2018傳熱傳質(zhì)學(xué)年會(huì)集

（航空航天大學(xué)/氣動(dòng)熱力國(guó)防，( ,: 、我國(guó)能源發(fā)展著傳統(tǒng)能源產(chǎn)能過(guò)剩和能源系統(tǒng)運(yùn)行效率偏突出問題，能源、ORC因此相對(duì)容易達(dá)到超臨界狀態(tài)，而超臨界ORC可避開亞臨界循環(huán)中的蒸發(fā)兩相區(qū)，使件下的氣相傳熱過(guò)程，所以中高溫超臨界ORC系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性的提高更為顯著。ORC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響主要體現(xiàn)在有機(jī)工質(zhì)選擇及加熱端傳30年代，動(dòng)機(jī)是為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的冷卻效率[3]。截止目前，面RP-3受到了國(guó)內(nèi)學(xué)者的很大關(guān)注[6]。此外，相關(guān)研究還涉及多種制冷劑[7]ORC系統(tǒng)的適用工質(zhì)的超臨界壓力流Jackson[10]將低流量條件下的傳熱歸結(jié)為浮升力的作用并由此提出雙層理（Two-theory認(rèn)為熱加速效應(yīng)導(dǎo)致了超臨界壓力流體在高熱流和高流量條件下的傳熱而Shen[13]ORC系統(tǒng)具有較高的熱力學(xué)性能，現(xiàn)已成為中高溫可再生權(quán)等）對(duì)當(dāng)?shù)豊u數(shù)計(jì)算結(jié)果的影響，同時(shí)了已有超臨界壓力傳熱經(jīng)驗(yàn)在本研ORC系統(tǒng)的運(yùn)行條件決定了有機(jī)工質(zhì)的篩選結(jié)果在特定條件下應(yīng)用不同工質(zhì)時(shí)ORC系統(tǒng)的性能是一種通用的工質(zhì)選擇方法，其計(jì)算結(jié)果在相似的運(yùn)行工況范圍內(nèi)對(duì)相同的ORC結(jié)構(gòu)有著一定的推廣價(jià)值在本文的研究背景下熱源溫度超過(guò)523K，1列出了熱穩(wěn)定性較高的幾種常用碳?xì)浠衔锖凸栌偷奈镄詤?shù)，523K，且均為干性工質(zhì)。1中高溫有機(jī)朗肯循環(huán)備選工質(zhì)物苯

MM為研究對(duì)象。根據(jù)課題組已有研究成果[15]MMORC系統(tǒng)其熱力學(xué)ORC膨脹機(jī)的設(shè)文研究選擇在略高于硅油MM2.0-2.4MPa（臨界壓比為1.03-1.242所示：2計(jì)算工況2.0,2.2,數(shù)值模擬方Gambit2.4.62維簡(jiǎn)化模型并生成結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格（1。該模型上下兩邊分0.51（b，y+當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過(guò)72000時(shí)，主要參數(shù)（壁溫與徑向溫度分布）的變化小于0.5%，考慮72000。Fluent15.0MM的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)與換熱。湍流模型選用SSTk-ω模型并使用二階迎風(fēng)格式離散湍流方程。壓力速度耦合項(xiàng)采用1.939MPa518.15KNISTREFPROP9.1輸出，并以分段線性的形式輸入Fluent物性數(shù)據(jù)庫(kù)中。計(jì)算工作壓力范圍為（（51815（<613.15K1計(jì)算模型與網(wǎng)通過(guò)計(jì)算超臨界壓力下水的對(duì)流傳熱特性來(lái)驗(yàn)證本文采用的數(shù)值模擬方法的正確22.a60kg2·，熱50W2DD[3D計(jì)算結(jié)與獻(xiàn)的D結(jié)一與驗(yàn)果符結(jié)表本采用2DTwTw

2DCFDcurrentworkExp.dataShen20173DCFDShen2017P=28.5MpaG=690kg/m2sq=250kW/m2數(shù)據(jù)處理方

