【现货速发】全周/半周加热光管/内螺纹管中超临界流体的换热研究
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作者李舟航
出版社清华大学出版社
ISBN9787302467335
出版时间2018-07
装帧平装
开本16开
定价79元
货号25325975
上书时间2025-01-08
商品详情
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前言
导师序言超临界流体流动和传热是以热力学、传热学、流体力学为基础，以超临界压力流体的流动过程与传热为对象的一门科学。20世纪50年代起，锅炉大容量化和超临界化的需求催生了对超临界流体流动和传热过程的研究。到目前为止，对超临界流体流动和传热过程的研究主要集中在电站热能动力系统、核反应堆、航空航天、空调与供热、新能源工程等领域。李舟航的博士论文以全周/半周加热光管/内螺纹管中的超临界压力流体为研究对象，对超临界压力流体在光管和内螺纹管中的传热异常现象进行了系统研究，深入分析了浮升力的影响规律以及超临界流体强制对流换热和内螺纹管改善混合对流换热的机理，阐述了强物性变化、湍流强化装置和周向加热条件之间的作用关系，并总结了经验性的传热恶化和对流换热预测方法。李舟航的创新性工作包括：1. 全周加热光管中浮升力是管内上升流动引起局部传热恶化的主要原因，质量流速G和管径d与超临界水发生传热恶化的界限热流密度呈非线性关系，引入工质对单位壁面的冷却能力G/d，提出了适用范围更广、精度更高的全周加热光管内超临界水传热恶化的新判据：q>d0.36G[]d-1.11.21 。2. 发现了内螺纹管肋结构改变对浮升力变化的影响规律：在上升流动中，随着无量纲肋几何因子α[]90°×e[]di×e[]s的增加，浮升力对换热的削弱逐渐消失，对换热的强化作用趋于一致；在下降流动中，α[]90°×e[]di×e[]s增大时，浮升力对换热的强化作用基本不变。3. 揭示了强制对流换热过程中周向加热条件和湍流强化装置（内螺纹）的无关性，提出了定压比热的径向积分效果在超临界流体强制对流换热中的主导作用。4. 流场边界层内对数区初段（y ≈30~100）的湍流强度对超临界流体的整体换热特性至关重要。该区域起到了桥梁的作用，实现了近壁面热流体和主流冷流体之间的动量、能量传递，浮升力正是通过使近壁面流体加速、减小径向湍流切应力进而削弱该区域中的湍流强度来恶化上升流动的换热。浮升力对换热的影响是一种局部（当地）效应，半周加热时由于管壁内热量沿周向的均流作用，浮升力的影响被削弱，传热恶化只有在更高的热流密度下才会出现。内螺纹管也是通过增强对数区初段的湍流强度来改善混合对流换热的，该区域内湍流的强化是通过螺旋内肋引起的近壁面强螺旋流动或横肋管肋后的漩涡和回流来实现的。李舟航的博士论文指出了改善混合对流换热和强化强制对流换热的有效途径，对超临界/超超临界锅炉水冷壁、反应堆等超临界设备中换热器的设计和优化是有指导意义的。相信本文对动力工程及工程热物理、反应堆工程及其他相关专业的研究工作者加深对超临界压力流体传热的理解也是大有裨益的。
〖〗清华大学能源与动力工程系〖〗2017年7月于北京
导语摘要
本书来自作者的博士学位论文，涉及全周/半周加热光管/内螺纹管中超临界流体的对流换热研究，包括浮升力的影响规律、超临界流体强制对流换热机理和内螺纹管改善混合对流换热的机理；此外，还讨论了强物性变化、湍流强化装置和周向加热条件之间的作用关系，提出了传热恶化和对流换热的预测方法。本书适合高校及研究院所工程热物理、能源动力工程等专业的师生阅读参考。
