超临界CO2微细通道传热及流动特性研究

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超临界CO2发电技术具有引领行业发展的潜力,逐渐受到各国学者的关注。高温高压下超临界CO2动力循环性能表现更加优异。热交换设备作为超临界CO2动力循环系统的重要组成部分,其换热效果会影响整个动力系统运行效率和性能。因此研究高参数下微细流道内超临界CO2的换热能力具有重要意义。微细流道参与热交换设备的研发可以提高超临界CO2动力系统的性能。本课题以水平直管微细流道超临界CO2流动换热特性为研究对象,采用CFD流场模拟软件搭建水平直管换热模型,对温度范围300-500°C,压力范围22-30MPa,雷诺数范围104-6×104微细流道内超临界CO2换热和摩擦阻力的变化规律进行了数值模拟研究,主要内容分为以下几个方面:(1)本课题首先开展超临界CO2热物理性质分析,探讨运行温度、压力、质量流量、流动方向等多种因素对超临界CO2流动换热的影响。通过查询NIST REFPROP物性数据库绘制高温高压下CO2密度、比热、粘度等热物理参数变化规律图,分析近临界区域和高参数状态下CO2密度、比热、粘度等的变化。。按照年份梳理出具有重要指导意义的超临界CO2换热Nu数和摩擦阻力系数经验关联式。(2)本课题应用CFD流体模拟软件,建立了水平直管超临界CO2流动换热模型,并将同工况下模拟的速度场分布与前人的实验结果进行对比。结果显示模型计算值与文献中的数据变化趋势基本相同,吻合度较高,证明该计算模型具有较高的准确度和可靠性,可以准确的模拟出水平直管微细流道中超临界CO2管内流动及换热的变化规律。(3)采用恒定热流的加热方式,开展水平直管微细流道内超临界CO2的流动特性及换热特性的理论分析,探讨重力g、入口温度tin、入口压力pin、流量大小m.、管径大小d对压降Δp、沿程摩擦阻力系数Cf、对流换热系数h及表征流体形态的Re数和换热程度的Nu数等因素沿管长方向的变化趋势及规律。结果表明,在入口压力pin=22-30MPa,入口温度tin=300-500°C的高参数边界条件下,重力作用效果不明显,改变入口温度和压力对水平直管微细流道内超临界CO2对流换热影响不显著,此外增加流量或者减小管径均可以有效提高管内对流换热系数,有助于增强管内换热强度。(4)采用恒定热流的加热方式,在高温高压高雷诺数参数条件下,推导出适用于水平直管微细流道内超临界CO2对流换热Nu数和摩擦阻力系数Cf经验关联式。对比前人提出的经验公式,分析同工况下软件模拟值与其他经验公式的差异性。结果表明,本课题推导出的水平直管微细流道内超临界CO2对流换热Nu数和摩擦阻力系数Cf的经验关联式适用于高温高压高雷诺数条件,绝大部分的模拟值误差范围在±20%以内。
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