CO2热泵热水器研究及产品开发

二氧化碳热泵热水器采用载冷剂(如水或空气)周期性往复流动方法(即“往复式变温换热原理”),实现载冷剂和CO2冷媒(即制冷剂)蒸发过程的变温匹配,得到的循环过程类似于劳伦兹循环过程,能够良好换热.基于构形方法开发一种具有多尺度结构、耐高压的二氧化碳换热器.     

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。     

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。     

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。     

超临界二氧化碳循环混合工质热力学性质研究进展

超临界二氧化碳（S-CO2）循环因清洁、高效、低碳的特性受到广泛关注，其中半闭式循环使用的工质为CO2混合体系，因此对CO2混合体系热力学性质的认识和描述提出了新的要求。本文综述了含CO2混合体系热力学性质的研究进展，并结合S-CO2循环系统设计需求对研究现状进行分析。结果表明:相对于CO2纯工质，CO2混合体系的单相区密度（即pvTx性质）、比热容、声速等基础数据均非常缺乏；已有的半理论状态方程精度需要进一步提升，多参数状态方程需扩大有效应用范围。建议面向S-CO2循环需求，开展有针对性的热物性实验与理论研究工作。     

高效率的新型动力循环

沸点不同的混合工质在吸热蒸发过程中是变温过程,这可以大大降低换热过程的不可逆损失.本文利用这一特点,介绍了应用氨-水混合物作为工质的新型热力循环,包括作为联合循环底层循环的Kalina循环和应用低温热源的电冷联产循环,并对这种循环的热经济性进行了分析,结果表明应用混合工质的热力循环会得到更高的循环效率.     

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。     

不同流道结构的印刷电路板烟气换热器性能对比研究

内燃机余热回收技术对节能减排具有重要意义,其中超临界二氧化碳（S-CO₂）动力循环系统因成本低、环境友好等优点,受到越来越多的关注。烟气换热器作为S-CO₂动力循环系统的关键部件,其换热性能直接影响循环整体效率。印刷电路板换热器具有换热效率高、结构紧凑的特点,但目前鲜有在内燃机余热回收上的应用。因此,本文开展印刷电路板烟气换热器的结构设计及优化工作。设计了3种S-CO₂侧流道结构的烟气换热器,并通过数值模拟,对比了不同流道结构对换热器内部流动及换热性能的影响。结果表明,镂空流道烟气换热器的单位质量换热量与Kv值远高于直角流道换热器和圆角流道换热器,说明镂空流道印刷电路板换热器可以更好地满足小型化、紧凑化的要求。     

钠冷快堆耦合超临界二氧化碳布雷顿循环中的PCHE研究进展

本文首先介绍了超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿循环的特点,包括临界点的重要性、回热器“夹点”问题、冷却器冷却工质问题等。然后,针对钠冷快堆（SFR）,总结了国内外应用于SFR耦合布雷顿循环系统中的印刷电路板换热器（PCHE）的相关研究,包括在Na/CO₂换热器、回热器、冷却器中运行的重要工质——S-CO₂的流动换热性能,以及影响PCHE自身性能的流道结构优化设计。结果表明,针对具体的SFR应用,目前仍无明确结论认为哪种流道结构更为优越,需要针对具体应用场景进行相应的数值分析或实验研究。     

超临界二氧化碳布雷顿循环效率分析

以带回热的简单超临界二氧化碳(S-CO_2)布雷顿循环为研究对象,详细阐述了循环效率的分析计算方法和过程,讨论了透平入口温度和压力、压缩机入口温度和压比、透平和压缩机效率、回热器效率、压损等因素对循环效率的影响。进一步对于再压缩循环的分析表明,再压缩循环可解决"夹点"问题,从而显著提高循环效率。     

超临界二氧化碳闭式布雷顿循环特点与应用

以超临界二氧化碳闭式布雷顿循环为研究对象,分析该循环方式的工质特性、循环特点及优势,表明超临界二氧化碳闭式布雷顿循环在燃煤电站、核能发电、聚光式太阳能发电及余热利用等领域应用前景广阔。     

燃气-超临界二氧化碳联合循环经济性研究

为分析燃气-超临界二氧化碳（S-CO2）联合循环系统的经济性,以级联循环为基础选取不同的冷却器级数、烟气-S-CO2换热器个数和分流管路数,设计了12种对比方案,并采用遗传算法对各方案的参数进行优化,通过计算筛选出技术经济性最佳的方案。结果表明:系统循环效率随着系统冷却器级数、烟气-S-CO2换热器个数和分流管路数的增加而增加,各方案中循环效率提高幅度由大到小排序为:增加烟气-S-CO2换热器>增加分流管路>增加冷却器;随着冷却器、烟气-S-CO2换热器和分流管路数量的增加,循环效率提高的幅度 降低;12种方案中,方案5技术经济性最佳,即配置有2级冷却器的双级级联循环运行 20年的总收益最高,为5.2亿元。     