目录目录
第1章引言
1.1课题背景
1.1.1超（超）临界锅炉
1.1.2超临界流体的特点
1.2光管中超临界流体对流换热的研究综述
1.2.1超临界流体对流换热的特点和机理
1.2.2超临界流体对流换热的预测方法
1.2.3半周加热光管中超临界流体的对流换热
1.3内螺纹管中超临界流体对流换热的研究综述
1.3.1全周加热内螺纹管中超临界流体的对流换热
1.3.2半周加热内螺纹管中超临界流体的对流换热
1.4超临界流体对流换热的数值模拟
1.5论文的研究方法和内容
1.5.1研究目标和方法
1.5.2研究内容
第2章不同周向加热条件下光管的传热特性分析
2.1全周加热垂直上升光管中超临界水传热恶化判据的
分析和优化
2.1.1已有判据的比较和分析
2.1.2新判据的提出和验证
2.2周向加热条件对光管传热特性的影响
2.2.1数值和物理模型
2.2.2模型敏感性分析及验证
2.2.3研究工况
2.2.4正常传热和传热强化
2.2.5传热恶化
2.2.6浮升力影响机制分析
2.3本章小结
第3章全周加热条件下内螺纹管的传热特性研究
3.1内螺纹管中超临界CO2对流换热的实验研究方案
3.1.1实验工质的选择
3.1.2实验系统及实验段介绍
3.1.3实验参数的测量
3.1.4实验操作步骤
3.1.5实验参数处理及不确定度分析
3.2内螺纹管中超临界CO2对流换热实验结果及讨论
3.2.1Bo<10-5
3.2.210-5<Bo<10-4
3.2.3Bo>10-4
3.2.4内螺纹管半经验换热关联式
3.3内螺纹管中超临界流体对流换热的数值模拟
3.3.1数值和物理模型
3.3.2超临界CO2
3.3.3超临界水
3.3.4肋结构对换热的影响研究
3.4本章小结
第4章内螺纹管中超临界流体对流换热的机理分析
4.1内螺纹管强制对流换热的机理分析
4.2内螺纹管强化混合对流换热的机理分析
4.3物性变化对内螺纹管换热特性的影响分析
4.4本章小结第5章结论
5.1本文主要结论
5.2本文主要创新点
5.3未来工作展望
参考文献在读期间发表的学术论文与获得的研究成果
内容摘要
本书来自作者的博士学位论文，涉及全周/半周加热光管/内螺纹管中超临界流体的对流换热研究，包括浮升力的影响规律、超临界流体强制对流换热机理和内螺纹管改善混合对流换热的机理；此外，还讨论了强物性变化、湍流强化装置和周向加热条件之间的作用关系，提出了传热恶化和对流换热的预测方法。
本书适合高校及研究院所工程热物理、能源动力工程等专业的师生阅读参考。
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精彩内容
第1章 引言全周/半周加热光管/内螺纹管中超临界流体的换热研究第1章引言〖1〗1.1课 题 背 景〖*1〗1.1.1超（超）临界锅炉图1.1亚临界锅炉与超临界锅炉水冷壁内工质流动方式对比提高蒸汽循环发电效率的有效途径之一是提高火力发电厂的蒸汽参数。通过提高锅炉的主蒸汽参数（压力、温度），可以改善朗肯循环的效率，从而提高能源利用效率。这一点已经为大量的研究结果和运行经验所验证。对于我国来说，由于煤在一次能源结构中占主导、燃煤发电在总发电量中占主体，因此大容量的超临界/超超临界燃煤机组是提高发电效率、降低污染排放的重要发展方向。自20世纪90年代，我国引进不同容量的超临界机组及其设计制造技术\[1\]，到2014年底，我国已有260余台600MW级超临界机组、40余台660MW超超临界机组、50余台1000MW超超临界机组已建成或在建。