新聞動態
圖片新聞
乐彩网
乐彩网
乐彩网
媒體報道
科研機構
國家能源風電葉片研發(實驗)中心
能源動力研究中心
輕型動力實驗室
循環流化床實驗室
分布式供能與可再生能源實驗室
儲能研發中心
傳熱傳質研究中心
先進燃氣輪機實驗室
無人飛行器實驗室(籌)
新技術實驗室(籌)
 
您當前所在位置:首頁>新聞動態>乐彩网
高效緊湊式換熱器技術研究進展介紹
发稿时间:2019-10-29         作者:文/郭江峰,淮秀兰          来源:傳熱傳質研究中心     【字号:

  熱能在能源動力、石油化工等重要領域是能源的主要表現形式之一,80%的熱量需要通過換熱設備轉換,以適應不同工藝要求,熱能利用的效率直接影響到系統綜合能耗的高低。因此,換熱器是能源動力系統中能量轉換的關鍵設備,對我國節能減排戰略的實施具有重要的意義。 

  傳熱傳質研究中心超强换热团队多年来一直从事高效紧凑式换热器的研发工作,在国家重点研发计划、国家自然科学基金、企业委托等多个项目支持下,在多个重要应用领域取得了一系列重要进展。 

  1. 超臨界CO2循環發電系統換熱器研發 

  超臨界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。超臨界CO2循环系统包括取热器、高温回热器、低温回热器、冷却器等换热器。换热器是超臨界CO2循環系統中數量最多、體積最大的設備,其成本約占整體系統成本的50%以上。此外,換熱器對于系統安全、穩定運行,系統整體效率的提高具有重要作用,是該系統最爲關鍵的設備之一。  

  針對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臨界CO2传热流动特性研究,揭示了直管以及传热强化管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、恶化抑制的物理机制及新方法,为换热器的设计和优化奠定了重要理论基础。針對超臨界CO2物性變化大,傳統換熱器設計方法不再適用的缺陷,開發了新型分段式換熱器設計方法,克用了物性變化以及溫度夾點對設計的影響。從矩陣和統計學角度闡述了換熱器多個參數間分布耦合、協同優化的新思想,基于此提出非均勻入口條件以強化換熱的方法從而克服大寬幅大流量分布不均惡化換熱的工程難題,提出了只通過改善換熱器間的管道連接以提高換熱系統性能的多個換熱器間有效組合的協同優化方案,研發了新型換熱通道結構在不增加或少量增加壓降條件下提高換熱性能,並開發了多種具有自主知識産權的新型換熱板型及換熱器結構形式。  

  完成了超臨界CO2換熱器綜合試驗平台的建設、調試和運行。該實驗平台設計壓力高達33 MPa、設計溫度660 ,完全满足超臨界CO2回热器、冷却器全工况测试要求,成为我国首台全温全压条件下大功率超臨界CO2系统换热器综合试验平台。目前,針對MW级超臨界CO2發電系統,已完成8台多種回熱器、冷卻器實驗樣機設計和加工制作,並完成了多次長時間連續穩定測試運行,各項指標均達到/超过设计要求。通过多台实验样机的长时间实验测试,一方面验证了超臨界CO2實驗平台的安全性和穩定性,另一方面驗證了換熱器實驗樣機的可靠性和安全性以及換熱器設計方案的合理可行。 

  在此基礎上,完成了全溫全壓全尺寸1 MW超臨界CO2循環發電系統高低溫回熱器、冷卻器設計計算、圖紙繪制,以及設計方案評審。初步開展了100 MW超臨界CO2循环发电系统回热器、冷却器结构设计以及布置方案研究。团队在超臨界CO2换热器方面的研发工作将有力地支持研究所率先建成完全自主知识产权的超臨界CO2循環發電系統,促進能源動力事業的發展。 

  2.燃氣輪機間冷器和回熱器研發 

  燃气轮机间冷器可以有效降低进入压气机气流的温度,减小压气机功耗,从而提高燃机输出功率;回热器可以有效提高进入燃烧室的气体温度,减少燃料的消耗,从而提高燃机热效率。因此,间冷和回热是燃机提效降耗发展的重要方向。团队在研究所创新引导基金项目以及中科院创新基金等项目的支持下,开展了燃机间冷器和回热器高效低阻传热机理研究、新型换热结构设计以及制作焊接等关键技术攻关。針對燃机结构特点及其对间冷器高效、低阻、紧凑的极高要求,发展了多目标多参数协同优化的思想,在体积、热负荷、压力恢复系数等严格约束条件下針對某型号舰用燃机寻求综合性能最优的板厚、肋高、通道宽及数量等多个设计参数间的最佳组合,研发了MW級功率的間冷模塊設計方案。克服了精密加工、無釺料焊接等關鍵技術難關,完成了MW級全尺寸全溫全壓條件下間冷模塊制作,在相關單位實測結果顯示各項指標均已達到或超過了原設計指標要求。在中科院創新基金資助下,開展了燃機回熱器設計方法及創新性結構開發,設計並制造了燃機回熱器縮比樣機,在研究所廊坊實驗基地,項目驗收專家組進行了現場測試驗收,回熱效率高達83%以上,各項指標實測結果顯示均已達到或超過任務書要求。 

  目前,在两机专项资助下团队針對新一代效率高、污染小、功率输出大的新型湿化燃气轮机技术正在积极开展回热器研发工作。相对于传统燃机回热器,该湿化循环回热器工质及其换热机理更为复杂,工作条件及运行状况要求更为苛刻,团队正在积极开展复杂工质的传热流动机理、两侧复杂流体相互耦合的换热特性、高效低阻的创新结构开发等工作,届时将建立高精度高可靠性的湿化循环回热器传热模型,形成自主知识产权的换热计算软件以及创新性换热结构,为我国新一代高效燃机系统的发展提供重要的技术支撑。 

  3.其它相關領域的應用 

  針對高温高压高效紧凑式换热器技术的特点,研发团队通过与企业合作开展了多个领域内的换热器应用研究:氦气布雷顿循环透平发电用回热器、冷却器,CO2熱泵用換熱器、浮式液化天然氣(FLNG)換熱器、煙氣余熱深度回收換熱裝置等,克服了其在極端工作環境和苛刻運行工況下的要求,爲産業升級及工業系統效率的提升提供了重要技術支撐。 

  近年來,研發團隊已發表相關論文50余篇,申請和授權國家發明專利10余項,形成了基于“通道-芯體-整體”由局部到整體的換熱器設計方法,由部件到系統層面的多參數多目標的換熱器協同優化技術,以及基于傳熱強化新理論的新型高效換熱結構開發的創新思路。換熱器作爲能源動力領域通用的關鍵技術設備,團隊的研發工作將有力促進研究所能源動力事業的發展。 

 

图1 超臨界CO2换热器测试平台

图1 超臨界CO2换热器测试平台

图2 CO2管内流动的多峰值壁温现象(Jiangfeng Guo, et al.《Energy》,2019)

图2 CO2管内流动的多峰值壁温现象(Jiangfeng Guo, et al.《Energy》,2019)

 图3 改进翼形换热板(郭江峰,崔欣莹,淮秀兰等. 发明专利号:CN107687780B)

 
評論
相關文章
热门关键词: