超临界压力CO_2竖直管内传热恶化抑制实验

为抑制浮升力导致的超临界压力流体传热恶化,该文采用光管内插螺旋结构,增强管内湍流发展,提高流体管内换热性能。对超临界压力CO_2在竖直光管、内插螺旋管内对流换热进行了实验研究,比较了热流密度、进口Re、流动方向等因素对换热的影响,讨论了内插螺旋结构对传热恶化现象的抑制作用。研究结果表明:由于浮升力传热恶化作用,流体在光管内向上流动壁温分布呈非线性变化趋势,壁温峰值区域随热流密度升高逐渐向入口区域移动;光管内插入螺旋结构可以有效抑制由浮升力产生的传热恶化作用,显著提高超临界压力CO_2管内对流换热强度,内插螺旋结构管相对于光管可以提高对流换热系数约200%以上;超临界压力CO_2在内插螺旋结构管内流动与换热时,在热流密度较高情况下,浮升力依然会对换热起到一定的恶化作用,流体向下流动时沿程对流换热系数略高于向上流动。     

超临界CO2水平直管内冷却换热的数值模拟

为了提高CO_2热泵的传热性能,基于Fluent的数值模拟方法研究了超临界CO_2在水平圆直管内的换热特性。采用标准k-ε湍流模型对超临界CO_2流体在内径为4 mm、长度为2 000 mm的水平圆管内的冷却换热进行了数值模拟,主要探究了超临界CO_2流体在管内冷却条件下的温度场分布以及传热系数的变化规律,并研究了CO_2质量流量及进口温度对管内传热性能的影响。模拟结果表明:超临界CO_2的传热系数随质量流量的增加而变大,质量流量增加100 kg/(m~2·s~2),平均传热系数增加约为12%;随着制冷剂进口温度的增加,管内平均传热系数变小,但局部传热系数的最大值并不会发生改变,只会使其出现的节点延后。研究结果可为水平直管在CO_2热泵中的应用提供理论与数据支持。     

超临界压力流体在多孔介质内对流换热研究进展

超临界压力流体在多孔介质内的流动换热问题在动力工程、化学工程、航天航空等领域的应用非常广泛,它是超临界CO_2气冷堆、太阳能热发电系统、超临界压力流体对高温壁面的发汗冷却等工程设计优化的理论基础。分别从实验研究和数值模拟两个方面,详细阐述了多孔介质内超临界压力流体流动换热的研究进展,指出了准临界温度附近强烈物性变化、多孔结构迂曲流动通道、浮升力等因素对换热通道局部对流换热性能的影响规律是深入研究的关键问题。另外由于高温高压实验难度大、数据处理方法较复杂,多孔介质内超临界压力流体与固体骨架之间的内部对流换热系数实验研究非常少,致使局部非热平衡模型在多孔介质内超临界压力流体流动换热数值模拟的应用受到限制,因此同时加强超临界压力流体在多孔介质内流动传热的局部对流换热性能和内部对流换热性能研究,对于多孔介质结构传热性能评价和工业应用关键设备的设计优化具有指导意义。     

蛇形管平行通道中高压气体的对流换热特性研究

在高温加压的条件下研究了膜式蛇形管平行通道换热器的对流换热特性,试验气体为N2,试验工质的压力为0.5～3MPa.提出了不同冲刷形式、不同压力下的具体换热系数计算方法,同时给出了典型冲刷形式的对流换热关联式及其适用条件.试验研究表明:冲刷形式对换热系数有很大影响;单通道与多通道的换热系数是面积加权平均的关系;在相同的换热条件下,膜式蛇形管平行通道换热器的换热系数高于蛇形管平行通道换热器;相同温度条件下随着压力的升高,换热系数升高,但升幅逐渐减小.     

超临界CO2热泵蛇形管气冷器传热特性研究

为了减少能源消耗、提高CO₂热泵的效率,基于Fluent软件,采用数值模拟方法对超临界CO₂在蛇形管气冷器中的传热特性进行研究。主要探究蛇形管内超临界CO₂的流动特性,通过改变操作压力、CO₂和冷却水的质量流量,分析蛇形管的传热性能。结果表明,蛇形管中离心力周期反向,会使温度和速度梯度呈周期性的内侧和外侧交互扩散的趋势;超临界CO₂压力越靠近临界点,平均传热系数越高,压力为8 MPa下的平均传热系数相较于9 MPa和10 MPa分别提高了24.37%和42.53%;超临界CO₂的平均传热系数随着CO₂质量流量的增加而增大,随着冷却水质量流量的增加而降低,冷却水质量流量的增加不会对峰值点的传热系数产生影响,但会使峰值点出现的位置提前。研究结果为超临界CO₂热泵蛇形管气冷器的设计、运行及热效率的提升提供了理论依据。     

