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。     

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。     

超临界二氧化碳与液态金属耦合换热特性研究进展

液态金属快堆/太阳能光热系统与超临界二氧化碳(S-CO₂)布雷顿循环发电系统深度融合，必将引领能源动力领域革命性发展。由于液态金属与S-CO₂的特殊物理性质，液态金属普朗特数远低于常规流体，S-CO₂的物理性质奇异性变化，其流动换热特性与常规流体存在显著差别，其流动与传热机理比较复杂，耦合传热机理尚不明朗。本文归纳总结了国内外关于S-CO₂、液态金属、耦合换热与耦合换热器在实验、数值模拟、传热预测模型的主要研究成果，指出液态金属与S-CO₂流动换热及其耦合传热研究中存在的问题，为先进动力循环系统以及多工质耦合动力系统的设计和安全运行提供参考依据。     

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℃。     

用于水下航行器的铅铋堆S-CO_(2)循环发电系统热力学及动态特性分析EI北大核心CSCD

将铅铋堆与超临界二氧化碳(supercriticalcarbon dioxidecycle,S-CO_(2))循环相结合的发电系统可为水下航行器稳定、高效供能。然而,目前缺乏水下航行器与铅铋堆S-CO_(2)循环发电系统的匹配设计研究,其热力学分析仍不完善。因此,该文分别构建其热力学模型和动态模型,通过模拟仿真,开展发电系统与4种动力循环形式的匹配研究,发现简单回热循环与铅铋合金的温度匹配性较好,系统热效率在压缩机和透平入口压力分别为7.6和25MPa时达到26.81%,满足系统设计要求。进一步探讨循环关键运行参数对系统热力学性能的影响规律,结果表明,增大循环最高压力和最高温度有利于系统效率的提升。基于此,进行系统关键换热部件的设计,揭示发电系统在温度阶跃扰动条件下的动态响应特性。可知,当堆芯铅铋温度从410℃降至390℃时,循环效率在大约8s内下降1.69%。该文可为应用于水下航行器的铅铋堆超临界二氧化碳循环发电系统设计提供参考。     

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。     

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。     

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...     

600MW煤基超临界二氧化碳发电系统回热器和预冷器的概念设计

超临界二氧化碳发电系统中通常采用印刷电路板换热器作为高温回热器、低温回热器和预冷器。为了更好地研究高温回热器、低温回热器和预冷器,并进行相应的概念设计,该文基于FORTRAN平台,从换热器的热力计算模型入手,建立了通用的印刷电路板换热器计算模型和程序。基于文献中的实验数据,对该模型中换热系数计算关联式的选取进行了论证,进而确保计算模型的准确性。基于该计算模型,该文完成了600MW煤基超临界二氧化碳发电系统中的高温回热器、低温回热器和预冷器的概念设计,并对各换热器中温度沿程分布及是否有夹点现象进行了校核计算。文中研究结果对未来建设煤基超临界二氧化碳发电系统具有重要的参考价值。     

发夹式换热器大温差启动研究

简要介绍了发夹式换热器工作原理及结构优势,在高温高压工况条件下,冷热流体进行大温差换热,通过数值模拟研究冷态启动过程中:管内空置时,壳侧为注满低温热流体状态,高温热流体以小流量缓慢注入换热器内与低温热流体混合,研究壳侧流量对壳侧温升速率的影响;当壳侧温度达到需要高温时,管侧进入冷流体,模拟冷流体温升变化与流量的关系;强度方面通过对换热管及管板进行防冲击热应力分析,对管板以及整个换热器承受温差冲击时进行设备安全性评估;最终保证换热器在大温差情况下的启动安全性。     