作为超临界火力发电的核心设备之一，超临界锅炉的关键技术之一是水冷壁的设计。如图1.1所示，与亚临界自然循环锅炉不同，超临界锅炉水冷壁中驱动工质向上运动的不再是管进出口的工质密度差，而是入口处的给水泵头。为了确保水冷壁得到充分冷却，通常水冷壁管内工质采用较高的质量流速，这在一定程度上导致水动力丧失了亚临界的自然补偿特性，受热负荷的分布不均会导致管屏内工质逆向分布不均，进一步恶化壁温偏差现象。为了维持在宽负荷范围内高效发电，超临界机组需要能够变压运行。经过长期的探索和实践检验，超临界锅炉中水冷壁不得不采用一次上升管，通常有垂直布置和螺旋布置两种形式。螺旋管圈的优点是水冷壁沿周向旋转上升，依次经过受热强度高和受热较弱的区域，有效地减少了单根管总吸热量的偏差。螺旋管圈的其他优点包括水动力稳定性好、可选用较大管径以减小管径偏差对并联管组水动力特性的影响。但由于水冷壁管螺旋上升，因此流动阻力大，水冷壁吊挂系统结构复杂，对设计和安装的要求都比较高\[2\]，制造和安装工程难度和工程量大。受吊挂系统结构复杂化的限制，螺旋管圈水冷壁锅炉的容量是有限制的，1000MW被认为是容量的上限\[3\]。此外，对于某些炉型，如W火焰锅炉，采用螺旋管圈会使上下炉膛交接处、炉拱、翼墙等区域的结构实现非常困难，故不宜采用。与螺旋管圈相比，垂直管圈的优势在于本身结构和吊挂系统都比较简单，便于安装和维修；质量流速低，流动阻力小；灰渣较易脱落，水冷壁积灰结渣量少。垂直管圈的主要缺点就是并联管间的热偏差太大，出口工质温度偏差大，比较严重时会引起局部管壁超温甚至鳍片撕裂、爆管等现象。目前垂直管圈中常用的解决热偏差的方法有： 水冷壁管入口处设置节流管圈，通过增加局部阻力来调节并联管内的工质流量分布，使管内流量与吸热量对应； 上炉膛设置中部混合集箱，对工质进行混合以减小温差，同时又有压力平衡的作用； 低质量流速技术。图1.2低质量流速垂直管圈的工作原理以上三种方法中，前两种属于热偏差出现后的一种被动的调整，尤其是水冷壁管入口处设置节流管圈的方法，对于节流管圈的设计、加工精度和安装精度要求极高，需要丰富的实践经验。而低质量流速技术由于具有正流量响应特性，因此是对热偏差的一种主动的调整。低质量流速技术是由西门子公司提出的，其工作原理如图1.2所示。该技术中水冷壁垂直管屏使用Benson优化内螺纹管，将管屏中的质量流速控制在界限质量流速G0（1000kg/(m2·s)左右\[4\]）以下，此时Benson管中重位压降在总压降中占主导作用，垂直管屏中受热较高的管中重位压降较低，质量流速增加，出现了类似亚临界自然循环的正流量响应特性，充分利用了水动力的自补偿特性。该技术由于成本低、流阻小、结构和启动简单，自2000年首次生产运用后已经得到了快速的发展\[4\]。但低质量流速技术也有一定的局限性，即界限质量流速G0会随热流密度的增加而降低。管屏受热不均后，并联管内G0不同，出现不同的流量响应特性，壁温偏差依然存在。因此，低质量流速技术能改善，但不能完全消除壁温偏差现象。目前来说，已运行的超临界垂直管圈锅炉普遍对热偏差很敏感，管屏壁温偏差一般可达50~80℃。随着机组的大容量化，炉内宽度、深度方向的热偏差会进一步增加。特别地，对于一些特殊的炉型，如超临界W火焰煤粉炉，由于炉膛宽深比很大，热负荷偏差、流量偏差引起的温度偏差会更明显，壁温偏差高于100℃，已运行的许多超临界W煤粉炉在运行过程中都出现了水冷壁鳍片撕裂的问题\[5\]。对于循环流化床锅炉，由于炉内的气固两相流导致非垂直受热面存在潜在的磨损风险，故而水冷壁必须采用垂直布置，而一次上升这一要求导致水冷壁管内工质的质量流速难以达到较高的水平。