塔式太陽能吸熱器中超臨界CO2流動換熱研究進(jìn)展

劉 赟， 董 月， 張傳智

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引 言

采用超臨界CO2循環(huán)的太陽能塔式電站在未來的能源發(fā)展中可以提供無碳、可再生和可調(diào)度的電力能源,滿足日益增長的世界能源需求[1]。常規(guī)的傳熱工質(zhì)在高溫、高壓的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中運行普遍存在設(shè)備體積大、運行成本高等缺點。其中,熔融鹽在高溫下容易分解劣化造成吸熱管壁的腐蝕;低溫下容易凝固,堵塞管路;溫度的頻繁波動容易導(dǎo)致熱應(yīng)力疲勞[2]?？諝獾呐蛎浵禂?shù)大,高溫時壓力大;密度和比熱容小,傳熱能力差導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)的熱效率低;發(fā)電量較少[3]。水蒸氣高溫時存在高壓問題,高壓問題需要增加吸熱管壁厚,降低傳熱效率,增加輸送管路成本[4]。然而,超臨界CO2與常規(guī)傳熱工質(zhì)相比,密度比較大,可以使塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊;動力黏度比較小,具有較強的流動特性;并且超臨界CO2的擴散系數(shù)較大,具有良好的傳熱特性。使用超臨界CO2作為傳熱流體的太陽能塔式電站可以提高系統(tǒng)效率,彌補常規(guī)工作介質(zhì)的不足[5]。因此,部分學(xué)者提出將超臨界CO2工質(zhì)應(yīng)用于太陽能塔式聚光循環(huán)系統(tǒng)。

塔式太陽能吸熱器作為太陽能塔式發(fā)電站的核心部件之一。根據(jù)要求和配置的不同,可以分為三種塔式太陽能吸熱器,包括外置式吸熱器、空腔式吸熱器和容積式吸熱器[6]。其中,空腔吸熱器具有較高的熱轉(zhuǎn)換效率、較大的傳熱面積、較小的反射輻射和對流熱損失,并且能在孔徑處承受較高的通量等優(yōu)點[6,7]。因此,空腔吸熱器被廣泛地應(yīng)用于塔式太陽能熱發(fā)電廠。Benoit等[8]、Delussu等[9]發(fā)現(xiàn)超臨界CO2具有良好的傳熱特性和優(yōu)秀的超臨界特性,非常適用于塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。此外,以超臨界CO2為工作流體的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有較高的循環(huán)效率,可以有效減少熱交換設(shè)備的體積,降低太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的投資成本[5],并且超臨界CO2布雷頓循環(huán)在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的循環(huán)熱效率也明顯高于蒸汽發(fā)電循環(huán)效率[10,11]。Zhang等[12]實驗研究發(fā)現(xiàn)以超臨界CO2為傳熱流體的太陽能吸熱器的年平均效率超過60.0%,高于以水為傳熱流體的太陽能吸熱器的年平均效率。White等[13]提出以超臨界CO2為傳熱流體運行的熱電循環(huán)可能在未來的發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。過去十年關(guān)于超臨界CO2流動與傳熱的研究顯著增長,在國際經(jīng)濟支持下技術(shù)的快速進(jìn)步已經(jīng)證實了超臨界CO2的應(yīng)用潛力。

1 超臨界CO2的熱物性特點

CO2的臨界壓力(7.38 MPa)適中,臨界溫度(31.1 ℃)與室溫十分接近,比較容易實現(xiàn)超臨界狀態(tài)[14]。此外,CO2無色無味無毒、價格便宜、來源廣泛且安全性能好,是目前研究較多且利用較廣的超臨界流體之一,圖1給出了超臨界CO2相位變化圖。其中,A點是固液氣的三相平衡點,AO、AB和AC分別是氣體固體平衡曲線、氣體液體平衡曲線和固體液體平衡曲線。B點為氣體液體分界的臨界點(Pc=7.38 MPa,Tc=31.1 ℃),當(dāng)CO2的壓力和溫度超過臨界點時,氣液兩相沒有明顯的分界線,此時CO2的狀態(tài)為超臨界狀態(tài)。

