超临界CO2管内冷却换热的理论模拟与实验研究

摘要

自然工质CO2的采用对于减少臭氧层破坏、降低温室效应以及促进环境的可持续发展具有十分重要的意义。由于CO2临界温度为31.1℃,临界压力为7.38MPa,在当前采用的跨临界循环中,CO2在气体冷却器中是以超临界状态放热。目前尚无统一的公认关联式来准确预测超临界CO2在管内的冷却换热和压降特性。因此本文采用理论分析和实验研究相结合的方法,研究超临界CO2在气体冷却器管内的传热特性,为提高气体冷却器的性能,以及提高CO2跨临界循环的性能提供依据。
　　根据CO2的密度、导热系数、比热和动力粘度的变化规律,将超临界区域划分为超临界起始区和主超临界区两部分。在超临界起始区,CO2的物性参数变化非常剧烈,对换热影响巨大,使换热系数在超临界起始区的变化幅度很大并且在准临界点处达到峰值,但在主超临界区变化幅度很小。
　　以套管式气体冷却器为例,采用分布参数法和集总参数法相结合的方法建立了气体冷却器的模型。采用EES软件进行仿真计算,结果表明:CO2的温度、质量流量、冷却水流量和高压侧压力的变化对换热和压降的影响很大。随着CO2温度的升高,换热系数在超临界起始区域内先是迅速增大,在准临界点处达到峰值,之后迅速减小,到了主超临界区域变化极为缓慢;换热系数随CO2质量流量和冷却水流量的增大而增大;换热系数随压力的变化趋势比较复杂,在超临界起始区随压力的增大而增大,但在主超临界区,换热系数随压力的增大反而减小;压降随着CO2质量流量增大而增大,但最大仅占系统运行压力1.2％,相对较小。
　　然后设计实验方案,对超临界CO2换热和压降特性进行研究。实验结果与理论分析和仿真计算中关于CO2在超临界起始区和主超临界区的规律一致。
　　最后通过对筛选关联式的理论计算值和实验测量值的对比可知:Churchill关联式计算出的压降与实验数据最吻合;Gnielinski关联式用于本实验台的换热计算时最大偏差只有13.8%,二者最适合用于本实验台超临界CO2管内冷却的换热和压降计算。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

符号说明

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究动态

1.3 本课题研究内容

第二章 超临界CO2管内换热理论分析

2.1 跨临界CO2循环的理论分析

2.2 超临界CO2的物性特点

2.3 超临界CO2换热机理及影响因素

2.4 超临界CO2管内换热关联式和压降关联式

2.5 本章小结

第三章 超临界CO2管内传热模拟计算

3.1 模型假设

3.2 气体冷却器结构参数

3.3 气体冷却器换热计算

3.4 EES编程仿真

3.5 仿真结果分析

3.6 本章小结

第四章 超临界CO2气体冷却器的实验研究

4.1 跨临界CO2循环实验装置

4.2 实验内容

4.3实验结果分析

4.4 本章小结

第五章 结论与建议

5.1 结论

5.2 今后的研究工作与建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