塔式太阳能吸热器中超临界CO2流动换热研究进展

刘 赟， 董 月， 张传智

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

0 引 言

采用超临界CO2循环的太阳能塔式电站在未来的能源发展中可以提供无碳、可再生和可调度的电力能源,满足日益增长的世界能源需求[1]。常规的传热工质在高温、高压的塔式太阳能热发电系统中运行普遍存在设备体积大、运行成本高等缺点。其中,熔融盐在高温下容易分解劣化造成吸热管壁的腐蚀;低温下容易凝固,堵塞管路;温度的频繁波动容易导致热应力疲劳[2]。空气的膨胀系数大,高温时压力大;密度和比热容小,传热能力差导致发电系统的热效率低;发电量较少[3]。水蒸气高温时存在高压问题,高压问题需要增加吸热管壁厚,降低传热效率,增加输送管路成本[4]。然而,超临界CO2与常规传热工质相比,密度比较大,可以使塔式太阳能热发电系统结构紧凑;动力黏度比较小,具有较强的流动特性;并且超临界CO2的扩散系数较大,具有良好的传热特性。使用超临界CO2作为传热流体的太阳能塔式电站可以提高系统效率,弥补常规工作介质的不足[5]。因此,部分学者提出将超临界CO2工质应用于太阳能塔式聚光循环系统。

塔式太阳能吸热器作为太阳能塔式发电站的核心部件之一。根据要求和配置的不同,可以分为三种塔式太阳能吸热器,包括外置式吸热器、空腔式吸热器和容积式吸热器[6]。其中,空腔吸热器具有较高的热转换效率、较大的传热面积、较小的反射辐射和对流热损失,并且能在孔径处承受较高的通量等优点[6,7]。因此,空腔吸热器被广泛地应用于塔式太阳能热发电厂。Benoit等[8]、Delussu等[9]发现超临界CO2具有良好的传热特性和优秀的超临界特性,非常适用于塔式太阳能热发电系统。此外,以超临界CO2为工作流体的塔式太阳能热发电系统具有较高的循环效率,可以有效减少热交换设备的体积,降低太阳能热发电系统的投资成本[5],并且超临界CO2布雷顿循环在太阳能热发电系统中的循环热效率也明显高于蒸汽发电循环效率[10,11]。Zhang等[12]实验研究发现以超临界CO2为传热流体的太阳能吸热器的年平均效率超过60.0%,高于以水为传热流体的太阳能吸热器的年平均效率。White等[13]提出以超临界CO2为传热流体运行的热电循环可能在未来的发电系统中发挥重要作用。过去十年关于超临界CO2流动与传热的研究显著增长,在国际经济支持下技术的快速进步已经证实了超临界CO2的应用潜力。

1 超临界CO2的热物性特点

CO2的临界压力(7.38 MPa)适中,临界温度(31.1 ℃)与室温十分接近,比较容易实现超临界状态[14]。此外,CO2无色无味无毒、价格便宜、来源广泛且安全性能好,是目前研究较多且利用较广的超临界流体之一,图1给出了超临界CO2相位变化图。其中,A点是固液气的三相平衡点,AO、AB和AC分别是气体固体平衡曲线、气体液体平衡曲线和固体液体平衡曲线。B点为气体液体分界的临界点(Pc=7.38 MPa,Tc=31.1 ℃),当CO2的压力和温度超过临界点时,气液两相没有明显的分界线,此时CO2的状态为超临界状态。

图1 超临界CO2相位变化图

图2给出了超临界CO2在8 MPa、10 Mpa和12 MPa下导热系数、比热容、密度和粘度的物性参数变化。由图2(a)可知,超临界CO2的导热系数随着温度的上升而下降。压力为8 MPa时,导热系数在临界点附近会出现陡升,随后大幅度下降,然后随着温度的增加,下降幅度趋于平缓。此外,超临界CO2在10 MPa和12 MPa的导热系数在临界点附近下降幅度较大,温度增加后,下降幅度趋于平缓,因此,超临界CO2的导热系数在临界点附近会出现剧烈变化,之后变化幅度趋于平缓。图2(b)给出了超临界CO2的比热容随温度的变化。在同一压力下,比热容随着温度的增加缓慢增加,在临界点附近陡升至最大值,然后快速下降,之后随着温度的增加,比热容的下降趋势趋于平缓。并且可以看到压力为8 MPa时比热容的最大值远高于10 MPa和12 MPa的最大值,说明压力越接近临界压力(7.38 MPa),最大值越大,并且不同压力下所对应的临界温度不同。当压力分别为8 MPa、10 MPa和12 MPa时,对应的临界温度分别为35 ℃、45 ℃和55 ℃,即超临界CO2的临界温度会随着压力的增大而增大。

