热科学与技术杂志

热科学与技术杂志2020年第5期

• 相变蓄冷装置内传热及相变特性研究

  仇中柱

  建立了三种不同蓄冷球球径堆叠方式的相变蓄冷装置模型，对其进行了数值模拟以研究其内部传热及相变特性。结果表明：随着流速的提高、蓄冷球直径的减小，蓄冷结束后三种方案中装置内蓄冷球的凝固率提升显著；双球径方案与单球径方案装置内蓄冷球凝固率随时间变化的规律在蓄冷过程初段相类似，但两方案中相同球径部分蓄冷球相变结束，双球径方案中发生相变的蓄冷球由大直径转变为小直径时，其凝固率随时间变化的速度逐渐超过单球径方案。该研究可为相变蓄冷装置的实际设计及性能优化提供参考

• 基于图像识别的高温熔渣流量测量方法研究

  王充,王宏,朱恂

  熔渣流量是影响高温熔渣离心粒化效果的关键因素。为了测量熔渣流量，提出了一种流量测量方法，利用高速摄影机拍摄液柱流动图像，采用边缘检测、阈值分割等方法，获得液柱直径及流速，计算流量，采用常温甘油溶液作为测试对象进行实验，研究该方法测量精度的影响因素。结果显示，长曝光时间、合理的拍摄帧率、短物距有利于提高测量精度；同时，感兴趣区域（ROI）的位置为距管口2~5倍管径处、ROI长度为1/3~2/3倍管径时，测量精度较高。通过对实际高温熔渣流动过程的检测，其测量误差约9.0%，证明了该方法的实用性。

• 微细管束换热器结霜及流动对流换热特性实验研究

  张鹏腾,秦妍,李维仲,张志刚

  利用可视化换热器性能实验台测试了微细管束表面在无换热、大温差、凝露条件下不同风速工况的流动损失与空气侧换热系数。同时探究了超低温工况下，相对湿度和风速对微细管束换热器流动换热特性影响。相对湿度增大，湿空气释放潜热增加，结霜量增大，换热器前后压损增加。高速气流具有剪切作用，风速增大会导致结霜迟滞。

• 严寒地区农村住宅围护结构保温改造分析

  马令勇,王慧,李栋

  严寒地区多数农村住宅建筑围护结构热损失严重，造成其采暖能耗增加，强化建筑围护结构的保温性是提高建筑采暖效率的方式之一。以位于严寒地区的安达市某传统农宅为研究对象，采用EnergyPlus对该住宅围护结构的保温性能进行研究，并分析了建筑能耗情况，获得了建筑墙体、玻璃、屋顶等围护结构部位采用保温后的节能效率。研究结果表明：安达地区节能效率较好的墙体和屋顶保温材料为XPS保温板、玻璃窗结构形式为6mm+12mm+6mmLow-E低辐射玻璃；传统农宅采用建筑保温材料后，其节能率可达72.0%，从而降低了农村住宅采暖能耗，并可维持室内良好的热环境。

• 严寒地区单体建筑太阳能-相变墙系统蓄热特性研究

  刘晓燕,孙睿忆,赵海谦,崔雪,王忠华,马川

  利用太阳能对水加热并通入相变墙进行蓄热，对减少严寒地区单体建筑供热能耗有重要意义。以大庆市某单体建筑为例，结合该地区太阳能分布特点及建筑热负荷大小，对适用于该地区的太阳能-相变墙系统进行集热与储热能力计算，并采用CFD方法研究单一工况下该系统的热工变化规律及不同热水参数、换热管规格对相变墙蓄热特性的影响。结果表明：该相变墙热稳定性良好，但受自然对流影响，底部相变材料熔化较慢；管径DN25、入口流速0.3m/s、供水温度310.15K、回水温度309.15K、管间距107mm可使相变材料在4小时内完成蓄热，平均节能率为31.8%。研究结果可望为降低严寒地区建筑供热能耗提供新思路。

