熔盐吸热管瞬态传热特性的数值研究

建立熔盐吸热管瞬态传热的实验台和数值计算模型,分析管外壁热通量突变、熔盐流速突减、外壁热通量和熔盐流速同时突减对吸热管瞬态传热特性的影响规律,结果表明：管外壁热通量突变（突增或突减）时,吸热管入口段的管中心熔盐温度变化较小,但其管壁温度变化较快。管内熔盐流速突减时,熔盐出口温度和管外壁温度均随时间的推移逐渐增大,而管外壁与管内壁温差随时间的推移先降低后升高,t≥16.0 s,各温度和温差基本稳定。吸热管外壁热通量和管内熔盐流速同时减半时,管中心及出口熔盐温度均随时间的推移先升高后降低,稳态后两处熔盐温度保持定值且与瞬态开始前对应熔盐温度接近。吸热管瞬态稳定后的管外壁与管内壁温差和管外壁热通量变化呈正比,与熔盐流速变化无关。得到瞬态稳定后吸热管熔盐出口温度表达式,为瞬态传热过程中吸热器熔盐出口温度控制提供理论依据。     

外露管式熔盐吸热器动静态特性研究

以某50 MW塔式光热发电项目外露管式熔盐吸热器为研究对象,进行了建模,通过理想条件下的动静态仿真和实际气象条件下的模拟,给出吸热器特性参数的动静态响应曲线,提出了吸热器出口盐温控制的改进方法,分析了其在实际气象条件下的运行特点,总结了以下规律：吸热器表面最高温度、温度梯度、散热功率与太阳法向直射辐照度的变化基本呈正比关系;效率随太阳法向直射辐照度增大而升高但斜率逐渐减小;风速主要影响对流散热功率;太阳法向直射辐照度扰动下吸热器出口熔盐温度、表面最高温度、散热功率的过渡过程响应时间较吸热管轴向温度梯度更长,效率在瞬间突变后会重新逐渐回复到接近扰动前的水平;流量阶跃下降对吸热器性能影响更大。利用吸热器特性参数与太阳法向直射辐照度和熔盐流量三者间的定量关系可改进运行中的熔盐流量调整策略。     

不同环境风下改进半球形吸热器换热特性

为研究改进半球形太阳能腔式吸热器在不同环境风速下的换热性能，建立了吸热器的物理模型，利用TracePro光学模拟软件计算得到吸热管壁的能流分布，折算为体热源加载到吸热管管壁；运用Fluent软件，对倾角在0°—90°的吸热器内导热油与环境的换热特性进行了数值模拟，探究了不同风速和风温下吸热器的各项热损失、导热油出口温度及热效率的变化规律。结果表明：随着环境风速的增加，对流热损失和总热损失呈上升的趋势，出口温度及吸热器热效率呈下降趋势；在低风速下，出口温度及热效率随吸热器倾角的增大而增大，在高风速下，当吸热器倾角在30°时，出口温度和热效率最高；在相同的环境风速下，随着环境温度的升高，吸热器的各项热损失逐渐下降，出口温度呈上升的变化趋势，吸热器的热效率逐渐增大。     

环形小通道内水单相换热特性的实验研究

采用自行设计的环形小通道换热装置,对双面加热环形小通道内单相水处于流动充分发展下的对流换热特性进行了实验研究,通过热电偶、流量计测量内外壁面温度、水温和水流量,分析单相水处于不同热流密度下内外壁面热流密度、流量与对流传热系数之间的关系特性,结果表明:通道内外壁单独加热时的壁面对流传热系数均随加热热流密度的增大而增大,当加热热流密度一定时,内壁面对流传热系数随流量的增大而增大,外壁面对流传热系数随流量的增大变化不明显;内外壁同时加热时,随着内、外壁加热热流密度比的增大,内壁面的对流传热系数先减小后增大,而外壁面的对流传热系数一直增大。     

