浮升力和流动加速对超临界CO2管内流动传热影响

基于单相流体的概念,超临界流体的异常传热行为已经被研究很多年了,但是关于其流动传热机理仍没有统一的认识.本文通过理论分析和实验研究了超临界二氧化碳在竖直管内向上流动过程中,浮升力和流动加速效应对其流动结构和传热过程的影响.结果表明,没有确凿的实验证据表明超临界流体的异常传热行为是浮升力和流动加速直接导致的,存在的估计浮升力和流动加速效应准则均是在常物性流体的基础上,做了大量假设得出的,不同的研究者采用浮升力和流动加速准则分析超临界流体的传热恶化得出的结论不一致.最后,基于拟沸腾理论分析超临界流体的传热恶化过程,提出超临界沸腾数区分了超临界流体正常传热与恶化传热的转换边界,为超临界流体流动传热研究提供新思路,超临界沸腾数对建立用于不同技术的超临界流体动力循环的最佳运行条件具有重要意义.

微通道流动沸腾压降及波动性

实验研究了无水乙醇工质在水力直径为500μm凹型分段梯形微通道内流动沸腾压降及波动性规律,工质质量流量分别为4 200和5 200 kg/(m^(2)·s),热源加热功率为160~280 kW/m^(2)。实验结果表明:在相同的工质质量流量下,高加热功率导致工质沸腾剧烈程度是影响压降的主要因素;加热功率相同时,质量流量增大是影响压降的主要因素。压差波动性同时受到质量流量和加热功率的影响,小加热功率或大加热功率和大质量流量下可减少压差波动性。可视化研究气泡动力学,发现工质从过冷沸腾到饱和沸腾时气泡由孤立状态到大气泡、合并及破碎等现象,与理论分析压降及波动性一致。

气泡脱离基板规律的数值模拟

气泡从基板上脱离的运动规律,对于研究核态沸腾的机理及相变传热有着重要意义。利用Level Set方法建立二维轴对称非稳态模型对该问题进行数值模拟,获得气泡在浮力、黏性力、惯性力与表面张力共同作用下的运动规律,分析不同Re数、Bo数和表面润湿性对气泡脱离基板规律的影响,并获得气泡从基板脱离时的临界参数。结果发现,当Re数增大,气泡上升的惯性力就增大,气泡越容易脱离;当Bo数增加,气泡会从完全脱离转变为部分脱离;随着表面润湿性的降低,气泡与基板的接触面积增大,气泡与基板及附近液体的作用力就增大,越难以脱离。

仿生毛细芯平板热管性能研究

为解决电子设备热管理问题,根据亲水性植物叶片表面微观凸起结构,以颗粒直径为75μm的电解铜粉为材料烧结制备了锥形毛细芯,制造了3种平板热管:普通蒸发段(No.1)、超亲水蒸发段(No.2)、超亲水蒸发段与超疏水冷凝段匹配(No.3)。以去离子水为工质,研究了加热功率、角度等因素对3种平板热管热性能的影响。结果表明:角度对3种平板热管的热性能影响不大,3种平板热管均具有较好的抗重力特性。超亲水蒸发段与超疏水冷凝段匹配的平板热管热性能最佳,当倾斜角为0°、加热功率为140.4W时,蒸发段中心点温度仅为67.0℃。超亲水蒸发段与超疏水冷凝段匹配的平板热管不仅具有最小蒸发热阻,最小值可达0.05K/W,而且具有最小冷凝热阻,最小值可达0.02K/W。

超临界CO_2再压缩/再热燃煤发电系统热力循环

煤在我国处于基础能源地位,发展变革性燃煤发电技术具有重要意义.与超临界水蒸气朗肯循环相比,超临界二氧化碳(S-CO_2)布雷顿循环具有效率高及系统紧凑等优点,是未来动力循环的发展方向,但S-CO_2燃煤发电面临循环构建、锅炉压降及烟气余热吸收等关键难题.为此,本文发展了热力学、CO_2流动传热及烟气余热能量分布综合模型,研究了S-CO_2再压缩/再热燃煤发电系统热力学特性,首次发现热效率曲线对于一次再热和二次再热出现交叉,进而提出了S-CO_2循环采用一次再热或二次再热的筛选准则.针对锅炉烟气余热吸收问题,本文通过揭示主蒸气温度和压力间的内在关系,提出了调节主蒸气压力方法,结果表明该方法可有效吸收烟气余热,但受材料耐压极限所制约,因而本文在S-CO_2再压缩/再热循环基础上,引入烟气冷却器,以解决烟气余热吸收问题,给出了烟气冷却器与热力系统间的最佳集成模式,所构建的燃煤发电系统热效率达50.82%,锅炉效率达94.43%.本文为发展S-CO_2燃煤发电系统奠定了理论和技术基础.