• 基于液态金属朗肯循环的空间双模式核热推进系统性能分析

  刘秀婷,张昊春,尹德状,柴晓明,张秀

  随着深空探测技术的进步，空间核动力越来越成为载人航天任务的理想选择，将双模式空间核动力推进系统应用于航天推进系统已成为一种新的趋势。基于空间核能液态金属朗肯循环，提出一种新型的双模式核热推进系统，并对该推进系统发电模式下的液态金属朗肯循环进行了性能分析。利用能量分析和㶲分析的方法对双模式核热推进系统下的朗肯循环进行热力计算，得出各部件的能量损失和㶲损，找出损失最大的部件并分析原因，取不同的空间环境温度研究其对㶲损和㶲效率的影响，为系统的进一步优化提供理论依据。

• 三水合乙酸钠/蛭石复合相变蓄热材料性能优化研究

  朱宸皓,刘建伟,王翠苹

  采用真空浸渍法将三水合乙酸钠（sodium acetate trihydrate,SAT）吸附在膨胀蛭石（expanded vermiculite,EV）微孔内，选择EV吸附SAT能力最佳的质量比为1:6。通过扫描电子显微镜（scanning electron microscopy,SEM）观察复合相变材料（composite phase change material,CPCM）的微观结构，显示EV微孔几乎完全被SAT填充。X射线衍射（X-ray diffraction,XRD）表明SAT与EV化学相容性较好，二者仅发生物理相互作用。通过差式扫描量热法（differential scanning calorimetry,DSC）测试EV在最大吸附能力下，复合材料的相变温度为57.6℃，接近SAT理论相变温度58.1℃；相变潜热为238.8kJ/kg。热重分析（thermogravimetric analysis,TG）结果显示复合材料热稳定性良好。因为EV负载体将SAT间隔为无数微单元，有效改善SAT相变过程中过冷和相分离现象，起到成核剂和悬浮剂的作用。实验研究结果表明，制备的CPCM具有较好的热物性以及稳定的热循环性能，有望成为相变蓄热材料应用于冬季供暖。

• 压电泵驱动闭式水冷环路传热实验研究

  卫铃佼

  设计并研制全金属双腔串联有阀压电泵，利用压电泵驱动水工质在闭式环路内循环稳定流动。水冷环路热端设计为微通道结构，微通道结构能显著增强液相工质流动过程中与壁面换热速率。在压电泵驱动下，工质在微通道热端吸热，冷端放热，实现热量从热端到冷端高效传递。搭建实验测试系统，研究压电泵工作性能以及压电泵驱动水冷环路传热性能。结果表明，压电泵在开放系统和闭式系统工作性能一致。压电泵驱动电压越大，回路内液相工质流动速度越快，传热速率越高，系统热阻越低。双腔串联压电泵在120V驱动电压下，泵水流量达到167 mL/min，水冷环路热阻达到0.12℃/W。压电泵驱动闭式水冷环路具有热阻小，结构紧凑，能耗低，智能控制等优点，能更好地应用于大功率电子器件散热领域。

• 楼宇型分布式能源系统设备容量和运行策略优化研究

  王智,尹楠,杨佳霖

  设备容量优化和运行策略优化是分布式能源系统设计，运行的关键问题。为实现分布式能源系统的经济效益，能效水平和环境效益最大化，针对楼宇型分布式能源系统建立了相对普适化的物理模型和数学模型，以粒子群优化算法和线性规划相结合，采用两阶段优化方法计算系统的最优容量配置，并给出运行策略。以某写字楼的分布式能源系统为例，得到最优的系统设备容量和全年逐时运行策略，并采用遍历法验证计算结果的准确性。优化的分布式能源系统与传统供能系统相比，费用年值降低7.79%，年总能耗降低24.18%，污染物排放量减少了62.77 %。

• CO2气氛下生物质气化制氢的数值分析

  张俊霞,袁文华

  生物质气化制氢有重要的工业应用价值，本文采用ASPEN PLUS软件数值模拟了稻壳在流化床中的气化过程。本次模拟运用吉布斯自由能最小化原理，选择RGibbs和RYield模块，采用CO2作为气化剂，计算获得了气化温度、CO2质量流量、CO2和稻壳质量比和碳转化率对产氢率的影响规律。结果表明：在CO2质量流量为200kg/h时，H2的生成率高达43%。随着CO2/B增加，CO和CO2体积分数逐渐升高，CH4体积分数下降，H2体积分数在不同的气化温度下趋于平稳（600~700℃）或下降（800~1000℃）。随着气化温度升高，碳转化率增加；随着CO2和稻壳质量比的升高，碳转化率下降。