因此，开展超临界流体在垂直光管、内螺纹管中流动和对流换热的研究对于超临界燃煤机组水冷壁的设计具有重要的意义。1.1.2超临界流体的特点严格来说，只有压力和温度都在临界值之上的流体才能称作超临界流体；压力高于临界压力（pcr）而温度低于临界温度（Tcr）的流体称作超临界压缩液体；压力高于临界压力而温度高于临界温度的流体称作超临界过热蒸汽。通常所说的超临界流体包含了超临界压缩液体（拟液态）和超临界流体（拟气态）。随着温度的升高超临界流体的物性发生连续的变化，并不存在亚临界下的两相共存区。图1.3p/pcr=1.05时H2O和CO2\[6\]物性随温度的变化(a) 定压比热； (b) 密度； (c) 导热系数； (d) 动力黏度超临界流体物性的变化虽然是连续的，但对于温度十分敏感，某些物性还呈现出一定的非单调性，例如定压比热cp、导热系数λ。图1.3给出了无量纲压力p/pcr为1.05时水和二氧化碳的物性随温度的变化情况，图中纵坐标是使用临界物性值无量纲化后的值。随着温度的升高，水（pcr=22.064MPa，Tcr=647.1K）和CO2（pcr=7.38MPa，Tcr=304.13K）的cp都先缓慢增大然后急剧升高，随后急剧减小，后缓慢降低。这个定压比热值的点被称作拟临界点或准临界点，该点的温度称为拟（准）临界温度（Tpc）。cp较大的区域也常被称作大比热区，对于水，大比热区定义为cp>8kJ/(kg·K)。流体的密度、导热系数、动力黏度等也呈现出远离Tpc时的缓慢变化和靠近Tpc时的剧烈变化。超临界流体物性的这种特殊性质使得其换热特性与亚临界流体相去甚远，尤其是流体温度接近Tpc时。1.2光管中超临界流体对流换热的研究综述〖*1〗1.2.1超临界流体对流换热的特点和机理对超临界流体对流换热的研究始于20世纪50年代，迄今为止，大部分研究是在全周均匀加热垂直光管中展开的，使用的工质主要是水和二氧化碳。Pioro和Duffey\[7\]对2007年以前开展的实验研究进行了全面的总结，以全周受热垂直上升光管中超临界水的对流换热为例，已研究的管径范围涵盖了实验室量级（1mm）和工业装置量级（38mm），质量流速、热流密度、压力等的研究范围也比较充分。目前对超临界流体对流换热的认识和基本理论就是在大量全周加热垂直光管实验数据的基础上整理、分析得到的，本章后续部分中如未指明则都是对全周加热垂直光管中超临界流体对流换热的讨论。图1.4超临界流体（水）的传热强化\[8\]超临界流体物性的特殊变化规律使得其换热也表现出对应的异常现象。在远离拟临界点的区域，物性变化比较平缓，换热系数与亚临界单相流体相比相差不大，可以用类似DittusBoelter形式的关联式进行较好地估算，此时的传热称作正常传热\[7\]；在靠近拟临界点的区域，当热流密度和质量流速的比值q/G较小时，超临界流体的换热能力相当可观，换热系数的量级与亚临界核态沸腾相当。典型的结果如图1.4所示\[8\]，工质的对流换热系数HTC随着温度的增加而升高，在拟临界点附近达到值。此时超临界流体的HTC远远高于使用常物性对流换热经验关联式计算得到的预测值，因此这种现象被称作传热强化\[7\]；而当q/G较大时，超临界流体的对流换热会出现局部壁温的飞升和换热系数的剧烈降低。这种现象被称作超临界流体的传热恶化\[7\]，通常发生在壁温高于Tpc而主流工质温度低于Tpc的位置。大量的实验研究表明，压力、温度等因素对传热强化和恶化的影响都是通过物性的变化来实现的。