塔式太陽能吸熱器中超臨界CO2流動(dòng)換熱研究進(jìn)展

劉 赟， 董 月， 張傳智

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)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(zhǎng)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(yùn)行普遍存在設(shè)備體積大、運(yùn)行成本高等缺點(diǎn)。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(dòng)容易導(dǎo)致熱應(yīng)力疲勞[2]?？諝獾呐蛎浵禂?shù)大,高溫時(shí)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(shí)存在高壓?jiǎn)栴},高壓?jiǎn)栴}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(dòng)力黏度比較小,具有較強(qiáng)的流動(dòng)特性;并且超臨界CO2的擴(kuò)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(bǔ)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(duì)流熱損失,并且能在孔徑處承受較高的通量等優(yōu)點(diǎn)[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(shí)驗(yàn)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(yùn)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(dòng)與傳熱的研究顯著增長(zhǎng),在國(guó)際經(jīng)濟(jì)支持下技術(shù)的快速進(jìn)步已經(jīng)證實(shí)了超臨界CO2的應(yīng)用潛力。

1 超臨界CO2的熱物性特點(diǎn)

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(shí)現(xiàn)超臨界狀態(tài)[14]。此外,CO2無色無味無毒、價(jià)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(diǎn)是固液氣的三相平衡點(diǎn),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(diǎn)為氣體液體分界的臨界點(diǎn)(Pc=7.38 MPa,Tc=31.1 ℃),當(dāng)CO2的壓力和溫度超過臨界點(diǎn)時(shí),氣液兩相沒有明顯的分界線,此時(shí)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(shí),導(dǎo)熱系數(shù)在臨界點(diǎn)附近會(huì)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(diǎn)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(diǎn)附近會(huì)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(diǎn)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(shì)趨于平緩。并且可以看到壓力為8 MPa時(shí)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(duì)應(yīng)的臨界溫度不同。當(dāng)壓力分別為8 MPa、10 MPa和12 MPa時(shí),對(duì)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(huì)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(shì)幾乎相同,都是隨溫度的升高不斷下降,在擬臨界點(diǎn)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(diǎn)附近會(huì)發(fā)生劇烈變化,之后隨溫度的升高,變化趨勢(shì)均趨于平緩。

2 超臨界CO2研究現(xiàn)狀

2.1 實(shí)驗(yàn)研究

光滑管是吸熱器結(jié)構(gòu)中最簡(jiǎn)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(diǎn)是研究其他強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。因此,國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)超臨界CO2在豎直管和水平管流動(dòng)與換熱過程進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。

2.1.1 豎直管

1957年,Bringer等[15]通過實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)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(shí)驗(yàn)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(duì)管壁溫度進(jìn)行了測(cè)量,確定流動(dòng)方向?qū)Ω×Φ挠绊憽?971年,Hiroaki等[18]對(duì)直徑6 mm豎直圓管中的超臨界CO2進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn),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(duì)超臨界CO2強(qiáng)制對(duì)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(qiáng)制對(duì)流的速度和溫度分布,實(shí)驗(yàn)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(dòng)傳熱的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),確定了自然對(duì)流對(duì)傳熱的增強(qiáng)作用。1993年,Kurganov等[21]對(duì)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(dòng)時(shí)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),研究發(fā)現(xiàn),超臨界CO2在向上流動(dòng)過程中的傳熱惡化是由于速度場(chǎng)和剪切應(yīng)力引起的。2002年,Liao等[22]試驗(yàn)研究了加熱的水平和豎直微型管中超臨界CO2的對(duì)流傳熱過程,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在水平和豎直流動(dòng)方向上,超臨界CO2的浮力效應(yīng)都很顯著。2006年,張宇等[23]對(duì)超臨界CO2在豎直加熱圓管內(nèi)的對(duì)流換熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,比較了流向、熱流密度等參數(shù)對(duì)超臨界CO2流動(dòng)換熱的影響。研究發(fā)現(xiàn)向下流動(dòng)的換熱要強(qiáng)于向上流動(dòng),這表明流動(dòng)方向?qū)Q熱有很大影響。2010年,Li等[24]實(shí)驗(yàn)研究了超臨界CO2在內(nèi)徑為2 mm的垂直圓管中的對(duì)流傳熱特性,分析了熱通量、熱物理特性、浮力和熱加速度對(duì)超臨界CO2對(duì)流傳熱的影響。實(shí)驗(yàn)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(dòng)的傳熱有明顯的局部惡化和恢復(fù),而向下流動(dòng)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(dòng)過程進(jìn)行了熱水力學(xué)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)適用于評(píng)估其他傳熱預(yù)測(cè)方法,與其他研究人員報(bào)告的相應(yīng)結(jié)果一致。2019年,Zhang等[26]實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,傳熱惡化需要充分考慮到浮力和流動(dòng)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(dòng)中的傳熱惡化問題,在實(shí)驗(yàn)中首次觀察到超臨界CO2在垂直向下流動(dòng)的混合對(duì)流中壁溫突然升高的現(xiàn)象,研究發(fā)現(xiàn)向下流動(dòng)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(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)研究的主要文獻(xiàn)(見表1)以及超臨界CO2流動(dòng)與傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式(見表2)。