单井换热性能分析及优化

充分考虑管壁的对流换热强化机理,通过流体流动与固体传热综合理论分析,建立单井的岩井换热模型,优化套管井地下结构。研究结果表明：枝状井网岩井系统因其出水温度和出口截面积远比传统单井系统的大,热利用效率明显提高;蛇形井段可以显著提高系统的换热能力,但由于该结构中相邻井管比较密集,会在换热过程中造成周围岩层温度急剧下降,从而影响系统长期的换热性能;空间换热板型单井系统的换热性能和稳定性都远比其他的单井系统的好,更能适应不同工况下对循环工质不同流速的需求,也更能满足出口温度需求的多样性。     

小通道内高参数火箭煤油流动传热特性研究

为探究火箭煤油在实际工程应用中的流动传热特性,在直径为2 mm、壁厚为0.5 mm的水平圆形小通道内进行了实验研究,实验参数为压力25 MPa、热流密度2～35 MW·m~(-2)、质量流速8 000～48 000 kg·m~(-2)·s~(-1)。根据实验结果,讨论了质量流速、工质入口温度和热流密度对火箭煤油流动传热特性的影响,拟合得到了高参数火箭煤油的对流传热关联式,并引入概率密度函数(PDF)来减缓超临界煤油热物性随温度的剧烈变化。结果表明:超临界压力下煤油传热类似单相液体强制对流传热,传热系数沿流向递增;质量流速、入口油温和热流密度的增大均可带来传热强化。低雷诺数下,质量流速越大,入口油温越低,流阻越大;雷诺数大于10~5时,摩擦阻力系数主要取决于管壁相对粗糙度,与雷诺数无关。新的拟合传热式考虑了各物性参数的影响,可将平均预测偏差降至7.3%;同时,基于PDF的传热模型可以平滑拐点温度附近热物性的不连续快速变化,在388～430℃的范围内有效降低预测误差。     

直通式真空集热管的热性能研究

为了研究直通式真空集热管内的换热特性以及影响集热管性能的因素,建立从吸收管到外界环境的不同阶段的传热数学模型,对每个传热阶段进行分析与计算;当吸收管内外表面温度一定时,导热量随着壁厚度的增加而减少,吸收管外径与内径比为1. 05时的导热量只有1. 02时的1/3;吸收管的导热系数与吸收管自身温度有关,单位温差下吸收管温度每提高100℃,导热量就会增加约163 W/m;吸收管与玻璃管之间对流换热量主要受环形区域压力影响;辐射换热量受吸收管外表面温度影响较大,金属吸收管的发射率会随着温度提高而增加;玻璃外管温度越高,环境温度越低,辐射换热量越大;环境风速的增加会强化对流换热系数,增加热损失.     

超临界流体传热特性研究综述

 超临界状态下流体状态介于液态和气态之间,其扩散性更接近气体,密度依然为液体量级,这种特殊的性质导致超临界压力下流体流动换热特性与亚临界压力下有很大不同.本文以超临界压力条件下水、二氧化碳和碳氢燃料为研究对象,综合分析了超临界流体在管内的换热规律,系统总结了浮升力、热流密度、质量流速、压力、进口温度、流道形状等因素对流动换热特性的影响.其中,浮升力、热流密度和质量流速影响作用较大,在较高热流密度条件下,浮升力会导致传热恶化发生;在较低热流密度下,流体临界点附近会发生传热强化;质量流速增加能够使管内换热效果显著增强.传热强化和传热恶化现象的发生与临界点附近流体物性的剧烈变化密切相关.     

