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

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。

基于流线曲率法的超临界二氧化碳离心压缩机通流计算方法

超临界二氧化碳(S-CO_(2))的真实气体特性使得开展S-CO_(2)离心压缩机的三维数值模拟难以获得稳定的收敛结果,同时,数值计算的时间成本进一步增加了压缩机设计优化的难度。对此,本文首先对压缩机开展三维数值模拟,得到流场信息及对应的损失分布,然后在传统流线曲率法中叠加一维损失模型,并沿流线分段计算CO_(2)压缩因子,以此反映真实气体的压缩过程,建立适用于S-CO_(2)离心压缩机的通流计算方法。将通流计算结果与三维数值模拟结果进行对比后发现:流线曲率法得到的子午面相对速度场分布和焓分布与计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)结果基本一致;叶片出口温压数据与CFD结果接近,误差分别为0.23%和1.08%,总静等熵效率相差1.5%。结果表明,采用流线曲率法的通流计算可以快速获得较准确的S-CO_(2)离心压缩机叶轮性能参数。

CO_2在立式螺旋管内流动沸腾换热的实验研究

在管内径9.0 mm、壁厚1.5 mm、螺旋管绕径283.0 mm的立式螺旋管内，对CO2流动沸腾换热特性进行实验研究。分析热流密度（q=1.4-48.0 kW/m2）、质量流速（G=54.0-400.0 kg/（m2？s））和运行压力（pin=5.6-7.0 MPa）对内壁温分布和换热特性的影响规律。结果表明：螺旋管内壁温周向分布不均匀，单相液体以及过热蒸汽区离心力的作用使内侧母线温度最高、外侧母线温度最低，在两相沸腾区蒸汽受到浮升力作用聚集在管上部而容易发生蒸干，因此上母线温度最高，温度最低值则由离心力和浮升力的相对大小共同决定。局部平均换热系数随热流密度以及进口压力的增加而显著增加，但增大质量流速对换热系数的影响不大，表明核态沸腾是 CO2在螺旋管内流动沸腾的主要传热模式而强制对流效应较弱；发现了随着热流密度增加所引起的核态沸腾强度变化以及干涸和再润湿使得换热系数随干度的变化可分成3个区域。并基于实验获得的2124个数据点拟合两相区沸腾换热关联式。

热源温度和流量对有机朗肯循环系统运行特性影响的实验研究

针对地热、太阳能集热等中低温热源驱动有机朗肯循环(organic rankine cycle,ORC)分布式发电系统的多工况运行需求,测试了采用R245fa工质的4 k W级ORC实验机组在热源温度和流量变化条件下的多工况动态/稳态运行特性。结果表明:在换热器面积冗余较大,热源温降较小的情况下,热源温度变化对膨胀机进出口温压参数和机组输出功率的影响更显著,而热源流量变化的影响可以忽略;相对于热源流量变化,热源温度调整后ORC机组的趋稳时间较长;ORC机组输出功对热源温度和工质流量变化敏感,测试工况范围内,在热源温度150℃时获得最大输出功约3 800 W,最大热效率5.12%。

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CO2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。

超临界二氧化碳分流模式锅炉冷却壁的概念设计

超临界二氧化碳(supercritical CO2,S-CO2)布雷顿循环的质量流量是水蒸汽朗肯循环的8倍左右。当该循环应用于燃煤发电领域,且锅炉沿用传统受热面布置时,大流量会导致锅炉大压降。分流模式是指工质进入锅炉前,一分为二,分别流经不同的受热面。分流模式下,冷却壁分为四部分管屏,并形成了冷却壁的新型概念设计。为了深入研究冷却壁分流模式特性,利用Fortran编制了炉膛热力计算和冷却壁水动力计算耦合程序,给出了1000MWS-CO2锅炉冷却壁的布置方案。计算结果表明,相较于全流模式,采用分流模式的冷却壁有两点优势:1)在相同管径下,能够有效减小压降。2)在相同压降下,管径小,管壁温度较低。同时,当分流布置时,冷却壁应采用垂直管屏。