表2 超臨界CO2流動(dòng)與傳熱的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(cè)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(jī)制主要是湍流強(qiáng)迫對(duì)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(dòng)傳熱實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,實(shí)驗(yàn)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在影響。1981年,Ankudinov等[50]實(shí)驗(yàn)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(qiáng)化傳熱。1996年,Walisch等[51]對(duì)超臨界CO2在水平、垂直和傾斜管的中的流動(dòng)傳熱進(jìn)行了測(cè)量,研究了臨界點(diǎn)附近的物理特性變化以及流動(dòng)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(qiáng)。2006年,Son等[52]實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,超臨界CO2的壓降與Blasius的預(yù)測(cè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,提出了一種預(yù)測(cè)超臨界CO2傳熱系數(shù)的新方法。2011年,Oh等[53]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(dòng)存在較強(qiáng)的浮力效應(yīng)。2019年,Jajja等[55]實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)試驗(yàn)段的二維和三維傳熱模型計(jì)算了給定實(shí)驗(yàn)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(qiáng)浮力效應(yīng),強(qiáng)化超臨界CO2的傳熱。

總之,有關(guān)超臨界CO2在管內(nèi)的實(shí)驗(yàn)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(duì)實(shí)際非均勻熱流邊界下超臨界CO2在管內(nèi)的流動(dòng)與傳熱的實(shí)驗(yàn)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(shí)際非均勻熱流邊界下的流動(dòng)與傳熱性能具有重大的應(yīng)用價(jià)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(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬兩個(gè)方面,兩種方法各有優(yōu)劣。實(shí)驗(yàn)更貼近工程實(shí)際工況,得到的數(shù)據(jù)更有說服力。但是實(shí)驗(yàn)不能對(duì)超臨界CO2流動(dòng)過程中的傳熱機(jī)理做出詳細(xì)分析,不能清楚觀測(cè)到超臨界CO2在光滑管中的流動(dòng)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(jī)理性變化,對(duì)實(shí)驗(yàn)不能反映的現(xiàn)象進(jìn)行分析說明。目前,國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)超臨界CO2在豎直管、水平管和其他管型中的流動(dòng)與傳熱進(jìn)行數(shù)值模擬分析。超臨界CO2計(jì)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(dòng)態(tài)鏈接,從而提高超臨界CO2物性計(jì)算精度。