低流阻火箭煤油的超临界压力流动与换热特性

为探索超临界压力下减阻剂对高温火箭煤油的减阻效果,在压力为15 MPa、质量流速为17 000～50 000kg·m-2·s-1(对应常温流速约20～60m·s-1)、流体温度从常温至360℃和热流密度为2.5～30MW·m-2的试验条件下,对火箭煤油和添加减阻剂的低流阻火箭煤油在直径2mm×0.5mm的高温合金钢管内的流动与换热特性进行了研究。研究发现:在本文研究条件下,煤油传热机理为超临界压力单相类液态强制对流换热;减阻剂对火箭煤油的减阻效果明显,减阻率最高可达60%;随着流体温度升高,雷诺数增大,减阻剂的减阻效果降低,减阻率最低下降至约20%;添加减阻剂后,煤油传热性能显著弱化,但高雷诺数下减阻煤油的换热性能基本维持不变,减阻煤油与火箭煤油的努塞尔数之比约为0.5;雷诺数小于63 000时减阻效果大于传热弱化效果,大于63 000时结果相反。     

超临界CO_2钻井井筒流动规律

考虑井筒轴向传热以及井壁围岩的温度变化对流场的影响,建立CO_2井筒循环流动模型,实现对流场压力参数、温度参数与CO_2物性参数的耦合计算与分析。结果表明:实验条件下连续管内CO_2由液态转变为超临界态的临界井深为780 m,环空中CO_2可始终处于超临界态;环空中压力剖面与井深近似呈线性相关,CO_2的压降比水的小36.7%;连续管内物性参数的变化主要由温度的变化决定,环空中则取决于压力的变化;环空中雷诺数高达106,处于较强的紊流状态;超临界CO_2钻井在窄密度窗口储层应用中具有优势。     

翼型印刷电路板式换热器内流动与换热特性

为了探究翼型印刷电路板式换热器(PCHE)内流动与换热特性,采用数值模拟方法,以S-CO2为工质,针对S-CO2布雷顿循环燃煤系统中的高温回热器,研究了质量流量、进口温度和出口压力对PCHE流动和换热特性的影响,分析压降、范宁摩擦因子、努塞尔数及综合换热性能评价指标的变化规律,提出S-CO2在翼型PCHE中新的流动和传...     

超临界压力下低温甲烷传热特性数值研究

对16 mm内径的光滑圆管内超临界压力下低温甲烷的流动与传热进行数值研究,系统地模拟热流密度为100～400 kW/m~2工况下不同流动方向的传热,分析传热强化和恶化过程中流体温度、速度和物性分布。结果表明:热流密度越大,传热强化发生的越早、峰值越高、恶化越迅速,而在较低热流密度下则不发生传热强化和恶化行为;水平流动中管顶、底的换热系数在强化段存在差异,而竖直向上流动中换热系数的分布具有对称性;边界层内的大质量热容和密度差产生的浮升力是传热强化的主要原因,边界层内的低质量热容和轴向上的热加速效应是传热恶化的主要原因。     

带肋U型通道中的汽雾/空气流动与换热数值研究

采用SST湍流模型对静止带肋U型通道中的汽雾/空气流动与换热特性进行了数值研究,分析了不同汽雾初始直径和初始质量浓度对汽雾/空气冷却性能的影响,比较了汽雾/空气、空气和蒸汽3种冷却工质的换热性能。研究表明:汽雾初始直径越大,汽雾流动距离越大,并存在一个最佳的初始直径;汽雾质量浓度增加,汽雾流动距离增大,汽雾的换热效果、阻力损失和热力性能因子增大;在雷诺数为40 000时,汽雾/空气的通道平均努塞尔数因子相对于蒸汽和空气分别增加了8.6%和25.39%,热力性能因子分别增加了6.58%和23.47%。     

低质量流速光管内超超临界水传热特性的实验与数值模拟

为了研究超超临界循环流化床锅炉水冷壁和超临界水冷堆堆芯子通道中工质水的流动传热规律和机理,在压力为21~32 MPa、质量流速为410~760kg·m-2·s-1、热流密度为150~430kW·m-2的参数范围内,对Φ30mm×5.5mm垂直上升光管中超超临界水的传热特性进行了无量纲参数分析和数值模拟研究。根据实验结果,讨论了比热容比、浮升力以及热加速效应对超超临界水传热的影响。结果表明,这些无量纲参数与换热系数不存在很强的单值性关系,当采用这些参数预测超临界流体传热时需要补充其他相关参数。数值模拟采用SSTk-ω模型,模拟结果与实验数据吻合度较高,证明了该模型具有较强的适用性,并且分析了超临界流体发生传热强化和传热恶化的物理机理,证实了边界层内的大比热容工质份额和浮升力作用分别是导致传热强化和传热恶化的主要原因之一。     