图2 超临界CO2热物性

图2(c)和图2(d)分别给出了超临界CO2的密度和粘度随温度的变化。可以看出超临界CO2密度和粘度随温度的变化趋势几乎相同,都是随温度的升高不断下降,在拟临界点附近剧烈下降,之后随着温度的升高,下降幅度趋于平缓。由此可知,超临界CO2的导热系数、比热容、密度和粘度在拟临界点附近会发生剧烈变化,之后随温度的升高,变化趋势均趋于平缓。

2 超临界CO2研究现状

2.1 实验研究

光滑管是吸热器结构中最简单也是应用最广泛的一种管型,掌握超临界CO2在光滑管中的换热特点是研究其他强化传热结构的基础。因此,国内外研究学者对超临界CO2在竖直管和水平管流动与换热过程进行了大量实验研究。

2.1.1 竖直管

1957年,Bringer等[15]通过实验测量了超临界CO2在直径4.57 mm竖直管道中的传热系数,研究结果显示超临界CO2导热系数、粘度、密度和比热均随温度的变化迅速且不均匀。1964年,Wood等[16]测量了超临界CO2在直径22.9 mm竖直管道中的温度和速度曲线以及局部传热系数,结果表明,管壁附近的热导率和湍流核心的比热随温度的变化引起管壁和管轴之间的速度变化。1970年,Bourke等[17]实验研究了超临界CO2在直径22.8 mm竖直管中的湍流传热过程,并对管壁温度进行了测量,确定流动方向对浮力的影响。1971年,Hiroaki等[18]对直径6 mm竖直圆管中的超临界CO2进行强制对流传热实验,仔细研究了临界温度附近传热系数恶化的现象,证明了表面粗糙度对超临界CO2强制对流传热过程存在一定的影响。1974年,Miropolskiy等[19]研究了超临界CO2在等温和非等温条件下强制对流的速度和温度分布,实验表明,在接近临界状态的区域,速度曲线发生了剧烈变化。1986年,Dashevskiy等[20]研究了低雷诺数条件下,超临界CO2在垂直加热的圆形管道中流动传热的实验数据,确定了自然对流对传热的增强作用。1993年,Kurganov等[21]对比分析了直径22.7 mm的竖直管中超临界CO2向上和向下流动时速度场和温度场的实验数据,研究发现,超临界CO2在向上流动过程中的传热恶化是由于速度场和剪切应力引起的。2002年,Liao等[22]试验研究了加热的水平和竖直微型管中超临界CO2的对流传热过程,实验发现,在水平和竖直流动方向上,超临界CO2的浮力效应都很显著。2006年,张宇等[23]对超临界CO2在竖直加热圆管内的对流换热进行了实验研究,比较了流向、热流密度等参数对超临界CO2流动换热的影响。研究发现向下流动的换热要强于向上流动,这表明流动方向对换热有很大影响。2010年,Li等[24]实验研究了超临界CO2在内径为2 mm的垂直圆管中的对流传热特性,分析了热通量、热物理特性、浮力和热加速度对超临界CO2对流传热的影响。实验结果表明,在高入口雷诺数和高热通量的情况下,向上流动的传热有明显的局部恶化和恢复,而向下流动则没有。2015年,Zalhan等[25]在亚临界、近临界和超临界的高压力下,CO2在内径为8 mm和22 mm的直接加热管中垂直向上流动过程进行了热水力学测试。实验数据适用于评估其他传热预测方法,与其他研究人员报告的相应结果一致。2019年,Zhang等[26]实验研究超临界CO2在加热竖直管中不同质量流量范围内的异常传热特性。实验结果表明,低质量流量(G=80-120 kg·m-2s-1)没有观察到传热恶化,而明显的传热恶化是在中等(G=120-180 kg·m-2s-1)和高(G>180 kg·m-2s-1)质量流量下发现的。2020年,Zhang等[27]通过实验和数值模拟比较研究了超临界CO2在内径为4 mm的竖直管、水平管和垂直螺旋管中的传热和流动特性。实验结果证明,传热恶化需要充分考虑到浮力和流动方向的相互作用,并且垂直管中的传热恶化比水平管中更严重。2022年,Zhang等[28]研究关注超临界CO2在垂直向下流动中的传热恶化问题,在实验中首次观察到超临界CO2在垂直向下流动的混合对流中壁温突然升高的现象,研究发现向下流动中发生的传热恶化主要是由于边界层中的热加速效应引起的。