考虑截面形状误差的超临界二氧化碳微通道换热特性研究

针对印刷电路板式换热器由于加工误差以及服役过程中变形导致的实际换热性能与理论存在偏差问题,利用超景深显微镜技术,测量获取了实际微通道的形状特点,对不同通道形状的微通道换热进行了数值模拟,分析了通道形状对热工性能的影响,综合考虑物性变化、通道形状变化的影响,根据数值模拟结果获得了新的传热特性关联式,可为评估实际服役的超临界二氧化碳印刷电路板式换热器的换热性能提供理论基础。     

二氧化碳捕集 实现“零碳火电厂”

二氧化碳是最主要的温室气体,在火电厂燃烧化石能源的过程中,二氧化碳约占各种有害气体的11%~15%。处置二氧化碳的方法有三种,即收集、利用和填埋地下。目前,这三种技术都处于实验研究阶段,还没有推广。     

循环流化床锅炉炉膛内辐射换热计算方法探讨

对比了两种循环流化床（ＣＦＢ）锅炉炉膛内求取辐射换热系数的方法；计算表明：炉内稀相区辐射换热系数占总传热系数的６５％左右．     

基于二氧化碳热力循环的储能研究综述

基于二氧化碳热力循环的储能技术，结合二氧化碳循环的优良性能和捕集后二氧化碳的再利用需求，有望在未来以新能源为主体的能源体系中发挥出重要作用。针对基于二氧化碳循环的储能技术进行了定义，并依据各储能方案的技术特点将该储能划分为电热储能，低、中和高压储气的压缩二氧化碳储能，低温和近常温储液的压缩二氧化碳储能，以及恒压储气的压缩二氧化碳储能；讨论了各类储能技术的研究现状、具有的优势和存在的不足。低压储气的压缩二氧化碳储能技术最为成熟，目前已有大型工程示范机组建成；高压储气的压缩二氧化碳储能和大规模电热储能的综合性能较好，但成本较高；低压端储存液态二氧化碳的压缩二氧化碳储能的循环效率最低，但储能密度最高；恒压储气的压缩二氧化碳储能效率最高，可达74%～76%，储能密度接近2 (kW·h)/m³，是极具发展前景的压缩气体储能技术之一。     

太阳光热发电-超临界二氧化碳循环系统经济性分析与优化

在太阳能光热发电（CSP）系统中,采用超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿循环相较于传统蒸汽朗肯循环可获得更高的发电效率。本文建立了塔式CSP-S-CO2布雷顿循环集成电站系统的数学模型,以最小化电站平准化度电成本（LCOE）为目标,采用联立方程法对集成系统进行了参数优化,并对循环的关键参数进行了敏感性分析。将模型应用于50 MW级塔式CSP-S-CO2布雷顿循环电站的优化设计,结果表明:当蓄热时长为8 h、透平入口温度520.85 ℃、透平和压缩机入口压力分别为25 MPa和8.63 MPa时,可将系统LCOE降低至0.817元/(kW·h),较塔式CSP-蒸汽朗肯循环（0.994元/(kW·h)）降低17.81%;蓄热时长越长,系统LCOE越小;存在最优的透平入口温度、分流比和压比,使系统LCOE最小;提升透平与压缩机的等熵效率可显著降低系统LCOE。     

热力循环流程重构能效分析新方法：循环拆分法

流程重构是提高热力循环效率的有效途径,然而重构后的循环流程配置往往较为复杂。为简单直观地揭示热力循环不同流程配置的节能机制,提出一种具有普适性的热力循环能效分析新方法——"循环拆分法"。该方法基于热力学第一定律,将复杂热力循环拆分为基础循环与若干等效"小循环";拆分获得的小循环可直接用于分析热力循环流程重构的节能机制,指导系统流程优化。以蒸汽朗肯循环与超临界二氧化碳布雷顿循环为例,对典型循环的拆分过程进行了图示化描述和公式化表达,并分析了多种流程重构手段的节能效益;基于循环拆分法,对现有超临界二氧化碳布雷顿循环开展流程优化,进一步提高了循环效率。     

螺旋管内超临界二氧化碳换热性能的模拟和试验研究

对超临界二氧化碳(S-CO₂)在螺旋管内的对流换热性能进行模拟和试验研究。探讨了热流密度q、质量流量G、节距P、管内径d、螺旋半径R等流动、结构特性对流动传热的影响，并对各结构特性灵敏度做了量化分析；搭建了闭式循环的S-CO₂测试平台，对螺旋管内S-CO₂对流换热性能进行了试验研究，并基于试验工况数据验证了数值模拟的准确性；对数据进行处理，拟合出了S-CO₂的传热关联式。该研究为S-CO₂螺旋管式换热器的热力设计方法奠定了基础，并在核电及光热发电领域具有一定的工程应用价值。