超临界CO2分流循环及联合循环的热力学分析

针对一台设计工况下输出功为1MW的CO_2透平,在不同的超临界CO_2循环模式下进行计算分析,发现带回热循环的性能大大优于简单循环,效率相对于简单循环提高了一倍多。并发现引入分流在一定分流比范围内能够提高系统的循环热效率,而当分流比过小时反而会使系统循环性能恶化。为了更好地利用有机朗肯循环（organic Ranking cycle,ORC）吸收CO_2循环的余热,还对ORC的优化运行模式进行了研究,分析了过热度和热源出口温度的影响。最后,将CO_2循环和ORC进行耦合,分析了不同分流比下联合循环和单一循环的性能差异,发现联合循环能在单一循环的基础上提升效率至少2%,并且当ORC窄点在耦合换热器预热段之间时,联合循环对系统性能有更大的提升。

分布式小型有机朗肯循环运行特性实验

针对分布式能源系统中可利用热源的温度和流量频繁波动的特点,测试了kW级有机朗肯循环原型机组在110~150℃波动热源下的运行性能和以工质流量与膨胀机转速为控制变量的多工况运行能力。结果表明,通过调节工质流量可以在相对平稳的热效率下实现对机组输出功率的有效控制。机组输出功率随热源温度变化剧烈,但随热源流量变化规律不一:小工质流量下,换热面积冗余较多,热源流量的变化对机组性能的影响可以忽略;随着工质流量的提高,热源流量的影响逐渐凸显,表现为机组性能随工质流量下降而明显降低。机组在热源温度150℃下获得最大输出功约4 kW,最大热效率6.0%。

低温跨临界有机朗肯循环工质筛选

反问题求解是研究有机朗肯循环发电技术用于回收低品位能源的基础,而跨临界循环能够有效优化循环中换热器内冷热流体温度的匹配,减小系统不可逆损失。综合考虑有机工质的热物性、环保性及安全性,对于423.15K低温热源驱动的跨临界有机朗肯循环,选取R134a、R227ea、R1234ze、R3110、RC318、R236fa 6种工质进行了计算比较。计算采用与热源耦合的反问题思路,求解出工质的运行参数,揭示出参数变化规律并对工质循环性能进行了比较。结果表明,R134a为适合本循环系统的最优工质。

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T_(pc)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。

危废焚烧处理耦合有机朗肯循环系统工质筛选与热力学优化

危险废弃物焚烧处理产生的热量除了用于满足自身系统热量需求和损失外,其余大部分热量可以作为低温发电系统热源。利用该余热锅炉产生的饱和蒸汽作为潜热型热源驱动有机朗肯循环系统做功,并基于热力学和热经济学分析进行工质筛选。研究进一步对危废焚烧系统的基础流程进行优化,并分析了回热对ORC系统的热力学性能的影响。结果表明,工质Benzene表现最优,且危废系统优化后做功能力的提升,相较于基础结构增加了24.5%,回热后ORC系统净输出功提升了19.98%,热效率提升了35.57%,?效率提升了19.99%。

受限空间内超临界流体相分布的尺寸效应

许多研究表明,超临界流体具有不均匀的分子结构.本文采用分子动力学方法,模拟了受限空间内类液(Liquid-Like,LL)、类两相(Two-Phase-Like,TPL)和类气(Gas-Like,GL)区超临界流体(Supercritical Fluid,SF)结构特征和相分布规律,分析通道尺寸和壁面润湿性对不同状态SF相分布的影响.研究表明,不同状态SF均在超疏水表面近壁区形成GL膜,随着壁面润湿性的增强,气膜逐渐消失,原子逐渐在润湿性较强的壁面聚集;润湿性较强的TPL流体的通道中部会形成明显的空隙及局部低密度的GL区,近壁区会形成LL膜.尺寸效应对近壁区原子密度振荡范围的影响可忽略不计,但随着通道尺寸减小,LL相近壁区流体的密度则呈现出增大趋势,该现象在GL相消失.不同通道尺寸对应含气率随温度的变化趋势一致,壁面润湿性对含气率的影响较小,随着润湿性的减弱,含气率均呈现出先增大后减小的变化规律,且不同通道尺寸对应不同的转折点.结合三维原子快照,从能量角度对SF的相分布特征进行分析,较大势能束缚原子运动,易形成高密度的LL区,而较低势能区原子易发生逃逸,形成低密度的GL区.本工作将有助于理解纳米通道内SF的结构及相分布规律,为SF微尺度设备设计和应用提供一定的理论基础.