压力越靠近临界压力、温度越靠近拟临界温度，超临界流体的物性变化越剧烈，传热强化越明显\[810\]，传热恶化也越容易发生\[1014\]。图1.5垂直上升、下降流动中超临界CO2换热的比较\[16\]超临界流体对流换热发生恶化时，壁温局部飞升的形式与亚临界两相流发生偏离核态沸腾（DNB）很相似，于是有学者\[11,15\]提出超临界传热恶化是由类似于亚临界膜态沸腾的拟膜态沸腾引起的。随后，对垂直下降和水平光管中超临界流体对流换热的研究大大增加了对超临界传热恶化的理解。Fewster\[15\]比较了垂直上升流动和垂直下降流动中超临界CO2换热特性的差别，其实验结果如图1.5所示，上升流动中，当加热热流密度q足够大后，壁温分布出现一个峰值，峰值的大小和位置分别随着q的增加而增大和前移。而相同操作条件下，下降流动中传热正常，没有出现类似的壁温异常升高现象。其他学者在类似的研究中也发现了同样的现象\[1719\]。在水平光管中，当q/G较大时管壁底部的温度始终低于管壁顶部，且温差随着q的增加而增大\[2022\]。在亚临界两相流动中，膜态沸腾是否发生与工质流动方向无关，垂直上升、垂直下降光管中都会发生DNB引起的壁温飞升\[23\]。因此，拟膜态沸腾只是对超临界对流传热恶化现象的表观描述，不能解释其本质，与流向相关的传热恶化的出现是由于受到了浮升力（重力）引起的自然对流的影响。此类传热恶化通常被称作超临界类传热恶化或混合对流恶化\[24\]。图1.6超临界流体物性变化对换热的影响(a) 径向物性变化很微弱时的正常传热； (b) 超临界传热强化（高质量流速、低热流密度）； (c) 超临界传热弱化（高质量流速、相对高的热流密度）； (d) 浮升力引起的超临界传热恶化（低质量流速、相对高的热流密度）； (e) 浮升力引起的超临界传热改善（低质量流速、相对高的热流密度）； (f) 热加速效应引起的超临界传热恶化（高质量流速、高热流密度）图1.6较为直观地表示出了物性的剧烈变化对超临界对流换热的影响。对于亚临界单相流体，物性沿径向的变化很微弱，根据经典的对流换热理论，径向温度分布呈抛物线，剪应力τ呈线性分布，中心对称轴处τ=0（图1.6(a)）。对于超临界流体，当质量流速高、热流较低时，如图1.6(b)所示，大比热区的存在使得输入热量较小时，径向的温度梯度小于常物性情况。此时，近壁面边界层内的工质比热很高，其沿径向的累积作用相当于亚临界下的汽化潜热，换热显著增强。当热流增加后，径向温度梯度增大，进而导致位于大比热区的工质份额减少，与低热流时相比换热被削弱（图1.6(c)）。当热流密度进一步增加后，垂直上升光管中混合对流恶化发生。Jackson和Hall提出的“湍流层流化”\[25\]和双密度层模型\[19, 26\]对此进行了较好的解释。根据该假设和模型，边界层内工质的密度急剧降低，远低于主流区内工质的平均密度，因此边界层内形成了很强的浮升力，浮升力方向与流向一致，近壁面工质速度剧烈升高，但湍流控制区内轴向速度沿径向的分布趋平，径向速度梯度减小、剪应力梯度降低，进而湍流强度降低，湍动换热减弱，混合对流恶化发生（图1.6(d)）。当边界层的厚度增大到与主流工质交界面处的τ=0时，传热恶化严重，对应于图1.5中的壁温峰值点。边界层厚度继续增加，如图1.6(e)所示，浮升力足够大使得边界层内流体的轴向速度高于主流工质速度，主流区内剪应力方向向下，径向的湍动强度恢复，进而传热开始恢复正常，表现为壁温逐渐降低。当浮升力的作用很大时（例如质量流速很低、管径很大的条件下），图1.6(d)中的传热恶化并不会发生\[27\]，此时会出现正常的传热（图1.6(e)）或传热强化。