圖1 超臨界CO2相位變化圖

圖2給出了超臨界CO2在8 MPa、10 Mpa和12 MPa下導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度和粘度的物性參數(shù)變化。由圖2(a)可知,超臨界CO2的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的上升而下降。壓力為8 MPa時,導(dǎo)熱系數(shù)在臨界點附近會出現(xiàn)陡升,隨后大幅度下降,然后隨著溫度的增加,下降幅度趨于平緩。此外,超臨界CO2在10 MPa和12 MPa的導(dǎo)熱系數(shù)在臨界點附近下降幅度較大,溫度增加后,下降幅度趨于平緩,因此,超臨界CO2的導(dǎo)熱系數(shù)在臨界點附近會出現(xiàn)劇烈變化,之后變化幅度趨于平緩。圖2(b)給出了超臨界CO2的比熱容隨溫度的變化。在同一壓力下,比熱容隨著溫度的增加緩慢增加,在臨界點附近陡升至最大值,然后快速下降,之后隨著溫度的增加,比熱容的下降趨勢趨于平緩。并且可以看到壓力為8 MPa時比熱容的最大值遠(yuǎn)高于10 MPa和12 MPa的最大值,說明壓力越接近臨界壓力(7.38 MPa),最大值越大,并且不同壓力下所對應(yīng)的臨界溫度不同。當(dāng)壓力分別為8 MPa、10 MPa和12 MPa時,對應(yīng)的臨界溫度分別為35 ℃、45 ℃和55 ℃,即超臨界CO2的臨界溫度會隨著壓力的增大而增大。

圖2 超臨界CO2熱物性

圖2(c)和圖2(d)分別給出了超臨界CO2的密度和粘度隨溫度的變化?？梢钥闯龀R界CO2密度和粘度隨溫度的變化趨勢幾乎相同,都是隨溫度的升高不斷下降,在擬臨界點附近劇烈下降,之后隨著溫度的升高,下降幅度趨于平緩。由此可知,超臨界CO2的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度和粘度在擬臨界點附近會發(fā)生劇烈變化,之后隨溫度的升高,變化趨勢均趨于平緩。

2 超臨界CO2研究現(xiàn)狀

2.1 實驗研究

光滑管是吸熱器結(jié)構(gòu)中最簡單也是應(yīng)用最廣泛的一種管型,掌握超臨界CO2在光滑管中的換熱特點是研究其他強化傳熱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。因此,國內(nèi)外研究學(xué)者對超臨界CO2在豎直管和水平管流動與換熱過程進(jìn)行了大量實驗研究。