• 松木颗粒热解与高温蒸汽气化半焦产率及形貌特征分析

  张丽奇,牛永红,李义科

  以成型松木颗粒为原料，进行低温热解，研究了热解温度和升温速率对生成的松木半焦产率及官能团的影响。以试验得到的松木半焦进行蒸汽气化试验，对比分析了温度对半焦重整气化形貌特征、比表面积和平均孔径的影响。研究表明：随着热解温度升高，松木半焦脂肪族结构峰消失转化为烃等小分子物质及气化气，进而降低半焦产率。升温速率升高，半焦产率呈先下降后升高的趋势，在800℃升温速率为30K/min时半焦产率最低。不同温度热解和蒸汽气化对比试验表明，温度相对较低时（500℃）热解和蒸汽气化半焦孔隙结构相近，随着温度的升高，蒸汽气化半焦结构发生明显变化，900°C时出现了更小的孔道结构且比表面积增加明显。蒸汽引入使松木半焦和水蒸气发生热解反应的同时发生了脱氢反应，气化半焦形貌出现熔融和烧结现象。

• 基于钾盐修饰Fe基载氧体的化学链燃烧研究

  张泰岩,刘晓锋,彭辉,李曦阳,戴兴干,梁绍华,顾海明

  采用典型的钾盐和惰性载体对Fe基载氧体进行修饰，在热重和小型流化床反应器上，采用CO/N2对其还原活性和化学链燃烧特性进行测试，考察了钾盐种类、反应温度对和惰性载体种类的影响。结果表明：钾盐修饰（KCl、K2SO4和K2CO3）能提高载氧体还原反应速率，并以K2CO3效果最好，最大还原反应速率提高约30%，载氧体完全还原时间由50 min缩短到25 min，主要归因于K2CO3修饰促进形成高活性的Fe-K-O化合物及发达的孔隙结构；对于K2CO3修饰Fe基载氧体，SiO2和高岭土载体易与K2CO3发生烧结，造成活性下降，TiO2与载氧体反应生成复杂的化合物，其氧化过程变慢，影响整个进程，而Al2O3载体展现了最好的反应活性，随着反应循环的增加其活性略有下降并趋于稳定，9个循环后CO2捕集效率高达98.0%

• 基于灰层累积的焦炭燃烧缩核模型Fluent数值模拟研究

  贾永会,闫慧博,杜建桥,张保瑞,李欣

  ANSYS Fluent提供的焦炭燃烧模型中，忽略了碳粒燃烧过程中灰层累积的影响，导致模拟焦炭燃烧速率偏大。为此，基于Fluent原始模型，结合碳粒燃烧过程中灰层积累对燃烧的抑制原理，利用Fluent中User Defined Functions（UDF）模块，提出一种基于灰层累积的焦炭燃烧缩核数学模型，称为“基于灰层累积的动力/扩散控制”燃烧模型。计算结果表明，相比于原始模型，改进模型中炉膛速度与温度分布更符合热力计算值，模拟得到的飞灰含碳量与实际测值基本一致，说明改进模型更加合理，且模拟结果相对准确。

• 太阳能喷射/压缩复合制冷循环性能研究

  吴勇平,郝新月,陈光明,高能

  研究了一种太阳能喷射/压缩复合制冷循环，由太阳能集热子系统、喷射制冷子系统及压缩制冷子系统组成，系统充分利用热电两种能源以及两种制冷方法各自的优点，优化喷射制冷子系统工作性能的同时，改善压缩式子系统的工作条件，从而提高复合制冷循环性能的同时节约高品位电能。采用性能较好的高蒸发温度式喷射制冷带走压缩机排气余热具有实际意义。通过数值模拟的手段分析系统性能及其主要影响因素，并优化工作条件。研究表明，与相同工作条件下的单压缩制冷循环相比，复合制冷循环工作日全天候运行时电力性能系数提升约为31.5%，节电优势显著。存在一个最佳的喷射子系统蒸发温度使得复合制冷循环性能系数达到运行工况的最大值。