1 绪论
1.1 研究背景及意义
当今世界人类对能源的需求源源不断，图 1-1 为2012年到2019年我国年发电总量，可以看出随着我国经济水平不断提高，人民生活质量不断提升，对电力的需求也逐渐加剧。如何提高发电效率、减少环境污染、降低发电成本、实现可持续发展是学者们研究的一个永恒主题。
1.2 国内外研究进展
1.2.1 超临界二氧化碳流动传热研究进展
目前学者们对超临界二氧化碳的流动传热已经进行了大量的研究、取得了较大的进展，但是由于超临界二氧化碳在拟临界点复杂的热物性特征，现有的研究成果都具有一定的局限性，并不能完全的适用于所有工况，在不同环境下仍需要对现有的超临界二氧化碳换热关联式进行一定的校核与改进。
Xie[12]综述了垂直管内超临界二氧化碳的传热恶化现象，并讨论了传热恶化的识别方法以及改变质量流量、管径、压力和入口温度对临界热流密度的影响，并对现有的传热关联式进行了归纳。Rao[13]综述了超临界二氧化碳的流动特性和传热特性,讨论了不同类型超临界二氧化碳换热器的传热和压降特性。
Liao[14]实验研究了内径为 0.70、1.40 和 2.16 mm 的不锈钢圆管内超临界二氧化碳的流动传热，压力 74 ~ 120 bar、温度 20 ~ 110 °C、质量流量 0.02 ~ 0.2 kg/min。研究实验发现，当二氧化碳水平或向上流动时，传热有所增强，向下流动时，拟临界区传热明显减弱。最后根据实验数据建立了微小管道的超临界二氧化碳对流传热关联式。
Dang[15]实验研究了超临界二氧化碳 1 mm~6 mm 在圆管中的传热及阻力，并建立了修正传热关联式，其计算值与实验值误差小于 20 %。
刘生晖[16]实验研究了竖直圆管内超临界二氧化碳对流传热特性。实验压力 7.4~8.6MPa、质量流速 298.1~905.7 kg/m2·s、热流密度 13.8~270.8 kW/m2、流体温度 16.5~58.8 °C，结果发现：在上流动工况系统传热能量随浮升力的上升先减弱后逐渐恢复最后增强。黄彦平[17]整理汇总了常见工况下的超临界二氧化碳传热关联式，并与自己的实验值进行对比，发现现有传热关联式对拟临界区域的传热预测偏差较大。
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2 试验系统
2.1 试验系统及设备选型
图 2-1 (a)、(b)分别为流动与传热及流量分配实验测试系统示意图，两个系统均由 4个部分组成：流动系统、加热系统、冷却系统、数据采集系统。
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2.2 实验段
2.2.1 CO2流动换热实验段
图 2-14 为超临界 CO2流动换热实验段示意图，加热段为 Φ2×0.5 mm 水平圆管，长250 mm，材质为 GH3030 高温合金。在试验过程加热段最高壁温 350 C，管路导热系数取为 17.18 W/m·K，外壁面等 50 mm 间距设置有 5 个截面，每个截面正上方与正下方焊接有 K 型热电偶丝，截面 1 距离极板 25 mm。进出口主流流体温度通过两个设置在加热段进出口的 T 型铠装热电偶来测量，需要注意热电偶顶端必须处于流道中心，不能偏移或贴壁加热段压降采用压差传感器测量。为测量流体绝热流动阻力，在加热段后另设有绝热段，其规格及压降测量形式均与加热段相同。实验过程中利用两管独立的干式变压器直接输出低电压、大电流分别对加热段以及绝热段进行加热，为减小热流耗散，整个试验段都包裹高温保温棉，为防止加热过程中产生漏电现象，在加热段进口、加热段压差传感上部和绝热段压差传感下部装设特氟龙绝缘段。除加热段与绝热段外，实验段各设备均采用Φ3×0.5 mm 316L 不锈钢管连通。
3 超临界二氧化碳在小通道内的流动与传热特性..............................27
3.1 超临界二氧化碳热物性 .........................27
3.2 超临界二氧化碳在小通道内的传热特性..........................29
4 超临界二氧化碳在并联管路内流量分配特性及抑制流量偏差方法..................................43
4.1 超临界二氧化碳在并联管路内流量分配特性........................45
4.1.1 典型工况下超临界二氧化碳流量分配特性..........................45
4.1.2 不同系统压力对流量分配影响...........................47
5 超临界二氧化碳在并联管路内流量分配预测模型.......................55
5.1 并联管路压降分析..................................55
5.2 计算流程.......................................56
5 超临界二氧化碳在并联通道内流量分配预测模型
5.1 并联通道压降分析
由第 2.1.2 小结可知，在单根支路中总压降主要由摩擦压降、加速压降和局部压降三部分组成。对于水平双并联管路，两条支路进出口在物理上处于连通状态，且在理想条件下由于进出口集箱完全处于对称状态，超临界二氧化碳由集箱进口到达两支路进口、两支路出口到达集箱出口时由集箱分汇流结构产生的阻力完全相等，因此两支路中总压降也完全相等：
6 结论与展望
6.1 结论
本文设计并搭建了超临界二氧化碳试验台，基于大量试验数据的基础，进行了三部分的分析讨论工作：
第一部分：分析了小通道内的超临界二氧化碳传热特性以及阻力特性，讨论了系统压力、质量流速、热流密度对它们的影响；
第二部分：分析并联管路流量偏差特性，讨论了系统压力、质量流量、进口温度对其的影响；
第三部分：在前两步基础上建立了并联管路流量偏差预测模型。
本文主要结论如下：
(1) 在 1 mm 管路内的超临界二氧化碳换热系数随流体平均温度先递增后递减，在拟临界温度附近传热系数达到最高。压力上升导致拟临界温度上升，传热系数曲线右偏移；管内流量越大传热系数越大；热流密度上升传热系数下降。对试验平均努塞尔数和六种经验关联式进行了对比，结果发现 Yan 公式对比吻合性较好，进一步通过大量试验数据拟合了新的传热关联式，预测误差范围为±20 %。
(2) 对 1 mm 管路压降进行了分析，压力上升，超临界二氧化碳在拟临界点附近的物性波动越来越平缓，加热段压降下降；质量流速越大，压降越大；当进口温度小于拟临界温度时，热流密度的变化对管路路内的压降并无明显影响。对比了四种阻力经验关联式，发现简化阻力关系后试验阻力系数远大于各个公式的预测值，最后通过大量试验数据拟合了新的阻力关联式，预测误差范围为±20%。
(3) 对并联管路内流量偏差进行了分析，热偏差是导致流量偏差的主要原因。升高系统压力、质量流量可以降低偏差，当进口温度超过拟临界温度后流量偏差最小。增加实验段冷端节流程度与加热段管径均改变了实验段阻力结构，减小了支路加热段压降占比，使热偏差对加热段阻力变化的影响降低，流量偏差减小。
(4) 利用管路的换热特性、阻力特性以及并联管路支路压降特性，结合实验数据，建立了超临界二氧化碳在并联管路内流量分配预测模型，利用 Matlab 迭代计算后发现模型可以准确预测两管流量变化趋势，但由于模型未考虑各管路连接卡套的局部阻力，其预测结果大于试验值。
参考文献（略）