2.1.1 豎直管

1957年,Bringer等[15]通過實驗測量了超臨界CO2在直徑4.57 mm豎直管道中的傳熱系數(shù),研究結(jié)果顯示超臨界CO2導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、密度和比熱均隨溫度的變化迅速且不均勻。1964年,Wood等[16]測量了超臨界CO2在直徑22.9 mm豎直管道中的溫度和速度曲線以及局部傳熱系數(shù),結(jié)果表明,管壁附近的熱導(dǎo)率和湍流核心的比熱隨溫度的變化引起管壁和管軸之間的速度變化。1970年,Bourke等[17]實驗研究了超臨界CO2在直徑22.8 mm豎直管中的湍流傳熱過程,并對管壁溫度進(jìn)行了測量,確定流動方向?qū)Ω×Φ挠绊憽?971年,Hiroaki等[18]對直徑6 mm豎直圓管中的超臨界CO2進(jìn)行強制對流傳熱實驗,仔細(xì)研究了臨界溫度附近傳熱系數(shù)惡化的現(xiàn)象,證明了表面粗糙度對超臨界CO2強制對流傳熱過程存在一定的影響。1974年,Miropolskiy等[19]研究了超臨界CO2在等溫和非等溫條件下強制對流的速度和溫度分布,實驗表明,在接近臨界狀態(tài)的區(qū)域,速度曲線發(fā)生了劇烈變化。1986年,Dashevskiy等[20]研究了低雷諾數(shù)條件下,超臨界CO2在垂直加熱的圓形管道中流動傳熱的實驗數(shù)據(jù),確定了自然對流對傳熱的增強作用。1993年,Kurganov等[21]對比分析了直徑22.7 mm的豎直管中超臨界CO2向上和向下流動時速度場和溫度場的實驗數(shù)據(jù),研究發(fā)現(xiàn),超臨界CO2在向上流動過程中的傳熱惡化是由于速度場和剪切應(yīng)力引起的。2002年,Liao等[22]試驗研究了加熱的水平和豎直微型管中超臨界CO2的對流傳熱過程,實驗發(fā)現(xiàn),在水平和豎直流動方向上,超臨界CO2的浮力效應(yīng)都很顯著。2006年,張宇等[23]對超臨界CO2在豎直加熱圓管內(nèi)的對流換熱進(jìn)行了實驗研究,比較了流向、熱流密度等參數(shù)對超臨界CO2流動換熱的影響。研究發(fā)現(xiàn)向下流動的換熱要強于向上流動,這表明流動方向?qū)Q熱有很大影響。2010年,Li等[24]實驗研究了超臨界CO2在內(nèi)徑為2 mm的垂直圓管中的對流傳熱特性,分析了熱通量、熱物理特性、浮力和熱加速度對超臨界CO2對流傳熱的影響。實驗結(jié)果表明,在高入口雷諾數(shù)和高熱通量的情況下,向上流動的傳熱有明顯的局部惡化和恢復(fù),而向下流動則沒有。2015年,Zalhan等[25]在亞臨界、近臨界和超臨界的高壓力下,CO2在內(nèi)徑為8 mm和22 mm的直接加熱管中垂直向上流動過程進(jìn)行了熱水力學(xué)測試。實驗數(shù)據(jù)適用于評估其他傳熱預(yù)測方法,與其他研究人員報告的相應(yīng)結(jié)果一致。2019年,Zhang等[26]實驗研究超臨界CO2在加熱豎直管中不同質(zhì)量流量范圍內(nèi)的異常傳熱特性。實驗結(jié)果表明,低質(zhì)量流量(G=80-120 kg·m-2s-1)沒有觀察到傳熱惡化,而明顯的傳熱惡化是在中等(G=120-180 kg·m-2s-1)和高(G>180 kg·m-2s-1)質(zhì)量流量下發(fā)現(xiàn)的。2020年,Zhang等[27]通過實驗和數(shù)值模擬比較研究了超臨界CO2在內(nèi)徑為4 mm的豎直管、水平管和垂直螺旋管中的傳熱和流動特性。實驗結(jié)果證明,傳熱惡化需要充分考慮到浮力和流動方向的相互作用,并且垂直管中的傳熱惡化比水平管中更嚴(yán)重。2022年,Zhang等[28]研究關(guān)注超臨界CO2在垂直向下流動中的傳熱惡化問題,在實驗中首次觀察到超臨界CO2在垂直向下流動的混合對流中壁溫突然升高的現(xiàn)象,研究發(fā)現(xiàn)向下流動中發(fā)生的傳熱惡化主要是由于邊界層中的熱加速效應(yīng)引起的。

本文分類列出了近些年超臨界CO2在豎直管中流動換熱實驗研究的主要文獻(xiàn)(見表1)以及超臨界CO2流動與傳熱的實驗關(guān)聯(lián)式(見表2)。

