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冷却条件下超临界CO_2水平管内换热特性研究及循环性能分析

章高伟  
【摘要】:二氧化碳(Carbon dioxide,CO_2)作为一种不具有臭氧消耗潜能值(ODP)和可忽略全球变暖潜能值(GWP)的不可燃自然工质近年来被广泛研究。本文以自然工质C02作为研究对象,从数值模拟和实验两个方面分别对水平直管内超临界CO_2的换热特性进行了研究,提出具有更高预测精度的超临界CO_2在不同换热管中换热系数关系式。最后对不同动力循环系统进行优化分析,结果表明,对储能动力系统的换热过程进行优化,对超临界CO_2动力系统热效率和冷却装置进行综合优化,会使各类动力系统的收益更高。由于超临界CO_2突变的物性,使得换热过程中的物性变化难以进行相应的数值模拟,本文采用分段线性的方式对CO_2物性数据建表,使得数值模拟结果合理。实验中采用先增压后加热的方式使CO_2达到超临界状态。超临界CO_2换热过程方面,通过对压力、流量和管径对换热系数的影响机理进行分析,发现影响换热的主要原因是由变物性、流动状态和浮升力等造成的。此外,数值和实验结果还表明,浮升力对换热过程的影响随着换热管管径的不同会有所不同,因此在具体的换热过程中,不仅要考虑基本的变物性、雷诺数等影响,还要考虑到浮升力和管径的影响。对于超临界CO_2换热关联式的优化发展,本文通过各因素的无量纲数进行比较分析,在换热系数预测过程中引入了浮升力和管径无量纲数来优化已有的换热关联式。并对模拟中数据进行拟合得到对应的换热关联式,对数值模拟中的换热系数进行预测,预测均方根偏差仅为8.70%,但对实验数据的预测偏差较大。因此利用数值关联式的形式对实验数据进行进一步的拟合,所得实验换热关联式的预测精度有所提升,均方根偏差仅为16.76%。本文在对超临界CO_2换热关联式进行关联优化后,分别对潜热储能,亚临界显热储能以及超临界CO_2动力循环系统进行了优化分析。由于潜热储能动力系统多为相变储能系统,因此对储热装置的换热结构进行了理论优化并加以实验验证;在亚临界显热储能动力系统中,通过对系统的(火积)分析,优化释能过程中工况实现更加高效的换热;最后是对超临界CO_2动力系统的综合优化,首先对系统进行热力学分析,结果表明系统热效率会出现峰值,在不同的出口压力下的峰值热效率所对应的入口压力不同,通过优化后的换热关联式对系统中冷却装置进行计算,冷却装置长度随入口压力的提升而减小。因此需要对超临界CO_2动力循环系统进行综合优化。


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