对于垂直下降流动，浮升力方向与流向相反，浮升力的存在使得径向速度梯度增加、剪应力增大，湍流能量扩散增强，混合对流恶化不会发生。在质量流速和热流密度都比较高、管径比较小的情况下，超临界流体还会发生另外一种传热恶化现象，垂直上升、下降管中都会发生壁温的剧烈升高\[28, 29\]，恶化的程度、范围一般大于混合对流恶化。此种情况下当主流工质的温度接近Tpc后，密度剧烈地降低，流速明显增加，加速压降增加，促使边界层内剪应力梯度降低以弥补加速压降的增加，如图1.6(f)所示，进而弱化了径向的湍动能量传递，引起传热恶化。这种传热恶化主要是由流体热加速效应引起的，被称作第二类传热恶化或强制对流恶化\[24\]。值得注意的是，强制对流恶化是由于物性沿轴向的剧烈变化引起的，通常在管径较小、质量流速和热流密度都相对较高时发生；而混合对流恶化则是由于物性沿径向的剧烈变化引起的，通常在管径较大、质量流速相对较低、热流密度相对较高时发生。1.2.2超临界流体对流换热的预测方法由于难以获得理论分析解，已有的对流换热预测方法大多是基于全周加热光管实验数据得到的经验性方法，其中绝大多数是在1960—1990年间提出的。大部分经验关联式都是在DittusBoelter关联式的基础上，使用不同的定性温度（内壁温度、主流工质温度、膜温度等）、引入不同的物性参数（定压比热、密度、黏度等）以考虑物性剧烈变化对换热的影响。一些关联式还考虑了入口热效应\[9\]、浮升力效应\[30\]或热加速效应\[31\]。Pioro和Duffey\[7\]详尽地罗列了2006年以前提出的经验关联式及其适用范围，此处不再赘述。2006年以后，一些学者们认为以前的关联式在拟合过程中使用的物性值不够准确，尤其是在拟临界点附近，因此关联式本身可能会有一些误差；此外，由于测量技术的提高，新的实验数据可能更为可靠。于是，基于新的实验数据或是对以前的数据进行重新整理后，一些新的换热关联式\[3137\]又陆续被提出。已有的预测方法大致可分为三类。类是基于一定范围内的实验数据拟合得到的纯经验性关联式，其中一些关联式使用的是正常传热和传热强化时的数据，如Swenson关联式\[8\]、Bishop关联式\[9\]；另一些关联式使用的数据还包含了传热恶化时的数据，如Yamagata关联式\[10\]、Mokry关联式\[33\]。此类关联式在拟合时所用的数据不同，因此有必要对它们的精度和外推适用性进行比较。Hall等\[38\]对1966年以前的关联式（都是基于内径小于11mm的实验数据得到）进行了比较，结果发现关联式的预测值与测量值都有较大的偏差，尤其是在拟临界区域。苏联学者在1970—1990年期间对换热关联式进行了大量的比较\[39\]，得出的结论与Hall等人类似。Pioro等\[40\]的比较发现，使用了平均定压比热的关联式（例如Jackson关联式\[41\]）比使用定压比热的关联式预测性好。Jger等人\[42\]使用了来自6个数据库的实验点对15个关联式进行了比较后，认为Bishop关联式\[9\]的总预测性能好。Zahlan等\[43\]使用取自28个数据库的6663个数据点对13个关联式进行了预测，发现Mokry关联式\[33\]的预测性好。第二类经验性关联方法是变物性强制对流换热关联式，其代表人物是Jackson和Hall\[26\]。他们认为物性剧烈变化引起的浮升力使管内的强制对流转变成混合对
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