表2 超臨界CO2流動與傳熱的實驗關(guān)聯(lián)式

2.1.2 水平管

1968年,Melik-Pashaev等[47]描述了高壓工作的實驗程序,討論了超臨界CO2在水平管內(nèi)的湍流傳熱過程。1969年,Schnurr[48]測量了超臨界CO2在水平圓管中的局部傳熱系數(shù),研究發(fā)現(xiàn)圓管中的傳熱機制主要是湍流強迫對流。1976年,Adebiyi等[49]介紹了超臨界和亞臨界壓力CO2在均勻加熱水平圓管內(nèi)的流動傳熱實驗研究結(jié)果,實驗工作涵蓋了2×104～2×105的入口雷諾數(shù)范圍,觀察到管內(nèi)明顯的溫度變化,證明了浮力對實驗結(jié)果存在影響。1981年,Ankudinov等[50]實驗研究了超臨界CO2在水平管和含有螺旋線插入物的加熱管中的傳熱惡化現(xiàn)象,研究表明使用大螺距的螺旋線插入物能有效強化傳熱。1996年,Walisch等[51]對超臨界CO2在水平、垂直和傾斜管的中的流動傳熱進(jìn)行了測量,研究了臨界點附近的物理特性變化以及流動方向的影響。研究結(jié)果表明,與無浮力湍流條件相比,超臨界CO2在浮力作用下的傳熱明顯增強。2006年,Son等[52]實驗研究了冷卻條件下超臨界CO2在水平管內(nèi)的傳熱系數(shù)和壓降,實驗數(shù)據(jù)表明,超臨界CO2的壓降與Blasius的預(yù)測結(jié)果有較好的一致性,并且超臨界CO2的局部傳熱系數(shù)與Bruader-Smith的相關(guān)性吻合較好。此外,在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,提出了一種預(yù)測超臨界CO2傳熱系數(shù)的新方法。2011年,Oh等[53]通過實驗對超臨界CO2在水平管沸騰過程中的傳熱系數(shù)和壓降進(jìn)行了分析,研究結(jié)果顯示:熱通量和飽和溫度對超臨界CO2的傳熱影響較大,超臨界CO2的沸騰傳熱系數(shù)隨著水平管直徑的減小而增大。2016年,Tanimizu等[54]通過實驗研究了超臨界CO2在水平圓管中的傳熱特性,結(jié)果表明,超臨界CO2在水平管中的流動存在較強的浮力效應(yīng)。2019年,Jajja等[55]實驗研究了超臨界CO2在非均勻熱流邊界條件下的水平管中的湍流傳熱性能,并且利用實驗試驗段的二維和三維傳熱模型計算了給定實驗條件下的平均傳熱系數(shù)。2020年,Wang[56]研究了在水平圓管中均勻加熱的超臨界CO2的壓降特性,結(jié)果表明,通道壓降隨質(zhì)量流量和入口流體溫度的增加而增大,而隨出口壓力和管徑的增加而減小。其中,摩擦壓降是總壓降的最主要因素。2021年,Lei等[57]研究通過分析不同質(zhì)量流量、壁面熱流和工作壓力下超臨界CO2在水平、垂直向下和垂直向上圓管中的傳熱系數(shù)和浮力效應(yīng),研究結(jié)果表明降低質(zhì)量流量可以增強浮力效應(yīng),強化超臨界CO2的傳熱。

總之,有關(guān)超臨界CO2在管內(nèi)的實驗研究主要集中在定熱流密度或者定壁面溫度條件,關(guān)注超臨界CO2跨臨界區(qū)域的物性變化,缺少對實際非均勻熱流邊界下超臨界CO2在管內(nèi)的流動與傳熱的實驗研究。然而,傳統(tǒng)工質(zhì)熔融鹽在高溫下容易分解劣化造成吸熱管壁的腐蝕;水蒸氣在高壓下存在傳熱效率低,管路輸送成本高等問題。超臨界CO2與傳統(tǒng)傳熱工質(zhì)相比具有較高的循環(huán)效率,可以有效減少換熱設(shè)備的體積,降低太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的投資成本。因此,研究超臨界CO2在實際非均勻熱流邊界下的流動與傳熱性能具有重大的應(yīng)用價值。