本文分类列出了近些年超临界CO2在竖直管中流动换热实验研究的主要文献(见表1)以及超临界CO2流动与传热的实验关联式(见表2)。

表2 超临界CO2流动与传热的实验关联式

2.1.2 水平管

1968年,Melik-Pashaev等[47]描述了高压工作的实验程序,讨论了超临界CO2在水平管内的湍流传热过程。1969年,Schnurr[48]测量了超临界CO2在水平圆管中的局部传热系数,研究发现圆管中的传热机制主要是湍流强迫对流。1976年,Adebiyi等[49]介绍了超临界和亚临界压力CO2在均匀加热水平圆管内的流动传热实验研究结果,实验工作涵盖了2×104～2×105的入口雷诺数范围,观察到管内明显的温度变化,证明了浮力对实验结果存在影响。1981年,Ankudinov等[50]实验研究了超临界CO2在水平管和含有螺旋线插入物的加热管中的传热恶化现象,研究表明使用大螺距的螺旋线插入物能有效强化传热。1996年,Walisch等[51]对超临界CO2在水平、垂直和倾斜管的中的流动传热进行了测量,研究了临界点附近的物理特性变化以及流动方向的影响。研究结果表明,与无浮力湍流条件相比,超临界CO2在浮力作用下的传热明显增强。2006年,Son等[52]实验研究了冷却条件下超临界CO2在水平管内的传热系数和压降,实验数据表明,超临界CO2的压降与Blasius的预测结果有较好的一致性,并且超临界CO2的局部传热系数与Bruader-Smith的相关性吻合较好。此外,在实验数据的基础上,提出了一种预测超临界CO2传热系数的新方法。2011年,Oh等[53]通过实验对超临界CO2在水平管沸腾过程中的传热系数和压降进行了分析,研究结果显示:热通量和饱和温度对超临界CO2的传热影响较大,超临界CO2的沸腾传热系数随着水平管直径的减小而增大。2016年,Tanimizu等[54]通过实验研究了超临界CO2在水平圆管中的传热特性,结果表明,超临界CO2在水平管中的流动存在较强的浮力效应。2019年,Jajja等[55]实验研究了超临界CO2在非均匀热流边界条件下的水平管中的湍流传热性能,并且利用实验试验段的二维和三维传热模型计算了给定实验条件下的平均传热系数。2020年,Wang[56]研究了在水平圆管中均匀加热的超临界CO2的压降特性,结果表明,通道压降随质量流量和入口流体温度的增加而增大,而随出口压力和管径的增加而减小。其中,摩擦压降是总压降的最主要因素。2021年,Lei等[57]研究通过分析不同质量流量、壁面热流和工作压力下超临界CO2在水平、垂直向下和垂直向上圆管中的传热系数和浮力效应,研究结果表明降低质量流量可以增强浮力效应,强化超临界CO2的传热。

总之,有关超临界CO2在管内的实验研究主要集中在定热流密度或者定壁面温度条件,关注超临界CO2跨临界区域的物性变化,缺少对实际非均匀热流边界下超临界CO2在管内的流动与传热的实验研究。然而,传统工质熔融盐在高温下容易分解劣化造成吸热管壁的腐蚀;水蒸气在高压下存在传热效率低,管路输送成本高等问题。超临界CO2与传统传热工质相比具有较高的循环效率,可以有效减少换热设备的体积,降低太阳能热发电系统的投资成本。因此,研究超临界CO2在实际非均匀热流边界下的流动与传热性能具有重大的应用价值。

2.2 数值研究

目前的关于超临界CO2研究主要集中于实验研究和数值模拟两个方面,两种方法各有优劣。实验更贴近工程实际工况,得到的数据更有说服力。但是实验不能对超临界CO2流动过程中的传热机理做出详细分析,不能清楚观测到超临界CO2在光滑管中的流动与传热细节。因此,需要通过数值研究模拟分析出超临界CO2在光管内部细微的机理性变化,对实验不能反映的现象进行分析说明。目前,国内外研究学者对超临界CO2在竖直管、水平管和其他管型中的流动与传热进行数值模拟分析。超临界CO2计算模型可以使用REFPROP软件与商业软件ANSYS-FLUENT求解器之间形成动态链接,从而提高超临界CO2物性计算精度。

