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超临界CO2循环系统换热器研发取得进展
发稿时间:2018-02-01         作者:郭江峰          来源:传热传质研究中心     【字号:

  超临界CO2布雷顿循环系统具有效率高、紧凑性好、成本低等优势,在新一代核能、太阳能等领域具有极为广阔的应用前景。超临界CO2循环模式包括取热器、高温回热器、低温回热器、冷却器等换热器。换热器是超临界CO2循环系统中数量最多、体积最大的设备,其成本约占整体系统成本的50%以上。此外,换热器对于系统安全、稳定运行,系统整体效率的提高具有重要作用,是该系统最为关键的设备之一。 

  传热传质研究中心超强换热团队近年来一直从事高效紧凑式换热器的研发工作,超临界CO2换热器基础研究方面已获得国家重点研发计划、国家自然科学基金等多个项目的支持。在超临界压力CO2传热流动特性研究、换热器设计方法与优化理论等方面开展了卓有成效的工作。针对CO2在临界点或拟临界点附近物性参数剧烈变化导致的特殊传热流动现象,深入系统地开展了超临界CO2传热流动特性研究,揭示了传热流动过程中的一些新现象和新规律,基于传热强化新理论阐述了传热强化、恶化抑制的发展机制及新方法,为换热器的设计和优化奠定了重要理论基础。 

  针对超临界CO2在近临界点或拟临界点区域物性变化较大,传统换热器设计方法不再适用的缺陷,开发了新型换热器设计方法,有效克服了物性变化较大对设计的影响;并从矩阵分析角度阐述了工质物性剧烈变化条件下换热器参数“分布耦合、协同优化”的新思想,为开发高效低流阻的新型超临界CO2换热器提供了理论依据。基于超临界CO2传热流动特性以及印刷电路板换热器加工特点,开发了多种具有自主知识产权的新形换热板型及换热器结构形式。目前,团队在超临界CO2换热器研发方面已发表多篇高水平的SCI期刊论文,申报了多项国家发明专利。 

  在换热器加工和制造方面,已经完成1台回热器、1台冷却器实验样机的制作,初步测试结果显示换热效率高达97%;完成了多种金属材质、多种新型通道结构换热器板片的加工试制和焊接工艺的摸索。目前,团队已获得国有大型换热装备公司在资金以及加工制造方面的支持,为新型PCHE换热器加工制作和市场推广奠定了基础。 

  在超临界CO2换热器综合试验平台建设方面,已完成实验和施工方案论证,预计2018年上半年完成综合试验平台建设。该实验平台设计压力高达33MPa、设计温度高达660℃,完全满足超临界CO2回热器、冷却器全工况测试需求,建成后将成为国内率先满足全温全压条件下大功率超临界CO2系统回热器、冷却器测试需求的综合试验平台。通过该实验平台,可开展超临界CO2传热流动特性研究、换热器设计方法及结构方案验证、新型换热结构的测试等系列理论和技术方面的研发需求,为MW级超临界CO2循环系统的建设奠定坚实基础。 

  基于超临界CO2换热器方面的研发工作,结合超临界CO2涡轮和压缩机方向的科研成果,研究所致力于在国内率先建成完全自主研发的超临界CO2布雷顿循环系统,促进能源动力事业发展。 

 

  1 超临界压力CO2物性变化(郭江峰,淮秀兰等 Int. J. Heat Mass Transfer, 2018 

 

  2 超临界CO2沿流传方向的速度场分布(相梦如,郭江峰等 J. Supercritical Fluids, 2017 

 

  3 超临界CO2换热器分段设计模型(郭江峰等 Applied Energy,2016 

 

  4 超临界CO2回热器实验样机测试 

 
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