2.2 數(shù)值研究

目前的關(guān)于超臨界CO2研究主要集中于實驗研究和數(shù)值模擬兩個方面,兩種方法各有優(yōu)劣。實驗更貼近工程實際工況,得到的數(shù)據(jù)更有說服力。但是實驗不能對超臨界CO2流動過程中的傳熱機理做出詳細(xì)分析,不能清楚觀測到超臨界CO2在光滑管中的流動與傳熱細(xì)節(jié)。因此,需要通過數(shù)值研究模擬分析出超臨界CO2在光管內(nèi)部細(xì)微的機理性變化,對實驗不能反映的現(xiàn)象進(jìn)行分析說明。目前,國內(nèi)外研究學(xué)者對超臨界CO2在豎直管、水平管和其他管型中的流動與傳熱進(jìn)行數(shù)值模擬分析。超臨界CO2計算模型可以使用REFPROP軟件與商業(yè)軟件ANSYS-FLUENT求解器之間形成動態(tài)鏈接,從而提高超臨界CO2物性計算精度。

2.2.1 豎直管

部分學(xué)者對超臨界CO2在豎直管中的流動與傳熱性能進(jìn)行研究,并且對超臨界CO2在向上流動和向下流動中的傳熱性能進(jìn)行比較。張宇等[58]數(shù)值模擬了內(nèi)徑2 mm的圓管中的超臨界CO2在低雷諾數(shù)下的對流換熱過程,與實驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)在入口雷諾數(shù)較低和熱流密度較高的條件下,密度變化產(chǎn)生的浮升力使超臨界CO2流動從層流提前轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?增強了超臨界CO2換熱并引起圓管壁面溫度的異常分布。Liu等[59]為了確定影響傳熱惡化的關(guān)鍵因素,對超臨界CO2在不同條件下的流動進(jìn)行了比較分析,發(fā)現(xiàn)浮力是引起傳熱惡化的主要原因。Zheng等[60]數(shù)值和實驗研究了超臨界CO2從層流向湍流轉(zhuǎn)變的過程,對非加熱情況以及加熱情況下的超臨界CO2在強迫流動(無浮力)、向上流動和向下流動中的傳熱性能進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)向下流動的壓力梯度和向上流動中離心力的增強作用導(dǎo)致了超臨界CO2從層流向湍流轉(zhuǎn)變過程中的不穩(wěn)定性。Guo等[61]對冷熱條件下超臨界CO2的熱工水力特性進(jìn)行了數(shù)值研究。在冷卻條件下,超臨界CO2傳熱系數(shù)的峰值出現(xiàn)在臨界點附近,浮力效應(yīng)增強了向上流動的局部傳熱,而惡化了向下流動的局部傳熱;在加熱條件下,超臨界CO2的浮力效應(yīng)改善了向下流動的局部傳熱,同時惡化了向上流動的局部傳熱。Fan等[62]綜述了超臨界CO2的傳熱機理和傳熱相關(guān)性,利用數(shù)值方法研究了超臨界CO2在周向非均勻加熱過程中的傳熱特性,并討論了其基本機理。研究發(fā)現(xiàn),超臨界CO2的異常傳熱是由于熱物理性質(zhì)變化的綜合效應(yīng)引起的。其中,低質(zhì)量流量下的傳熱惡化主要是由浮力效應(yīng)引起的,而高質(zhì)量流量下的傳熱惡化主要是由局部粘性底層增厚引起的。Xie等[63]對超臨界CO2在垂直管中的傳熱惡化進(jìn)行了系統(tǒng)和全面的分析,比較和分析了質(zhì)量流量、熱通量、管徑、工作壓力、入口溫度等邊界條件的影響。