2.2.1 竖直管

部分学者对超临界CO2在竖直管中的流动与传热性能进行研究,并且对超临界CO2在向上流动和向下流动中的传热性能进行比较。张宇等[58]数值模拟了内径2 mm的圆管中的超临界CO2在低雷诺数下的对流换热过程,与实验结果对比发现在入口雷诺数较低和热流密度较高的条件下,密度变化产生的浮升力使超临界CO2流动从层流提前转变为湍流,增强了超临界CO2换热并引起圆管壁面温度的异常分布。Liu等[59]为了确定影响传热恶化的关键因素,对超临界CO2在不同条件下的流动进行了比较分析,发现浮力是引起传热恶化的主要原因。Zheng等[60]数值和实验研究了超临界CO2从层流向湍流转变的过程,对非加热情况以及加热情况下的超临界CO2在强迫流动(无浮力)、向上流动和向下流动中的传热性能进行比较,发现向下流动的压力梯度和向上流动中离心力的增强作用导致了超临界CO2从层流向湍流转变过程中的不稳定性。Guo等[61]对冷热条件下超临界CO2的热工水力特性进行了数值研究。在冷却条件下,超临界CO2传热系数的峰值出现在临界点附近,浮力效应增强了向上流动的局部传热,而恶化了向下流动的局部传热;在加热条件下,超临界CO2的浮力效应改善了向下流动的局部传热,同时恶化了向上流动的局部传热。Fan等[62]综述了超临界CO2的传热机理和传热相关性,利用数值方法研究了超临界CO2在周向非均匀加热过程中的传热特性,并讨论了其基本机理。研究发现,超临界CO2的异常传热是由于热物理性质变化的综合效应引起的。其中,低质量流量下的传热恶化主要是由浮力效应引起的,而高质量流量下的传热恶化主要是由局部粘性底层增厚引起的。Xie等[63]对超临界CO2在垂直管中的传热恶化进行了系统和全面的分析,比较和分析了质量流量、热通量、管径、工作压力、入口温度等边界条件的影响。

2.2.2 水平管

部分学者对于超临界CO2在水平管内的对流换热进行了数值研究,研究了质量流量、压力、截面形状和浮力等因素对超临界CO2性能的影响。相梦如等[64]对超临界CO2在水平管内的对流换热进行了数值研究,分析了流体物性、热流密度和直径对超临界CO2流动换热特性的影响。结果表明,浮力效应导致超临界CO2在流动截面上出现温度场不对称和二次流现象,并且增大热流密度和直径能够増强浮力效应对超临界CO2换热特性的影响。刘生辉等[65]基于实验数据对水平管内超临界CO2强迫对流传热的浮升力效应进行了数值研究。研究发现,在低质量流量和高热流密度工况下,超临界CO2的浮升力作用明显并导致管道内流体径向和轴向速度重新分布。基于实验工况的数值模拟结果表明:降低壁面热流密度、增大质量流量以及提高入口温度可以不同程度地缓解浮升力效应引起的传热恶化。Wang等[66]对超临界CO2在直径15.75 mm、20 mm和24.36 mm水平管中的湍流传热过程进行了数值模拟,模拟结果与实验测量结果具有一致性。随着质量流量的增加,湍流扩散效应增强,超临界CO2的传热系数增大。其中,压力对传热系数的分布有显著影响,传热系数的峰值随压力的升高而急剧下降。Zhao等[67]对超临界压力CO2在水平管中的不对称流动传热特性进行了数值计算,结果表明不对称传热不会随浮力的大小而变化。Wang等[68],Zhang等[69]利用计算方法研究了超临界CO2在水平管中的流动和传热特性,发现浮力对超临界CO2湍流流动和传热性能有显著影响。Xiang等[70]对超临界CO2在冷却条件下水平管中的对流传热进行了数值研究,讨论了热流、管径和浮力等因素对传热特性的影响,发现浮力效应导致径向速度和湍流动能在圆周截面上的不对称分布。