Tb2計(jì)算結(jié)果驗(yàn)

Nu=

h

nncpiTiiuiT

cpiiuinnTiiuiT

iui3給出了不同計(jì)3還對(duì)比了應(yīng)用于傳熱實(shí)驗(yàn)中的焓差法[16]求得的流體當(dāng)?shù)販囟龋═bHx）與上述兩種P=2.0P=2.0MPaG=800TT

由（1）和（3）可知，導(dǎo)熱系數(shù)和定壓比熱是計(jì)算Nu數(shù)和流體溫度的關(guān)鍵參數(shù)圖4給出了兩種方法得到的熱物性沿管內(nèi)流向的分布其中第法是基于Fluent2.0MPa時(shí)，兩種方法計(jì)算出的導(dǎo)熱2.4MPa時(shí)，兩種方法得出的導(dǎo)熱系數(shù)在P2.0MPaP2.0MPaq140kW/m2P2.0MPaq140kW/m2RefP2.4MPaq180kW/m2CFDP2.4MPaq180kW/m2G=800CpCp

0G=800G=800P2.0MPaq140kW/m2P2.0MPaq140kW/m2RefP2.4MPaq180kW/m2CFDP2.4MPaq180kW/m20000

圖4兩種計(jì)算方法下物性隨流向變化結(jié)果與討Nu數(shù)的計(jì)算結(jié)果略有5P=2.0MPa時(shí)，Nux/d=180之前一致，之后開始出現(xiàn)差異但Nu3.5%。結(jié)果表明在臨界壓力附近時(shí)，由于物性變化較為劇烈，其截面平均數(shù)的計(jì)算對(duì)當(dāng)?shù)豊u數(shù)的計(jì)算影響較大。在遠(yuǎn)離臨界Tm,Tm,Tm,Tb,Tb,P=2.0MPaG=800kg/m2sq=140kW/m2

Tm,Tm,Tm,Tb,Tb,P=2.4MPaG=800kg/m2sq=180kW/m2

5不同方法計(jì)Nu數(shù)沿流向變化Nu數(shù)。在本文所涉及G=800G=800kg/m2sq=140TbP2.0MPaTbP2.2MPaTbP2.4MPaTwTT

6壁溫與流體溫度隨流動(dòng)方向變BishopBishopMokrySwensonP=2.4MPaG=800BishopBishopMokrySwensonP=2.4MPaG=800kg/m2sq=180kW/m2JacksonJacksonMokrySwensonP=2.0MPaG=800kg/m2sq=140kW/m2

圖7Nu數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)對(duì)比圖7給出了P=2.0MPa和2.4MPa時(shí)采用CFD與部分經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果對(duì)比。中，Swenson[17]以壁溫為特征溫度來(lái)計(jì)算熱物性預(yù)測(cè)超臨界壓力硅油MM的管內(nèi)對(duì)流換熱出現(xiàn)強(qiáng)化現(xiàn)象與數(shù)值模擬結(jié)果相違背其他包括Jackson[18]Bishop[19，20]、Morky[21]）均與數(shù)值模擬結(jié)果符合較好，可以預(yù)測(cè)超臨界壓力硅油MM在擬臨界點(diǎn)附近的傳熱。其中，在傳熱區(qū)，Jackson的預(yù)測(cè)相較于CFD結(jié)果偏高，而Mokry的預(yù)測(cè)結(jié)果則整體偏低。84種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式的預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比。其中，JacksonBishop20%CFDNu140時(shí)，其預(yù)測(cè)偏差有所降低。+Jackson+Jackson-+Bishop- CorrelationCorrelationCorrelationCorrelation CFD

CFD（a）Jackson ++Bishop-

++Mokry-

CorrelationCorrelation

CorrelationCorrelation CFDCFD結(jié)