2.2.1 豎直管

部分學(xué)者對(duì)超臨界CO2在豎直管中的流動(dòng)與傳熱性能進(jìn)行研究,并且對(duì)超臨界CO2在向上流動(dòng)和向下流動(dòng)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(duì)流換熱過程,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(dòng)從層流提前轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?增強(qiáng)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(duì)超臨界CO2在不同條件下的流動(dòng)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(shí)驗(yàn)研究了超臨界CO2從層流向湍流轉(zhuǎn)變的過程,對(duì)非加熱情況以及加熱情況下的超臨界CO2在強(qiáng)迫流動(dòng)(無浮力)、向上流動(dòng)和向下流動(dòng)中的傳熱性能進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)向下流動(dòng)的壓力梯度和向上流動(dòng)中離心力的增強(qiáng)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(duì)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(diǎn)附近,浮力效應(yīng)增強(qiáng)了向上流動(dòng)的局部傳熱,而惡化了向下流動(dòng)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(dòng)的局部傳熱,同時(shí)惡化了向上流動(dòng)的局部傳熱。Fan等[62]綜述了超臨界CO2的傳熱機(jī)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(jī)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(duì)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(duì)于超臨界CO2在水平管內(nèi)的對(duì)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(duì)超臨界CO2性能的影響。相夢(mèng)如等[64]對(duì)超臨界CO2在水平管內(nèi)的對(duì)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(duì)超臨界CO2流動(dòng)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(dòng)截面上出現(xiàn)溫度場(chǎng)不對(duì)稱和二次流現(xiàn)象,并且增大熱流密度和直徑能夠増強(qiáng)浮力效應(yīng)對(duì)超臨界CO2換熱特性的影響。劉生輝等[65]基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)水平管內(nèi)超臨界CO2強(qiáng)迫對(duì)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?；趯?shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果具有一致性。隨著質(zhì)量流量的增加,湍流擴(kuò)散效應(yīng)增強(qiáng),超臨界CO2的傳熱系數(shù)增大。其中,壓力對(duì)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(duì)超臨界壓力CO2在水平管中的不對(duì)稱流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,結(jié)果表明不對(duì)稱傳熱不會(huì)隨浮力的大小而變化。Wang等[68],Zhang等[69]利用計(jì)算方法研究了超臨界CO2在水平管中的流動(dòng)和傳熱特性,發(fā)現(xiàn)浮力對(duì)超臨界CO2湍流流動(dòng)和傳熱性能有顯著影響。Xiang等[70]對(duì)超臨界CO2在冷卻條件下水平管中的對(duì)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(duì)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(dòng)能在圓周截面上的不對(duì)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(duì)流換熱過程,對(duì)比分析三種不同超臨界壓力下CO2的流動(dòng)與換熱特點(diǎn),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(duì)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(cè)超臨界CO2的流動(dòng)換熱過程,分析了超臨界CO2的傳熱機(jī)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(dòng)方向產(chǎn)生自上而下波動(dòng),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(dòng),分析了熱流、壓力、質(zhì)量流量、流動(dòng)方向、浮力和離心力等因素對(duì)超臨界CO2對(duì)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(diǎn)分析了浮力和流動(dòng)加速度對(duì)超臨界CO2流動(dòng)傳熱的作用機(jī)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(dòng),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(dòng)方向等因素對(duì)超臨界CO2對(duì)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(shí)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(dòng)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(duì)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(gè)簡(jiǎn)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(jì)算了非均勻熱流下槽式太陽能吸熱器中超臨界CO2的對(duì)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(qiáng)化超臨界CO2的流動(dòng)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(dòng)過程,結(jié)果表明,吸熱管表面的非均勻熱流分布對(duì)太陽能吸熱器的熱效率存在負(fù)面影響。Wang等[79]對(duì)非均勻熱流分布下的超臨界CO2管狀吸熱板的熱-流-機(jī)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(duì)傳熱性能熱-機(jī)械性能的影響。結(jié)果表明,吸熱板的非均勻熱流會(huì)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(duì)超臨界CO2對(duì)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(dòng),改善了速度矢量與溫度梯度之間的協(xié)同作用。

目前,針對(duì)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(shí)驗(yàn)和數(shù)值數(shù)據(jù)較少,不足以指導(dǎo)工程實(shí)際應(yīng)用,還需展開更加深入的研究。

4 結(jié) 論

本文對(duì)超臨界CO2在水平管、豎直管以及螺旋管中流動(dòng)與傳熱的實(shí)驗(yàn)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(dòng)換熱研究文獻(xiàn)。有關(guān)超臨界CO2在管內(nèi)的流動(dòng)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(dòng)換熱研究局限于簡(jiǎn)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(shí)際非均勻熱流邊界條件下超臨界CO2流動(dòng)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(qiáng)化超臨界CO2流動(dòng)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(dòng)中呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì);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(dòng),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(huì)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。