润滑油对超临界二氧化碳对流换热特性的影响

为了得到加热条件下润滑油对超临界二氧化碳换热特性的影响,利用Fluent软件建立CO₂/润滑油两相混合物流动传热模型,通过改变润滑油浓度、质量通量、热通量和压力进行换热特性分析。结果表明,润滑油的存在显著削弱超临界二氧化碳的对流换热过程,随着润滑油浓度的增加,对流换热进一步恶化。当油浓度小于1%时,不影响对流传热系数的变化趋势,当油浓度超过3%,温度高于二氧化碳拟临界温度时,传热恶化程度降低。热通量的增加使得对流换热进一步恶化,提高质量通量能有效改善对流换热恶化现象。二氧化碳在润滑油中的溶解度直接影响对流换热过程,提高运行压力可增加二氧化碳在润滑油中的溶解度以降低高润滑油浓度下的传热恶化程度。     

润滑油对超临界二氧化碳对流换热特性的影响

为了得到加热条件下润滑油对超临界二氧化碳换热特性的影响,利用Fluent软件建立CO_2/润滑油两相混合物流动传热模型,通过改变润滑油浓度、质量通量、热通量和压力进行换热特性分析。结果表明,润滑油的存在显著削弱超临界二氧化碳的对流换热过程,随着润滑油浓度的增加,对流换热进一步恶化。当油浓度小于1%时,不影响对流传热系数的变化趋势,当油浓度超过3%,温度高于二氧化碳拟临界温度时,传热恶化程度降低。热通量的增加使得对流换热进一步恶化,提高质量通量能有效改善对流换热恶化现象。二氧化碳在润滑油中的溶解度直接影响对流换热过程,提高运行压力可增加二氧化碳在润滑油中的溶解度以降低高润滑油浓度下的传热恶化程度。     

流体在超轻多孔金属泡沫中的流动和换热特性

以去离子水为冷却液,对其在超轻多孔铜泡沫中的流动和换热特性进行了实验研究。在测定和分析流量、压力降和温度等实验参数的基础上,获取了热流密度、金属泡沫孔密度、液体流量等参数对层流流体流过金属泡沫时的压力降、通道壁面温度、对流换热等特性的影响。结果表明金属泡沫会显著强化对流换热,大大降低通道的壁面温度,其对流换热能力会随Reynolds数的增大而逐渐增强,最大Nusselt数可达空矩形通道的13倍,但与空通道相比,金属泡沫通道的压力降显著增大,并随Reynolds数及金属泡沫孔密度的增大而增大。     

加热热通量对微柱群通道内强迫对流换热的影响

以去离子水为工质,流经宽度3.5mm、长度40mm的叉排微柱群板,微柱群由直径500μm,高度分别为500、750、1000μm的微柱组成。实验研究微柱群内部加热热通量对换热特性的影响。采用电加热棒进行加热,测量微柱群板Reynolds数在100～1000之间时的进出口温度与流量,进而获得微柱群内部Nusselt数。研究结果表明,加热热通量对微柱群换热特性有重要影响。一方面,加热热通量的增大导致工质平均温度升高,工质Prandtl数降低,削弱了工质的换热能力;另一方面,加热热通量的增大降低了工质黏度,加剧了工质热运动,扰动增强,强化了工质的换热能力。当Re较低时,加热热通量的增大由于削弱了端壁面效应对换热的不利影响,同时增加了壁面与工质之间的温差,从而导致换热强化;随着Re的增大,端壁面效应减弱,因而加热热通量的增大对微柱群内部换热的影响减弱。     

碳氢燃料热裂解与引发裂解换热对比实验

通过流动管反应器对碳氢燃料RP-3在超临界条件下的热裂解及引发裂解进行了实验,对两种条件下的燃料吸热能力及传热特性进行了对比分析,并对裂解产物进行了采样分析。结果表明,引发裂解降低了燃料的裂解起始温度,在一定温度区间内提高了燃料的裂解率,从而有效提高了燃料热沉,在相同热通量条件下,降低了燃料温度,并降低了加热段壁面温度。对流换热受化学反应及物性变化的影响,燃料裂解吸热可增强换热,而大量气态产物的生成会降低换热,因此,裂解反应的增强不一定增强换热。     

碳氢燃料热裂解与引发裂解换热对比实验

通过流动管反应器对碳氢燃料RP-3在超临界条件下的热裂解及引发裂解进行了实验,对两种条件下的燃料吸热能力及传热特性进行了对比分析,并对裂解产物进行了采样分析。结果表明,引发裂解降低了燃料的裂解起始温度,在一定温度区间内提高了燃料的裂解率,从而有效提高了燃料热沉,在相同热通量条件下,降低了燃料温度,并降低了加热段壁面温度。对流换热受化学反应及物性变化的影响,燃料裂解吸热可增强换热,而大量气态产物的生成会降低换热,因此,裂解反应的增强不一定增强换热。     