2.2.3 螺旋管

Zhang等[71]研究了恒定热流条件下超临界CO2在垂直螺旋管中的混合对流换热过程,对比分析三种不同超临界压力下CO2的流动与换热特点,并且通过浮力、离心力和物理性质变化的耦合效应,确定了超临界CO2在沿螺旋管圆周边缘的温度和传热系数分布。Wang等[72]对超临界CO2在螺旋管中的传热性能进行了数值模拟,利用湍流模型预测超临界CO2的流动换热过程,分析了超临界CO2的传热机理。Yang等[73]采用RNGk-ε湍流模型数值模拟了超临界CO2在水平螺旋管中的冷却传热过程。研究发现,传热系数沿流动方向产生自上而下波动,并且进一步分析了螺旋管的螺距、螺旋盘管管径和螺旋盘管半径等因素影响。Liu等[74]研究了超临界CO2在加热螺旋管中充分发展的湍流流动,分析了热流、压力、质量流量、流动方向、浮力和离心力等因素对超临界CO2对流传热特性的影响。结果表明,随着螺旋管倾斜角越小,超临界CO2周向传热系数分布越不均匀。Zhang等[75]数值模拟研究了超临界CO2在加热的垂直螺旋管中的湍流传热特性,重点分析了浮力和流动加速度对超临界CO2流动传热的作用机理。结果表明,浮力和离心力的作用是相似的,均能在圆周截面上产生二次流动,提高螺旋管内超临界CO2传热效率。

总之,有关超临界CO2在管内的数值研究主要集中在研究热流密度、质量流量、压力、流动方向等因素对超临界CO2对流传热特性的影响。但是,这些研究绝大多数都是在均匀热流条件下开展的,这与塔式太阳能吸热器表面非均匀热流条件的实际情况不符。因此,还需深度研究超临界CO2在塔式太阳能吸热器非均匀热流密度条件下传热性能。

3 非均匀热流边界下超临界CO2的流动与换热研究

在塔式太阳能热发电系统中,吸热器是吸收外界热量的重要部件,对塔式太阳能热发电系统的工作效率有着至关重要的影响。Aguilar等[76]提出了一个简化的超临界CO2槽式太阳能吸热器的传热模型,发现利用超临界CO2替代传统的传热流体可以有效提高太阳能热发电的效率。Qiu等[77]计算了非均匀热流下槽式太阳能吸热器中超临界CO2的对流传热特性,结果表明,由于浮力的作用在吸热管截面上产生的二次循环能够有效强化超临界CO2的流动传热性能。Samad等[78]数值研究了槽式太阳能吸热器中超临界CO2的传热和流动过程,结果表明,吸热管表面的非均匀热流分布对太阳能吸热器的热效率存在负面影响。Wang等[79]对非均匀热流分布下的超临界CO2管状吸热板的热-流-机械特性进行了数值研究,并讨论了热流分布和超临界CO2流量分布对传热性能热-机械性能的影响。结果表明,吸热板的非均匀热流会导致热损失和热应力的增加,进一步调整流量分布以匹配热流分布可以减少热损失和热应力。Wang等[80]数值研究了非均匀热流分布下抛物型槽吸热器中浮力对超临界CO2对流传热和热应力的影响。结果表明,在非均匀热流分布下,流体的密度剧烈变化进一步诱发了二次流动,改善了速度矢量与温度梯度之间的协同作用。

目前,针对超临界CO2在太阳能吸热器中传热性能已经展开研究,但是相关的实验和数值数据较少,不足以指导工程实际应用,还需展开更加深入的研究。

4 结 论

本文对超临界CO2在水平管、竖直管以及螺旋管中流动与传热的实验研究和数值研究文献进行了总结,归纳了非均匀热流边界条件下超临界CO2流动换热研究文献。有关超临界CO2在管内的流动与传热研究主要集中在定热流密度或者定壁面温度条件,关于非均匀热流密度下超临界CO2的流动换热研究局限于简单的非均匀热流。然而,塔式太阳能吸热器表面非均匀热流是比较复杂的,关于实际非均匀热流边界条件下超临界CO2流动与传热特性相关的理论研究较少。

水平管中由浮力作用产生的二次循环能够强化超临界CO2流动传热;竖直管中由密度变化引起的浮力效应引起超临界CO2的局部传热系数在沿管向上和向下流动中呈现不同的变化趋势;螺旋管中浮力和离心力的作用均能在圆周截面上产生二次流动,提高超临界CO2的传热效率。

利用超临界CO2替代传统的传热流体可以有效提高太阳能热发电的效率。其中,太阳能吸热器的非均匀热流会导致热损失和热应力的增加,通过进一步调整超临界CO2流量分布以匹配热流分布可以减少热损失和热应力。