2.2.2 水平管

部分學(xué)者對于超臨界CO2在水平管內(nèi)的對流換熱進(jìn)行了數(shù)值研究,研究了質(zhì)量流量、壓力、截面形狀和浮力等因素對超臨界CO2性能的影響。相夢如等[64]對超臨界CO2在水平管內(nèi)的對流換熱進(jìn)行了數(shù)值研究,分析了流體物性、熱流密度和直徑對超臨界CO2流動換熱特性的影響。結(jié)果表明,浮力效應(yīng)導(dǎo)致超臨界CO2在流動截面上出現(xiàn)溫度場不對稱和二次流現(xiàn)象,并且增大熱流密度和直徑能夠増強浮力效應(yīng)對超臨界CO2換熱特性的影響。劉生輝等[65]基于實驗數(shù)據(jù)對水平管內(nèi)超臨界CO2強迫對流傳熱的浮升力效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值研究。研究發(fā)現(xiàn),在低質(zhì)量流量和高熱流密度工況下,超臨界CO2的浮升力作用明顯并導(dǎo)致管道內(nèi)流體徑向和軸向速度重新分布。基于實驗工況的數(shù)值模擬結(jié)果表明:降低壁面熱流密度、增大質(zhì)量流量以及提高入口溫度可以不同程度地緩解浮升力效應(yīng)引起的傳熱惡化。Wang等[66]對超臨界CO2在直徑15.75 mm、20 mm和24.36 mm水平管中的湍流傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果與實驗測量結(jié)果具有一致性。隨著質(zhì)量流量的增加,湍流擴散效應(yīng)增強,超臨界CO2的傳熱系數(shù)增大。其中,壓力對傳熱系數(shù)的分布有顯著影響,傳熱系數(shù)的峰值隨壓力的升高而急劇下降。Zhao等[67]對超臨界壓力CO2在水平管中的不對稱流動傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值計算,結(jié)果表明不對稱傳熱不會隨浮力的大小而變化。Wang等[68],Zhang等[69]利用計算方法研究了超臨界CO2在水平管中的流動和傳熱特性,發(fā)現(xiàn)浮力對超臨界CO2湍流流動和傳熱性能有顯著影響。Xiang等[70]對超臨界CO2在冷卻條件下水平管中的對流傳熱進(jìn)行了數(shù)值研究,討論了熱流、管徑和浮力等因素對傳熱特性的影響,發(fā)現(xiàn)浮力效應(yīng)導(dǎo)致徑向速度和湍流動能在圓周截面上的不對稱分布。

2.2.3 螺旋管

Zhang等[71]研究了恒定熱流條件下超臨界CO2在垂直螺旋管中的混合對流換熱過程,對比分析三種不同超臨界壓力下CO2的流動與換熱特點,并且通過浮力、離心力和物理性質(zhì)變化的耦合效應(yīng),確定了超臨界CO2在沿螺旋管圓周邊緣的溫度和傳熱系數(shù)分布。Wang等[72]對超臨界CO2在螺旋管中的傳熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬,利用湍流模型預(yù)測超臨界CO2的流動換熱過程,分析了超臨界CO2的傳熱機理。Yang等[73]采用RNGk-ε湍流模型數(shù)值模擬了超臨界CO2在水平螺旋管中的冷卻傳熱過程。研究發(fā)現(xiàn),傳熱系數(shù)沿流動方向產(chǎn)生自上而下波動,并且進(jìn)一步分析了螺旋管的螺距、螺旋盤管管徑和螺旋盤管半徑等因素影響。Liu等[74]研究了超臨界CO2在加熱螺旋管中充分發(fā)展的湍流流動,分析了熱流、壓力、質(zhì)量流量、流動方向、浮力和離心力等因素對超臨界CO2對流傳熱特性的影響。結(jié)果表明,隨著螺旋管傾斜角越小,超臨界CO2周向傳熱系數(shù)分布越不均勻。Zhang等[75]數(shù)值模擬研究了超臨界CO2在加熱的垂直螺旋管中的湍流傳熱特性,重點分析了浮力和流動加速度對超臨界CO2流動傳熱的作用機理。結(jié)果表明,浮力和離心力的作用是相似的,均能在圓周截面上產(chǎn)生二次流動,提高螺旋管內(nèi)超臨界CO2傳熱效率。

總之,有關(guān)超臨界CO2在管內(nèi)的數(shù)值研究主要集中在研究熱流密度、質(zhì)量流量、壓力、流動方向等因素對超臨界CO2對流傳熱特性的影響。但是,這些研究絕大多數(shù)都是在均勻熱流條件下開展的,這與塔式太陽能吸熱器表面非均勻熱流條件的實際情況不符。因此,還需深度研究超臨界CO2在塔式太陽能吸熱器非均勻熱流密度條件下傳熱性能。

