塔式太阳能光热发电技术是太阳能大规模开发利用的主流技术,是我国能源结构优化、实现绿色低碳发展的重要驱动力。在塔式太阳能光热发电站中,“光-热-电”能量传输过程需要依靠传热流体来实现,为此开发高性能传热流体对促进塔式技术的发展具有重要意义。近年来,随着超临界技术的发展,超临界流体凭借其优良的流动与输运特性,具备大幅提高塔式光热电站能量转换效率、降低投资和运行成本的潜力,因而得到了越来越广泛的关注与研究。超临界流体的流动与传热特性对能量转换过程具有重要影响,直接决定着整个能量转换系统的效率及安全稳定性。然而,在临界区及拟临界区附近,超临界流体的热物性参数存在着极其强烈的非线性变化规律,使其流动和传热现象复杂多变,其流动传热的机理尚未厘清。本文以两种典型的超临界流体为工质(超临界CO2、超临界碳氢化合物),设计了多套超临界流体流动与传热测试系统,实验研究多种工况条件下超临界流体的流动与传热特性。主要完成的工作及结论如下:(1)开展了超临界CO2在管内的流动传热特性研究,获取常规加热工况及强加热工况下(高q/G)壁温及传热系数分布规律,讨论了压力、质量流速、热流密度等参数对传热的影响。在常规加热工况下,当内壁温高于拟临界温度,而主流体温度低于拟临界温度时,传热系数存在明显的峰值。提出采用液膜温度来预测该峰值,当液膜温度达到拟临界温度时,出现传热系数峰值。当压力越接近临界值,拟临界区域的传热强化现象越明显;在强加热工况下,浮升力显著,整个实验段发生了传热弱化,采用拟膜态沸腾来解释其产生机制。将强加热工况下的实验数据与已有的经验关联式作对比,结果表明,已有关联式无法较好地预测实验数据,为此提出了一个新的超临界CO2传热关联式。(2)研究了超临界碳氢化合物在管内的流动传热特性,讨论了碳氢化合物的传热特征与机理,归纳了超临界碳氢化合物的传热特征和传热区域。将碳氢化合物传热区域划分为层流传热、湍流传热、拟核态沸腾、拟膜态沸腾区以及化学反应区,并分析了每个区域内的传热机理。观测了超临界碳氢化合物传热强化及传热弱化现象,并采用拟沸腾理论来解释其产生机制。拟核态沸腾之所以强化了传热,是因为在浮升力作用下,近壁处流体更容易进入到主流体,而温度较低的主流体也更容易流向热壁面,从而带走更多热量。拟膜态沸腾之所以弱化了传热,是因为此时浮升力被削弱,传质动力减弱,壁面处的低密度流体层无法顺利扩散,由此形成了“汽膜”。获取了碳氢化合物在典型元件内的流动阻力,流动阻力特性与碳氢化合物物性、传热过程等因素密切相关。(3)以超临界碳氢化合物通过小破口的泄漏问题为背景,研究了超临界碳氢化合物的临界流动现象。根据临界流动原理,当高压流体通过小破口泄漏到外部环境时,泄漏处的流动很容易达到临界流动状态,此时泄漏流量只由上游参数(压力和温度)决定,而与下游参数无关。本文测试了超临界碳氢化合物流经直小孔和收缩小孔的临界流量,得到了一批临界流量数据,并计算了临界流函数。结果表明,临界流量与上游压力呈正相关,与流体温度呈负相关,临界流量可按Gcr=φAp0/(?)来预测,根据实验数据建立了超临界碳氢化合物临界流量预测公式。