【摘 要】
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提高余热回收利用率是实现能源梯级利用目标的重要手段之一,跨临界CO2朗肯循环系统在此方面显示出较大的应用潜力。作为该循环系统的重要组成部件之一,气体加热器在实际应用中面临严峻的挑战。当CO2工质在气体加热器内被加热至拟临界点附近时,受流体热物性参数非线性剧烈变化以及浮升力和热加速效应的影响,在高热负荷条件下易发生严重的传热恶化。而传热恶化的发生会导致系统热效率降低,同时也会加速管道热腐蚀,危害系统
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提高余热回收利用率是实现能源梯级利用目标的重要手段之一,跨临界CO2朗肯循环系统在此方面显示出较大的应用潜力。作为该循环系统的重要组成部件之一,气体加热器在实际应用中面临严峻的挑战。当CO2工质在气体加热器内被加热至拟临界点附近时,受流体热物性参数非线性剧烈变化以及浮升力和热加速效应的影响,在高热负荷条件下易发生严重的传热恶化。而传热恶化的发生会导致系统热效率降低,同时也会加速管道热腐蚀,危害系统运行安全。因此,设计性能更为优越的换热结构是提高系统循环效率与保障系统运行安全的关键。Helmholtz自振腔是一种两端开孔、四周封闭的具有一定结构参数的圆柱形腔体,其内部流场在无需另加激励下便可产生脉动流,属于无源强化传热的流体机械部件。因此,提出基于Helmholtz自振腔产生的脉动流来抑制超临界CO2在竖直均匀加热圆管内的传热恶化,并以光滑管（ST）与带Helmholtz自振腔的光滑管（THO）为研究对象,开展了相关的实验研究与理论分析工作。主要研究内容如下:（1）基于流体相似网络理论,设计并加工了适用于抑制超临界CO2管内传热恶化的Helmholtz自振腔,搭建了基于Helmholtz自振腔的超临界CO2流动与传热实验台,然后在加热段内径4 mm,压力8.0 MPa,质量流速144～750 kg/（m~2·s）,进口温度15.0～25.0℃,热流密度23.0～128.0 k W/m~2,入口雷诺数6.6×10~3～4.5×10~4的运行参数范围内,对超临界CO2在ST与三种THO内的对流传热特性进行了对比研究。（2）基于以上研究,发现质量流速对THO抑制超临界CO2传热恶化的效果影响较大。当质量流速大于350 kg/（m~2·s）时,THO可有效提高超临界CO2管内对流换热强度,其局部强化传热比(Nux,THO/Nux,ST)可达9.86。此外,在本文Helmholtz自振腔结构参数范围内,腔体下喷嘴直径对管内超临界CO2传热特征的影响较大。当质量流速为400 kg/（m~2·s）时,上、下喷嘴直径分别为2.0 mm和1.8 mm的Helmholtz自振腔的综合传热性能评价因子可达3.09。（3）对比分析了超临界CO2在THO与ST内所受浮升力与热加速效应影响的大小,结果表明THO内的浮升力效应明显减弱,明晰了THO抑制超临界CO2在加热管内发生严重传热恶化的机理。综合考虑了CO2热物性参数以及腔体结构参数的影响,提出了基于Helmholtz自振腔的超临界CO2管内传热关联式,其中有99.1%的数据点与关联式的偏差在±20%以内,具备较高的精度。
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