超临界二氧化碳垂直上升和下降对流传热特性实验研究

作     者：朱鑫杰 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：徐进良;彭烁

授予年度：2021年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：超临界二氧化碳 类沸腾 传热关联式 流动不稳定现象 

摘      要：超临界二氧化碳(scCO2)发电技术相较于传统水机组有着其特有的优势,在未来新一代燃煤技术、先进能源系统和核反应堆中有着良好应用前景。深入的研究scCO2的对流换热特性和建立一个准确的换热关联式,对scCO2未来的工程应用有着重大意义。已有scCO2对流传热特性的研究主要针对于垂直上升流,对于下降流的研究较少。本文采用8mm、10mm两种不同管径的实验段,在压力7.8-21.0MPa、质量流速500-1000kg/m2s、热流密度50-300kW/m2的参数范围内,实验研究了圆管内垂直上升和下降流中超临界二氧化碳的对流传热特性,并在垂直上升流中观察到了大振幅、大周期的流动不稳定现象。实验结果表明,在较低质量流速或较大热流密度下更容易出现传热恶化现象,升高压力或增大质量流速有利于改善传热性能,较大的管径传热恶化更严重。与垂直上升管内流动相比,垂直下降流动过程更不容易出现传热恶化。将实验数据和已有的浮升力和流动加速效应准则进行了比较和分析,结果发现常见衡量浮升力和流动加速效应的无量纲准则Bo*、Kv难以预测正常传热和传热恶化现象,传统的浮升力和流动加速分析存在着一定的不足。在类沸腾理论的框架下,通过引入表征近壁面附近类气膜温度梯度大小的温度梯度数π13解释了上升、下降管内不同传热特性的原因,结果表明当传热恶化出现后在恶化点位置温度梯度数π13出现了局部峰值,温度梯度变大使得类气膜附着在壁面上,局部类气膜厚度增加导致了传热恶化。考虑超临界类沸腾现象,引入类沸腾无量纲数,拟合了一个包含超临界类沸腾数的新关联式,新关联式对于上升、下降流均适用。在与文献中的关联式比较后发现:新关联式具有更高的准确性。对于超临界传热恶化和传热关联式的探究为工程设计提供了参考,可以更加有效的避免局部超温导致的部件烧毁,保证设备的安全运行。在工程实际中,不稳定流动会导致设备出现热应力疲劳,严重影响设备的使用寿命。本文在10mm圆管垂直上升管的实验过程中,发现一种大振幅、大周期的不稳定流动现象,并研究了热流密度、进口压力和质量流速对不稳定现象的影响。结果表明,流动不稳定现象仅出现在一个热流密度区间内,大于或者小于某个热流密度均为稳定流动,热流密度对振荡周期没有显著影响,提高工作压力和质量流速有利于提高系统的稳定性。