能技术(Concentrating Solar Power,CSP)的最优可能工作参数,为以后建设超临界CO_2(Supercritical Carbon Dioxide:S-CO_2)布雷顿循环太阳能热电站提供参考依据,使用EES(Engineering Equation Solver)对应用于CSP的具有一级再热的100 MW S-CO_2部分冷却布雷顿循环进行效率和损系数分析,主要分析在不同透平入口温度,再热压力以及循环压比比对循环效率的影响,同时分析各设备损系数的大小。得出冷凝器损最大,因此后续可通过增加底循环来利用冷凝器的。最大效率的最优工作参数为透平入口温度700℃,再热压力为9.5MPa,循环压比比为0.4,此时循环效率为33.73%,循环热效率为50.90%。