有机工质-导热油ORC直接接触式蒸汽发生器湍流破碎与强化换热协同耦合机制研究

To solve the high cost of heat transfer equipment and bulky of Organic Rankine Cycle（ORC） technology application, this project proposes a novel ideas to use organic fluid – heat transfer oil (HTF) direct-contact steam technology to replace the traditional heat exchanger. From the perspective of dissolution behavior of organic fluid in the HTF and turbulence breakup to study the direct contact heat transfer process, synergy and coupling mechanism of turbulence breakup evolution law and heat transfer process to heat transfer enhancement. The dissolution behavior of organic fluid is introduced to build single bubble growth heat transfer model and the heat and mass transfer characteristics of the phases miscible fuzzy interface of droplet swarm; To obtain the evolution image of droplet swarm turbulence breakup under different conditions, and then using the watershed algorithm to explore the influence mechanism between the different thresholds and the edge detection of miscible fuzzy interface of droplet swarm, the flow patterns of droplet swarm turbulence breakup feature area are precisely characterized, by which the characteristic parameters of turbulence breakup are precisely quantificated through Betti number, box-counting with erosions method, etc. To explores coupling relationship between the quantitative indicators of turbulence breakup characteristics and optimization parameters for heat transfer enhancement to improve the performance of heat exchanger, and it constructs a synergy and coupling model of turbulence breakup evolution law and heat transfer enhancement in ORC direct contact evaporator. The study will provide theoretical foundation for the optimal design of direct contact evaporator and the basic theory development of which is using in ORC.

为解决有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）技术推广面临的换热设备费用较高、体积庞大等问题，本项目提出采用有机工质-导热油直接接触蒸汽发生技术替代间壁式换热器的新思路。从有机工质在导热油中的溶解行为和湍流破碎视角来研究直接接触换热过程，并通过湍流破碎演化规律与传热过程的协同耦合来强化传热。以有机工质溶解行为的引入构建单泡滴生长传热及液滴群液-液相间互溶模糊界面传热传质模型；获得不同工况下液滴群湍流破碎的演化流型，运用分水岭算法探求不同阈值对液滴群液-液相间互溶模糊界面边缘检测的影响机理，实现对湍流破碎流型特征区域的精准识别，进而通过贝蒂数、计盒维数-腐蚀法等方法实现湍流破碎特征指标参数的量化；探索特征指标参数与提高换热性能优化参数之间的耦合关系，最终构建液滴群湍流破碎演化规律与强化换热的协同耦合模型，为直接接触蒸汽发生器优化设计及其在ORC中的应用提供理论依据。

采用有机工质-导热油直接接触式蒸汽发生技术替代传统的间壁式换热器，强化有机朗肯循环ORC热端的传热过程，是解决ORC技术推广应用所面临低温差传热下换热面积较大而导致设备费用较高、体积庞大的有效方法之一。本项目围绕直接接触换热过程，系统的研究了容积换热系数影响规律，连续相液滴群湍流破碎数字化演化规律及定量表征方法，明晰了汽泡群湍流破碎行为与直接接触式换热性能之间耦合关系，构建了汽泡群湍流破碎行为与强化传热的协同关系模型，取得如下主要结果：（1）提出一种经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，简称EMD）和耦合径向基函数（Radial Basis Function，简称RBF）神经网络建模的新方法用于预测容积换热系数，同时进一步应用直接接触蒸发器内流体流动与传热的非线性关系，采用信号处理技术（即经验模态分解EMD）和机器学习算法（即最小二乘支持向量机LSSVM）建立混合预测模型，两个模型精度与现有文献WT-RBF-NN模型相比可分别提高20%和62%。（2）针对液滴群直接接触传热过程中湍流破碎流型，提出了一种基于力矩平衡和图像分析测量气液混合均匀性的新方法，并进一步利用力矩这一新指标，表征气泡的空间均匀性，可以更准确地描述气泡的形状。（3）提出了一种采用标记控制的多分水岭分割方法对直接接触换热气液两相流流型进行特征提取，该方法可以有效地识别气液两相流中较暗的连续相。（4）提出新指标-气泡群平均宽度评价直接接触沸腾传热过程气泡动态演化，实验数据表明，气泡群的平均宽度（y）是气泡生长方向阶段（x）的函数，并进一步建立了贝蒂数Betti斜率变化和平均容积换热换热系数的协同耦合模型，该模型具有较好的稳定性。本项目通过简单的方法实现了复杂条件下液滴群湍流破碎行为和传热的预测、量化、表征和耦合，从新的视角揭示了液滴群行为与强化传热的协同耦合，对于直接接触传热理论深化、高效换热设备、低温余热利用以及混合搅拌等领域的先进强化传热技术研究和应用具有非常重要意义。