超临界二氧化碳自适应流道回热器研究
发布时间：2020-05-08 07:05
【摘要】：核能作为一种清洁能源,是未来能源领域重要的发展方向之一,而再压缩超临界二氧化碳布雷顿循环由于其换热效率高、能量密度大和性能稳定等优点,是第四代核反应的最佳循环类型之一,具有非常大的研究价值和应用前景。在超临界二氧化碳布雷顿循环中,低温回热器的换热性能和水力性能对整个系统循环有重要影响,而处于超临界状态的二氧化碳物性随温度剧烈变化成为制约回热器性能的重要因素。本文针对超临界二氧化碳物性随温度变化的特性,提出自适应流道设计以提高超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环中低温回热器的传热和流动特性,并通过系统的理论和实验方法对这种新型回热器进行了研究。本文在对现有超临界二氧化碳回热器流道结构研究和分析的基础上,提出了解决二氧化碳物性剧烈变化的自适应流道的设计方案,即换热器流道尺寸根据换热器内二氧化碳温度变化而相应的改变,为了验证这种设计思路的可行性,我们首先针对单个自适应流道,建立单个自适应流道的物理模型和数学模型,通过理论模拟计算,对超临界二氧化碳自适应流道与普通流道的传热和流动特性进行了比较。结果表明自适应流道综合性能优于普通流道,证明了自适应流道的可行性。随后在自适应流道研究的基础上,提出了自适应流道回热器的设计方案。首先建立了自适应流道回热器的分析模型,通过数值模拟对自适应流道回热器进行了数值模拟。模拟结果发现新型自适应流道可以有效降低回热器的压力损失50%左右,同时提高回热器的对流换热系数从而提高了回热器的换热有效度2%左右,此外自适应流道结构还可以提高回热器的紧凑型。最后,根据理论数值计算和文献调研结果,提出了结合“S”形肋片的不连续通道自适应流道回热器设计思路,同时从实验方向进行研究。考虑到新设计回热器流道结构的复杂性,我们通过金属3D打印技术进行制作加工。其后为了验证新型回热器的性能,本文又搭建了一台超临界二氧化碳回热器性能测试平台。该实验平台包括超临界二氧化碳压缩机、实验循环测试系统和数据采集分析系统三大部分。在对回热器的性能实验研究中,一方面通过实验结果与理沦结果关键参数的对比,实验结果和数值模拟结果误差范围在5%以内,从而可以验证数值仿真模型的准确性;另一方面通过实验将新型回热器和普通回热器进行对比研究,结果表明:自适应流道回热器可以显着降低压力损失:与普通流道“S”形肋片回热器相比,新型回热器的压力损失最高可以降低到69%,同时自适应流道回热器的有效度可以提高2%左右。实验结果与理论结果相互吻合,结果表明自适应流道回热器的水力性能和换热性能均能得到提高。最后,本文通过对回热器实验数据和理论模拟数据的分析、归纳和总结,建立了传热参数与结构参数的无量纲参数之间的关联式,为以后对不同结构的回热器进行传热性能分析提供理论帮助和支持。
【图文】：
逦２５０逡逑温度（°Ｃ）逡逑图１－２．不同压力Ｃ０２不同温度下的热物性逡逑Ｔ｜邋＾逡逑’逦冷流体逡逑Ｘ逡逑图１－３．“夹点”问题示意图逡逑针对“夹点”问题有学者提出了再压缩ＳＣ０２－ＢＣ循环（如图１－４所示），通过逡逑两级回（换）热器（高温回热器和低温回热器）和分流技术，，通过牺牲一部分压逡逑缩功来获得更高的回热器效率，避开二氧化碳比热容剧烈变化的临界区域，减少逡逑跨临界区Ｃ０２的总热容，从而提高回热器效率，减小回热器的体积［１３］。逡逑研究者们针对超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环进行了循环数值研[偧爸麇义弦问治鲇呕萑植问治鼋峁厝绕鞯幕蝗刃屎脱沽λ鹗Ф哉鲥义涎沸视邢灾挠跋欤郏保矗荨Ｍ被厝绕魇浅俳纾茫埃惭废低持惺孔疃唷⑻邋义匣畲蟮纳璞福涑杀驹颊颊逑低吵杀镜模担埃ヒ陨稀４送猓厝绕鞫杂谙低嘲插义先⑽榷ㄔ诵校低痴逍实奶岣呔哂兄匾饔茫歉孟低匙钗丶纳璞钢义弦弧３俳纾茫埃不蝗绕鳎ɑ厝绕鳎┗⊙绣撤矫嬉鸦竦霉叶喔鱿钅康闹С帧ｅ义纤曰诨厝绕鞯男阅芏哉龀俳缍趸疾祭锥傺返闹匾跋
本文编号：2654307
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