3 非均勻熱流邊界下超臨界CO2的流動與換熱研究

在塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中,吸熱器是吸收外界熱量的重要部件,對塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的工作效率有著至關(guān)重要的影響。Aguilar等[76]提出了一個簡化的超臨界CO2槽式太陽能吸熱器的傳熱模型,發(fā)現(xiàn)利用超臨界CO2替代傳統(tǒng)的傳熱流體可以有效提高太陽能熱發(fā)電的效率。Qiu等[77]計算了非均勻熱流下槽式太陽能吸熱器中超臨界CO2的對流傳熱特性,結(jié)果表明,由于浮力的作用在吸熱管截面上產(chǎn)生的二次循環(huán)能夠有效強化超臨界CO2的流動傳熱性能。Samad等[78]數(shù)值研究了槽式太陽能吸熱器中超臨界CO2的傳熱和流動過程,結(jié)果表明,吸熱管表面的非均勻熱流分布對太陽能吸熱器的熱效率存在負(fù)面影響。Wang等[79]對非均勻熱流分布下的超臨界CO2管狀吸熱板的熱-流-機械特性進(jìn)行了數(shù)值研究,并討論了熱流分布和超臨界CO2流量分布對傳熱性能熱-機械性能的影響。結(jié)果表明,吸熱板的非均勻熱流會導(dǎo)致熱損失和熱應(yīng)力的增加,進(jìn)一步調(diào)整流量分布以匹配熱流分布可以減少熱損失和熱應(yīng)力。Wang等[80]數(shù)值研究了非均勻熱流分布下拋物型槽吸熱器中浮力對超臨界CO2對流傳熱和熱應(yīng)力的影響。結(jié)果表明,在非均勻熱流分布下,流體的密度劇烈變化進(jìn)一步誘發(fā)了二次流動,改善了速度矢量與溫度梯度之間的協(xié)同作用。

目前,針對超臨界CO2在太陽能吸熱器中傳熱性能已經(jīng)展開研究,但是相關(guān)的實驗和數(shù)值數(shù)據(jù)較少,不足以指導(dǎo)工程實際應(yīng)用,還需展開更加深入的研究。

4 結(jié) 論

本文對超臨界CO2在水平管、豎直管以及螺旋管中流動與傳熱的實驗研究和數(shù)值研究文獻(xiàn)進(jìn)行了總結(jié),歸納了非均勻熱流邊界條件下超臨界CO2流動換熱研究文獻(xiàn)。有關(guān)超臨界CO2在管內(nèi)的流動與傳熱研究主要集中在定熱流密度或者定壁面溫度條件,關(guān)于非均勻熱流密度下超臨界CO2的流動換熱研究局限于簡單的非均勻熱流。然而,塔式太陽能吸熱器表面非均勻熱流是比較復(fù)雜的,關(guān)于實際非均勻熱流邊界條件下超臨界CO2流動與傳熱特性相關(guān)的理論研究較少。

水平管中由浮力作用產(chǎn)生的二次循環(huán)能夠強化超臨界CO2流動傳熱;豎直管中由密度變化引起的浮力效應(yīng)引起超臨界CO2的局部傳熱系數(shù)在沿管向上和向下流動中呈現(xiàn)不同的變化趨勢;螺旋管中浮力和離心力的作用均能在圓周截面上產(chǎn)生二次流動,提高超臨界CO2的傳熱效率。

利用超臨界CO2替代傳統(tǒng)的傳熱流體可以有效提高太陽能熱發(fā)電的效率。其中,太陽能吸熱器的非均勻熱流會導(dǎo)致熱損失和熱應(yīng)力的增加,通過進(jìn)一步調(diào)整超臨界CO2流量分布以匹配熱流分布可以減少熱損失和熱應(yīng)力。