小容量燃煤S-CO_(2)发电系统热力学构建路径分析

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,S-CO_(2))循环具有灵活、紧凑的特点,小容量燃煤S-CO_(2)电厂可作为分布式能源系统的调节电源。该文以小容量燃煤S-CO_(2)发电系统热力学构建为目标,从循环结构和主汽温压参数的选择出发,提出以下系统构建路径:1)结合燃煤热源特点,从系统高效和技术经济性出发选取循环结构;2)通过主汽压力对循环热效率的敏感性分析,选取最优压力;3)从材料高温强度的角度出发,避免S-CO_(2)锅炉受热面超温过热,进而在材料边界条件下,选取主汽温度。基于此路径,提出更适合于燃煤热源的三压缩末级部分压缩循环(tri-compressions with last-stage partial compression,PTC),并且增加一次再热(reheating,RH)措施,推荐PTC+RH为小容量机组基本循环,选取25MPa/605℃为小容量机组主汽温压参数,最终完成了50MW耦合锅炉模型的燃煤S-CO_(2)系统设计,系统发电效率达到41.15%。该研究结果对小容量S-CO_(2)系统构建具有一定指导意义。

采用BP-GA算法的有机朗肯循环多目标优化

有机朗肯循环是低品位热能回收利用的一个重要方式,是利用有机工质蒸发温度较低的优势直接对低温热源回收发电的技术。针对工程应用的实际需求,从热力性、经济性和环境性3个方面对循环进行多目标优化设计。提出了考虑全生命周期影响的年减排量指标,选取循环热效率、效率、投资回收期和年减排量为目标函数,以蒸发温度和冷凝温度为决策变量,建立系统的多目标优化模型。根据热源特性,选取R600a、R114、R245fa和R245ca作为循环的运行工质,采用BP-GA算法对优化模型进行求解,得到不同工质的最优解。在热源工况和环境温度变化的情况下,对优化循环进行了敏感性分析。结果表明,工质R245fa具有最优的综合性能;热源温度和环境温度的变化分别影响循环的最优蒸发温度和最优冷凝温度,进而影响了系统的性能。

多级回热压缩超临界二氧化碳循环的构建及分析

超临界二氧化碳循环结构多样。详细讨论回热压缩过程对循环效率的影响。通过热力学第一定律,推导发现再压缩循环的热效率可以分成2部分表示,一部分的效率与单回热布雷顿循环效率相同,另一部分为100%,这2部分的份额分别与主、辅压缩机内流量份额相同。依据这一发现,再压缩循环可被看作是在单回热布雷顿循环的基础上叠加一个效率为100%的循环。受这一发现的启发,在再压缩循环的基础上进一步叠加效率为100%的循环,则构建出三级回热压缩循环。然而上述构造方法需满足2个构造条件:端点温差条件和净输出功条件。当满足构建条件时,就能通过这种方法,获得更高一级的回热压缩循环。且随回热压缩级数提高,循环效率就会提高。

超临界二氧化碳循环关键部件成本模型研究进展

超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,sCO_(2))循环的应用在不同领域受到广泛关注,其成本效益评估体系仍不完善。获得准确的sCO_(2)循环部件成本,将使sCO_(2)循环的设计目标从效率最优转向成本效益最大化。该文分类综述sCO_(2)循环关键部件成本公式的研究进展。目前,成本公式通常为“缩放参数”的幂函数,函数待定系数确定方法各不相同。基于独立构建的sCO_(2)循环热力计算模型,对比分析现有sCO_(2)循环部件成本公式特点。结果表明,在主气参数与循环布置相同的情况下,不同成本公式计算结果相差较大,其中较高的成本是参考成本关系缩放不合理造成。透平成本计算结果普遍偏大,压缩机成本两级分化明显。换热器成本的研究,考虑因素多样,综合来看,基于热导确定成本更能体现换热器成本特性。针对研究现状,指出sCO_(2)循环部件成本计算亟待解决的问题主要有:选用非特定用于sCO_(2)循环的部件成本公式,缺乏合理性验证分析;成本公式中应包含温度、压力等校正因子;对成本公式不确定性的量化研究尚有不足。