燃机透平静叶尾缘柱肋通道内的汽雾/空气冷却流动与换热特性数值研究

基于通过提高燃气进口温度来提升燃气轮机热效率和增加出力的思想,采用ANSYS-CFX商用软件对模化的燃气轮机透平静叶尾缘楔形柱肋冷却通道中流动与换热特性进行了数值模拟,对比研究了冷却工质为空气和汽雾/空气时的冷却性能,以及不同的雷诺数和雾滴初始直径下雾滴在流动过程中的分布、努塞尔数、摩擦系数以及热力综合效率的变化情况。研究表明:雾滴初始直径越大、雷诺数越大,雾滴的流动距离越长;相同雷诺数条件下,相对于空气冷却,加入不同初始直径的雾滴可提高通道底面平均努塞尔数,换热效果强化越明显;底面平均努塞尔数的增幅与雷诺数和雾滴初始直径有关,为了达到最佳冷却效果,应考虑雾滴蒸发吸热和扰流两方面的影响;在冷却空气中加入雾滴后流动摩擦系数变化较小,综合考虑换热性能与流动阻力,加入汽雾可使热力综合效率最高提高26%。该结果可为燃机设计提供参考。     

超临界甲烷在竖直圆管内加热的数值模拟

在超临界压力下甲烷的相变现象消失,并且物性变化非常剧烈,换热过程变得相当复杂.通过数值模拟软件FLUENT导入制冷剂物性软件REFPROP中超临界甲烷的材料模型,在准确反映超临界甲烷的热力性能和传输物性变化的情况下,采用数值模拟的方法对竖直加热圆管内超临界压力下甲烷的传热特性进行了研究.在分析不同工况下超临界甲烷换热情况的基础上,重点研究了浮升力对换热的影响,并得出了适用于甲烷的浮升力影响判别标准.结果表明:换热系数随着压力的减小而增加;当流体平均温度接近临界温度,壁面温度大于临界温度时有利于换热;在高热流密度,低质量流量的条件下容易造成传热恶化;浮升力改变了径向速度分布曲线,抑制了湍动能的产生,削弱了换热.     

对流换热条件下微钢管壁面轴向导热的实验研究

以蒸馏水和氮气为工质,流过内径为168μm外径为406μm的不锈钢微管.通过直接通电法对微钢管进行加热,并采用红外成像仪及专用放大镜头来测量微钢管外壁的温度场,获得了在雷诺数恒定、不同加热功率下微钢管外壁面温度场分布.经过图像处理及修正后,得到较为精确的沿壁面的温度分布,进而求得微管沿壁面的导热量.实验结果表明,对于液体流动的微管对流换热,计算管壁的表观换热系数时可以忽略管壁轴向导热的影响.而对于微钢管的气体流动换热,在自然对流边界条件下,管壁轴向导热量与总加热量之比达到2.1%.     

多孔介质中超临界压力CO2对流换热的实验研究

对超临界压力下CO2在颗粒直径为0．2～0．28mm的竖直烧结多孔介质圆管中的对流换热进行了实验研究．对热流密度、质量流量、入口压力及流动方向对对流换热规律的影响进行了研究，结果发现：准临界点附近CO2强烈的物性参数变化，尤其是定压比热的变化对对流换热的影响很大；对流换热系数随着流体局部平均温度的升高在准临界点附近达到最大；随着热流密度的增加，对流换热系数出现先增大后减小的趋势；质量流量越大，对流换热越强；流动方向对对流换热的影响不大；随着压力靠近临界压力，CO2的物性参数变化越来越剧烈，对流换热系数在准临界点附近也越来越大，但随着流体温度远离准临界点，压力对对流换热的影响逐渐减小．     

环境参数对PTR70真空集热管外壁面温度的影响

为了利用玻璃管外壁面温度判别集热管真空,考虑集热管的传热平衡,推导出玻璃管外壁面温度与集热管热损失的关系表达式,结合PTR70真空集热管实验拟合关联式,确定不同环境风速、环境温度、太阳辐射强度以及管内循环工质温度下,PTR70真空集热管处于良好运行状态时的玻璃管外壁面温度范围.结果表明:环境变化仅改变玻璃管外壁面温度,对集热管热损失的影响相对较小.随着环境风速的增大,玻璃管外壁面温度先是急剧减小,然后趋于平缓；随着环境温度的升高,玻璃管外壁面温度呈线性升高；太阳辐射强度的变化对玻璃管外壁面温度几乎没有影响.工质温度是影响PTR70真空集热管热损失的最主要因素,玻璃管外壁面温度和集热管热损失都随工质温度的升高而增大,且增幅越来越大.