（d）Mokry圖8Nu數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)誤本文通過(guò)商業(yè)計(jì)算軟件ANSYSFluent15.0數(shù)值模擬了六甲基二硅氧烷（MM）在超臨界壓力下的對(duì)流傳熱特性，主要討論了不同的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)當(dāng)?shù)豊u數(shù)計(jì)算結(jié)果的影響及現(xiàn)有超臨界壓力傳熱經(jīng)驗(yàn)在本研究中的適用性。11.0%2.4MPa3.5%。MM超臨界換熱結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相反。 pteS,HuisseuneH,BroekMVD,VanslambrouckB,PaepeMD.ReviewoforganicRankinecycle(ORC)architecturesforwasteheatrecovery.RenewSustEnergRev.2015,47:448-461Ya?l?H,Ko?Y,Ko?A,G?rgülüA,Tandiro?luA.ParametricoptimizationandexergeticysiscomparisonofsubcriticalandsupercriticalorganicRankinecycle(ORC)forbiogasfuelledcombinedheatandpower(CHP)engineexhaustgaswasteheat.Energy,2016,111:923-932RahmanMM,JiD,BeniMS,HeiHC,HeW,ZhaoJ.Supercriticalwaterheattransferfornuclearreactorapplications:Areview.AnnalsofNuclearEnergy,2016,97:53-65YuS,LiH,LeiX,FengY,ZhangY,HeH,etal.Influenceofbuoyancyonheattransfertowaterflowinginhorizontaltubesundersupercriticalpressure.AppliedThermalEngineering,2013,59(1-2):380-388WangKZ,XuXX,LiuC,BaiWJ,DangCB.ExperimentalandnumericalinvestigationonheattransfercharacteristicsofsupercriticalCO2inthecooledhelicallycoiledtube.InternationalJournalofHeat&MassTransfer,2017,108:1645-1655趙國(guó)柱,,.超臨界壓力下RP-3航空煤油吸熱裂解反應(yīng)的數(shù)值研究.航空學(xué)報(bào),2014,35(6):1513-1521ZhaoCR,JiangPX.Experimentalstudyofin-tubecoolingheattransferandpressuredropcharacteristicsofR134aatsupercriticalpressures.ExperimentalThermalandFluidScience,2011,35(7):1293-1303,,,,顧漢洋.超臨界壓力下豎直圓管內(nèi)不同流體的傳熱特性.原子能學(xué)技術(shù)201650(81395-HuangD,WuZ,SundenB,LiW.Abriefreviewonconvectionheattransferoffluidsatsupercriticalpressuresintubesandtherecentprogress.AppliedEnergy,2016,162:494-505JacksonJD,HallWB.Influencesofbuoyancyonheattransfertofluidsflowinginverticaltubesturbulentconditions.1979,2:613-ZhangB,ShanJ,JiangJ. ProgressinNuclearEnergy,2010,52(7):678-JournalofHeatTransfer,1969,91(1):ShenZ,YangD,WangS,WangW,LiY.Experimentalandnumericalysisofheattransfertowateratsupercriticalpressures.InternationalJournalofHeat&MassTransfer,2017,108:1676-1688LaiNA,WendlandM, 36(1):199-211DongB,XuG,LuoX,etal.ysisoftheSupercriticalOrganicRankineCycleandtheRadialTurbineDesignforHighTemperatureApplications.AppliedThermalEngineering,2017,123:1523-1530FuY,HuangH,WenJ,etal.ExperimentalinvestigationonconvectiveheattransferofsupercriticalRP-3ofHeatTransfer,1965,87(4):477JacksonJD.Fluidflowandconvectiveheattransfertofluidsatsupercriticalpressure.NuclearEngineering&Design,2013,264(11):24-40BishopAA,SandbergRO,TongLS.Hightemperaturesupercriticalpressurewaterloop:PartIV.dconvectionheattransfertowateratnear-criticaltemperaturesandsuper-criticalpressures.JointMeetingoftheAmericanInstituteofChemicalEngineersandtheBritishInstitutionofChemicalEngineers,London,BishopAA,SandbergRO,TongKS,dconvectionheattransfertowateratnear-crit