Numerical study of transient heat transfer performance for molten salt receiver tube

The heat transfer experimental system and mathematical model of receiver tube are established to analyze the transient heat transfer performance of molten salt with heat flux of outer wall sudden change, molten salt velocity sharp reduction, heat flux of outer wall and molten salt velocity sharp reduction at the same time. The results show that when the heat flow on the outer wall of the tube changes suddenly (sudden increase or decrease), the temperature of the molten salt in the center of the tube at the inlet section of the heat absorption tube changes less, but the temperature of the tube wall changes faster. When the molten salt velocity sharp reduction, the outlet temperature of molten salt and the outer wall temperature increase with time, but the difference of outer wall and inner wall temperature decreases at first and then increases, when t≥16.0 s, each temperature and temperature difference reach steady state. When the heat flux on the outer wall of the heat absorption tube and the molten salt flow rate in the tube are halved at the same time, the temperature of the molten salt in the center and the outlet of the tube rises first and then decreases with the passage of time. After the steady state, the two molten salt temperatures maintain a constant value and are compared with the transient state. The corresponding molten salt temperature is close to initial starting temperature. The difference of outer wall and inner wall temperature after transient stability is proportional to the heat flux of outer wall, but which is independent of molten salt velocity. The outlet temperature equation of molten salt in receiver tube after transient stability is obtained, which provides a theoretical basis for the outlet temperature control of molten salt in receiver during the transient heat transfer process.     

低熔点熔盐圆管内强迫对流换热

熔融盐具有使用温度高、热稳定性和传热性能好等优点,被认为是太阳能热发电系统中最有前途的传热、蓄热介质之一。通过搭建槽式太阳能熔盐集热传热实验台,进行了低熔点熔盐管内受迫对流换热实验,获得了不同熔盐流速下套管式熔盐-水传热单元的总传热系数;通过最小二乘法获得了低熔点熔盐管内充分发展紊流段对流换热Nusselt数随Reynolds数的变化曲线和实验关联式,并与经典关联式进行了对比,结果表明,实验数据和Dittus-Boelter方程、Colburn方程、Seider-Tate方程以及Gnielinski方程最大偏差分别为+23%、+13%、-10%和-20%,实验数据和经典公式符合较好。     

恒壁温时污垢对管内对流换热过程热力学性能影响的分析

基于热力学第一、二定律 ,在恒壁温工况下分析了污垢对管内对流换热过程热力学性能的影响 ;提出了反映污垢对管内对流换热过程热力学性能影响的指标———单位传热量的熵增率 ;讨论了管内流体Reynolds数(无污垢时 )和量纲为 1的入口换热温差等参数对单位传热量熵增率的影响 .研究结果表明 ,该指标不仅能反映污垢对管内传热过程的影响 ,而且能反映污垢对管内流动过程的影响 ,而由污垢层导热所引起的熵产在管内传热过程总的熵产中占有重要的地位     

半周加热横纹管内熔盐强化传热特性

半周加热太阳能吸热器管给管内对流传热系数带来影响,基于此,建立半周加热横纹管内熔盐对流传热的实验台和数值计算模型,分析横纹管槽宽、槽深对管内熔盐传热性能的影响规律,结果表明：从横纹管绝热侧到加热侧,周向管内壁温度逐渐升高,周向管内局部Nusselt数先减小后缓慢增大至稳定。横纹管凹槽处轴向管内壁温度明显低于平滑段,凹槽处轴向管内局部Nu较大,凹槽后与平滑段交界处管内局部Nu最小。横纹管槽越宽,加热侧轴向管内局部Nu越小,管内平均Nu越小,传热综合性能评价因子PEC越大。横纹管槽越深,轴向管内局部Nu越大,管内平均Nu越大,传热强化倍数Nu/Nu _ST越大。槽宽对横纹管PEC的影响比槽深明显,槽深对横纹管内Nu/Nu _ST影响比槽宽大。通过线性拟合得到半周加热横纹管内熔盐传热Nu的关联式,其计算Nu与模拟值最大偏差在±7%以内。     