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。     

超临界二氧化碳火力发电系统模拟研究

采用Aspen plus软件建立了超临界二氧化碳布雷顿循环600 MW火力发电系统数学模型,计算分析了压缩分流系数、汽轮机分流系数、压缩机压比、汽轮机和主压缩机入口温度对循环效率的影响。结果表明:压缩分流系数、压缩机压比、汽轮机和主压缩机入口温度对系统循环效率的影响显著,而汽轮机分流系数对系统循环效率几乎无影响;压缩机压比与压缩分流系数之间存在最优耦合值,使得该系统的循环效率最高;系统循环效率随着汽轮机入口温度的增加而增加,随着主压缩机入口温度的增加而降低。     

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。     

铅铋合金冷却快堆PBWFR子通道参数敏感性研究

基于COBRA-IV开发出了适用于铅铋合金冷却组件和堆芯的子通道热工水力分析程序SUBAS,并利用其对铅铋合金冷却组件进行了详细的子通道分析,主要分析了不同燃料棒数目对组件内的温度场和速度场的影响;对湍流交混模型、横流压降系数、换热系数模型等做了相关的参数敏感性分析。研究结果表明:燃料棒数目的增加会导致组件内外质量、动量和能量的交换更加困难,各类通道的温度都有所升高;定位格架不仅增加了组件压降,而且降低了相邻通道之间的横向流动;湍流交混模型对组件的温度场和速度场影响较大,需要重点研究。     

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%。     

超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环多目标优化

建立超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环多目标优化模型,研究分流系数、循环压比、主压缩机吸气压力和膨胀机入口温度对系统性能的影响规律,并进行综合评价.结果表明:随着分流系数的增大,多目标函数先增大后减小,同时分流系数具有最优值;随着主压缩机吸气压力的增加,多目标函数和系统热效率均降低;膨胀机入口温度越高,多目标函数越小;4个...     

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。     

华能海门电厂超超临界机组水-水换热器的选型

换热器是使热量从热流体传递给冷流体,以满足规定的工艺要求的一种装置。通过闭式循环冷却水系统中水-水换热器的选型论证,详细分析管壳式换热器与板式换热器的结构特点、技术性能、经济效益,可为相似工程的水-水换热器的选型提供参考。     

基于太阳能颗粒集热的超临界CO_2流化床换热器模拟研究

基于太阳能颗粒集热的超临界CO_2布雷顿循环系统效率高,发展潜力巨大。本文应用更加精确的颗粒侧传热模型,构建了超临界CO_2流化床换热器模型,以100 kW换热功率的换热器工况参数为基础,对传热管外径尺寸、管束数量、颗粒粒径和流化气体温度进行优化。结果表明:在满足CO_2流动压损为0.01MPa的条件下,优化后换热器的管束参数为管外径10 mm,壁厚2.9 mm,管束数量97根;选择小粒径颗粒时,临界流化速度较低、流量较小,可以有效降低气体热损失,提高换热器热效率和降低风机能耗,优化管束参数条件下,当颗粒粒径从100μm增至500μm时,气体热损失从70.32 W增至1 176.00 W,热效率从99.93%降至98.84%,风机能耗从21.60 W增至405.97 W;流化气体入口温度从570℃提高到630℃,换热器热效率从98.52%提升至99.64%。     

燃气轮机/超临界二氧化碳联合循环余热利用及动态特性分析

超临界二氧化碳(S-CO₂)循环具有透平尺寸小、压缩机功耗小、循环效率高等诸多优势。为了探究S-CO₂循环耦合燃气轮机发电系统后发电效率最高的循环配置，提出了4种循环布局；并通过遗传算法以循环效率最高为优化目标，对循环系统的主要参数进行优化；对该方案进行动态系统分析，以底部循环输入热负荷为扰动变量，探究从满负荷分别阶跃降低到90%负荷、80%负荷和70%负荷后系统的动态响应情况。结果表明：4种方案中燃气轮机/两透平S-CO₂联合循环系统循环效率最高，为44.87%；烟气换热器附近参数响应时间比较快，而由于热惯性的影响在工质流程中离烟气换热器越远响应时间越长；且在同一位置，压力的响应时间略长于温度的响应时间，高温透平附近参数的下降幅度大于低温透平。