非共沸混合工质有机闪蒸循环热力学分析与优化

有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)是将中低品位热能转化为有用功的有效途径。传热过程不可逆损失较大是导致ORC系统效率低的重要原因,混合工质有机闪蒸循环(organic flash cycle,OFC)可以同时优化蒸发器和冷凝器换热过程的温度匹配。而OFC闪蒸节流过程产生的不可逆损失是OFC相对于ORC的劣势所在。为进一步减小OFC的不可逆损失,对比优化的有机闪蒸循环(modified OFC,MOFC)与优化的两相膨胀有机闪蒸循环(modified 2-phase OFC,MPOFC)2种优化循环构型,计算混合工质不同浓度对OFC及优化构型OFC系统(火用)效率的影响。结论表明MOFC和MPOFC可以通过减小闪蒸节流等过程的(火用)损进一步提升系统(火用)效率。通过优化混合工质浓度可使得MOFC、MPOFC系统(火用)效率明显高于ORC。其中,新戊烷/环戊烷在浓度(0.6/0.4)时,MPOFC(火用)效率达到58.50%。

大容量sCO_(2)锅炉烟气侧与工质侧匹配策略

为解决压降效率惩罚问题,大容量超临界二氧化碳(supercritical CO_(2),sCO_(2))锅炉需采用模块化设计。由于sCO_(2)锅炉入口工质温度高、管内换热系数低,炉膛冷却壁极易超温,冷却壁安全性为锅炉设计的关键难点。锅炉中,烟气侧热负荷分布与sCO_(2)侧参数与管排结构具有各自的分布特点。对烟气侧与sCO_(2)侧进行适当的匹配可有效降低冷却壁壁温。该文以1000MW等级二次再热sCO_(2)锅炉为例,建立耦合热力学循环与锅炉模块流动传热的数值模型,分析不同布置方案下冷却壁壁温,提出降低大容量sCO_(2)锅炉冷却壁壁温的烟气侧与sCO_(2)侧匹配策略。结果表明,在烟气全温区范围内,遵循低温工质匹配高热负荷原则,冷却壁分成6个模块的方案可有效降低冷却壁壁温;在炉膛内,遵循高许用热负荷匹配高热负荷原则,调整冷却壁模块的布置,可进一步降低冷却壁壁温。该文提出的匹配策略显著降低了冷却壁壁温,可为模块化锅炉的设计与布置提供一定参考。

基于S-CO_(2)循环和ORC耦合的燃煤发电系统烟气余热深度利用方案研究

多级压缩回热能够显著提升超临界二氧化碳(S-CO_(2))循环效率,然而当其应用于燃煤发电领域时,由于回热程度的提高,锅炉尾部烟气余热吸收困难.针对这一问题,本文构建了一次再热三级压缩S-CO_(2)循环(TC+RH)和有机朗肯循环(R123)深度耦合的联合循环,通过优化系统与环境间的能量流动过程,逐步提高系统性能.首先通过ORC同时逐级吸收S-CO_(2)循环冷却器与锅炉烟气热能,降低锅炉排烟温度、提高锅炉效率.在S-CO_(2)循环主气参数为620℃/30 MPa时,排烟温度从132℃降低到123℃,系统发电效率从47.13%提升到47.24%.引入有机朗肯循环(ORC)构建的联合循环可以有效地吸收锅炉尾部烟道烟气余热,获得更高的锅炉效率从而使系统发电效率提高.进而在耦合ORC的基础上,充分利用S-CO_(2)循环冷却器变温放热特点,通过空气与R123共同吸收冷却器内高温段热量,实现系统发电效率的进一步提高(47.24%~48.90%).本文为同时实现高效吸收锅炉尾部烟道烟气余热以及回收循环冷却器热量提供了有效的解决途径.

基于循环拆分法的S-CO_(2)燃煤发电优化研究

对于S-CO_(2)燃煤发电系统,系统复杂难以横向比较,拆分法通过对循环流量分配,能够梳理循环回热过程并进行循环间的比较,应用循环拆分法有助于对复杂燃煤发电系统的性能进行分析。本文以再压缩循环(RC)为例,构建了集成冷却器热量回收(CHR)和烟气冷却器法(FGC)的S-CO_(2)燃煤发电系统(RC+LFGC+CHR),论证了拆分法在分析燃煤发电系统中的优势。当主气参数为620℃/28 MPa时,应用拆分法分析,RC+FGC+CHR可等效为在热效率49.21%的RC基础上,叠加热效率为57.49%的子循环(SSC+LFGC+CHR),故RC+FGC+CHR效率(49.80%)高于RC(49.21%)。