超临界二氧化碳空冷换热器的传热特性与强化方法研究

Supercritical Carbon Dioxide (sCO2) operating in closed Brayton power cycles offers the potential of higher cycle efficiency versus conventional working mediums. Research on sCO2 power cycles have been fuelled in recent years. According to the previous research, buoyancy effect considerably affects the heat transfer performance of the sCO2 and changes the temperature distribution in the tube, especially when the temperature and pressure of the working fluid is near critical point. This special effect makes the heat transfer characteristics of the sCO2 air-cooled heat exchanger different from the conventional air-cooled heat exchanger. To address this issue, this research is going to investigate the effect of the buoyance effects on the air side heat transfer characteristics of sCO2 air cooled heat exchanger, using experimental research, CFD modeling and theoretical analysis. The air side heat transfer coefficient of the sCO2 air cooled heat exchanger will be corrected and the air side fin geometry will be optimized. This research could lay an important foundation for the design of the high efficiency SCO2 air-cooled heat exchanger and promotes the development of the SCO2 cycle in China.

超临界二氧化碳（CO2）动力循环是近年来能源领域的一个研究热点。该循环可以更加高效的实现热能的转换，对于节能减排和新能源产业具有重大意义。研究表明，超临界CO2在临界区附近受到显著的浮升力作用，使其在水平管道或者倾斜管道流动传热时管内温度分布极为不均。这一特性使得基于超临界CO2动力循环设计的空冷换热器空气侧的传热特性与传统空冷换热器的传热特性有较大不同。因此，本研究拟以超临界CO2空冷换热器空气侧传热特性与强化方法为研究对象，通过实验研究、CFD模拟以及理论分析的方法，分析浮升力效应对管内外换热过程的影响，完善空气流过温度非均匀分布的翅片管的传热机理与传热关联式，优化翅片分布，实现空气侧翅片效率最优化。本研究的成功实施将为研发适合超临界CO2的新型高效空冷换热器奠定技术基础，加速我国超临界CO2循环的自主研发，促进能源动力事业的发展，具有重要的理论意义和工程应用价值。

超临界二氧化碳（CO2）动力循环是近年来能源领域的一个研究热点。该循环可以更加高效的实现热能的转换，对于节能减排和新能源产业具有颠覆性的意义。研究表明，超临界CO2在临界区附近受到显著的浮升力作用，使其在空冷换热器中进行流动换热时呈现显著的非均匀冷却特征。因此，本项目以超临界CO2空冷换热器的传热特性与强化传热方法为研究对象，通过实验研究、CFD模拟以及理论分析的方法，分析浮升力效应对管内外换热过程的影响。首先，本项目对空冷换热器空气侧的热流密度分布进行了定量分析，然后基于此进行了超临界CO2的非均匀冷却传热特性研究，分析对比了管径，进出口温度条件以及浮升力作用的影响，完善了空气流过温度非均匀分布的翅片管的传热机理。同时基于超临界CO2的传热特征，对其空冷换热器的翅片进行了优化设计，实现了空气侧翅片效率最优化。除此之外，针对空冷换热器易收到外界扰动的特点，本研究还分析了超临界CO2在非稳态冷却条件下的变化过程机制，对比了一维和三维动态模型对动态冷却过程的影响。最后，本项目还从系统层面对超临界CO2空冷系统的设计进行了多目标优化和热经济性分析，提出了超临界CO2空冷系统的优化设计准则。本项目的研究成果可以为研发适合超临界CO2的新型高效空冷换热器奠定技术基础，可以加速我国超临界CO2循环的自主研发，促进能源动力事业的发展，具有重要的理论意义和工程应用价值。