波纹内翅片管外水的冻结特性实验研究

通过测量管内低温气体、管壁温度分布及冰层图相,分析了波纹内翅片管管内传热热阻、管壁温度和冰层增长的变化特性。结果表明:内翅片管管内传热阻仅为光管的6.65%,由管壁至管内低温气体的热流量大大增加,因此,管外冰层增长速度在距入口250 mm和500 mm处分别约为光管的4.2倍和1.7倍。冰层热阻占整个耦合传热总热阻的比例更大,以至于管外冰层热阻的增加引起管壁和管内气体温度的降低。由于内翅片管管内低温气体沿轴向温升更大,使其冰层厚度沿轴向斜率远大于光管。     

夹套式上升管内荒煤气对流辐射传热的计算

通过理论推导和数值计算,分析了荒煤气在上升管内流动的对流传热和辐射传热问题。基于热平衡方程推导得到上升管内荒煤气流动传热微分方程,考察荒煤气进口温度、内壁面发射率、对流传热系数和斯坦顿数对上升管内壁面温度变化和荒煤气出口温度的影响。采用Matlab软件编制四阶Runge-Kutta计算程序求解,得出上升管内壁温度沿轴线方向的变化曲线和荒煤气的平均传热系数,荒煤气在夹套式上升管中的平均传热系数为30 W/(m^2·K)~36 W/(m^2·K),将此计算结果与他人的成果进行对比,吻合较好,误差为10%左右。结果表明:辐射传热过程主要受内壁面发射率和荒煤气进口温度的影响,内壁面发射率越大,辐射传热量越大;流体速度对对流传热的影响很大,随着流速的增加,对流传热量增大;焦炉在一个炼焦周期内,应该合理控制荒煤气的流量,可避免上升管内壁焦油的凝结;在设计上升管时,增大内壁面的发射率,可以提高上升管的传热效率。     

Three‐dimensional numerical simulation of upflow bubbling fluidized bed in opaque tube under high flux solar heating

Solid particles can be used as a heat transfer medium in concentrated solar power plants to operate at higher temperature and achieve higher heat conversion efficiency than using the current solar heat transfer fluids that only work below 600°C. Among various particle circulation concepts, the dense particle suspension (DPS) flow in tubes, also called upflow bubbling fluidized bed (UBFB), was studied in the frame of the CSP2 FP7 European project. The DPS capacity to extract heat from a tube absorber exposed to concentrated solar radiation was demonstrated and the first values of the tube wall‐to‐DPS heat transfer coefficient were measured. A stable outlet temperature of 750°C was reached with a metallic tube, and a particle reflux in the near tube wall region was evidenced. In this article, the UBFB behavior is studied using the multiphase flow code NEPTUNE_CFD. Hydrodynamics of SiC Geldart A‐type particles and heat transfer imposed by a thermal flux at the wall are coupled in two‐dimensional unsteady numerical simulations. The convective/diffusive heat transfer between the gas and dispersed phase, and the inter‐particle radiative transfer (Rosseland approximation) are accounted for. Simulations and experiments are compared here and the temperature influence on the DPS flow is analyzed. © 2018 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 64: 3857–3867, 2018     

相变微胶囊悬浮液圆管内换热特性模拟

相变微胶囊悬浮液在相变过程中具有较大的相变潜热,可以减小温度的变化程度,且比单相流体具有更高的对流换热系数,成为广泛关注的新型热工流体。本文针对相变微胶囊悬浮液在等热流边界条件下的管内层流,根据差示扫描量热法所得到的相变温度范围,采用矩形等效比热容模型,进行了数值模拟分析,并结合以溴代十六烷为相变材料的相变微胶囊悬浮液的实验数据,将数值模拟结果与实验结果对比并进行误差分析。又对在不同质量分数、不同热流密度条件下的对流换热进行研究,分析了不同参数对对流换热强度的影响。并通过拟合得到了相变微胶囊悬浮液圆管内对流换热关联式。然后改变管径、流速条件重新模拟验证该关联式的通用性,其结果表明模拟结果与预测公式高度吻合,该关联式的通用性较好。