热科学与技术杂志

热科学与技术杂志2021年第1期

• 工业炉窑燃烧过程中节能减排问题的研究进展与发展方向

  魏小林,黄俊钦,李森,潘利生,陈立新,谭厚章,杨富鑫

  工业炉窑是建材、冶金、化工等流程工业中至关重要的用能装备，也是化石能源消耗和环境污染的主要源头之一。工业炉窑燃料中煤炭占70%，存在着能耗高排放大的问题，需要研发高能效低排放的新技术。对于典型的工业炉窑，其生产过程具有多工艺目标、多品种交叉生产，以及大负荷调节比、宽阈度负荷变化的复杂工艺特点。近年来，国内外工业炉窑的技术进步发展迅速，通过综述在节能管控、富氧燃烧与氧燃料燃烧、分级燃烧和颗粒物脱除等方面的研究进展，提炼出工业炉窑物质流与能量流匹配节能、富氧燃烧及燃烧优化调控、分级燃烧与SNCR脱硝以及微细颗粒物排放与资源化利用等四项共性关键技术。在此基础上，给出了需要进一步研究的技术内容，为我国工业炉窑高能效低排放技术研发与应用提供发展方向与途径的建议。

• 微纳结构铜表面低液位池沸腾实验研究

  崔文彬,王茂州,欧阳志豪,苏风民,吴桂涛

  采用两步电镀法，在改变电流密度的情况下制备出具有不同微纳结构和润湿特性的A、B两个表面，并应用于低液位饱和池沸腾的实验研究中。通过与铜表面对比，发现两个表面在低热流密度情况下，传热系数要高于铜表面，但液位降低时传热系数提升幅度较小，原因在于铜表面沸腾气泡较大，液位降低气泡脱离有很大影响，而A、B表面沸腾气泡较小，液位降低主要对气泡扰动产生影响；当热流密度增大后，两个微纳结构表面气泡聚合严重，传热系数要低于铜表面，而且三个表面在高热流密度下，液位降低提升传热系数的幅度都有所降低。

• 正丁醇水溶液液滴的蒸发特性实验研究

  苏新军,商彤,晁颖

  液滴蒸发过程中伴随着复杂的流变过程,现有研究对此并没有充分统一的认识；自湿润流体是一种具有特殊的表面张力特性的二元流体,了解其蒸发传热特性对于揭示其强化传热机理十分重要。本文为了探究添加自湿润流体液滴的蒸发特性,采用液滴形状分析仪(DSA100)研究了不同温度(30℃、40℃、50℃、60℃)下铜底板上去离子水、正丁醇水溶液(质量分数为0.5%)液滴的蒸发特性。结果表明：加入少量正丁醇溶液并不影响去离子水液滴的蒸发模式,但在去离子水中加入正丁醇溶液增大了初始液滴的接触半径、减小了初始接触角度,在底板温度较低时增快了液滴蒸发平均速率,加剧了液滴蒸发过程中Marangoni流动的强度,可以达到强化换热的效果；随着底板温度的不断增加,正丁醇水溶液液滴的平衡接触角以及蒸发速率均与温度成正相关,符合液滴的基本蒸发模式。

• 加热板液滴蒸发的理论分析及实验研究

  朱仙仙,闵春华,郭宇虹,王坤,解立垚

  液滴蒸发是由气-液浓度差驱动的一种常见而复杂的扩散现象。通过实验与理论相结合对去离子水在玻璃表面和有机硅油表面的蒸发特性进行研究，测量了液滴接触角和接触直径随时间的动态演变过程。结果发现：玻璃表面的液滴蒸发为典型的定底半径模式和混合模式；而液滴在有机硅油表面较为特殊，除了定底半径模式和混合模式还有周期性的粘滑模式。出现粘滑现象是由于实际表面的非光滑性，三相接触线存在摩擦力。当摩擦力最大时，接触角继续减小，三相接触线的力难以平衡，液滴接触角突增，三相接触线收缩。

• 非常温原油透射光谱测量及光学物性影响分析

  齐晗兵,张雨佳,李栋,王秋实,李怀志

  针对高温采油环境传统检测方法无法实现在线检测的问题，设计了恒温实验系统，利用傅立叶变换红外光谱仪IRTracer-100测量了不同温度下原油的透射光谱，基于双厚度法反演出原油的光学常数n和k与热辐射物性参数α和ρ，研究了不同温度对T、n、k、α和ρ的影响。结果表明：在400cm-1~4000cm-1波段内，不同温度下原油透射光谱变化趋势相同，且存在726cm-1、1382cm-1、1471cm-1、2849cm-1四个吸收峰。在吸收峰处，温度对原油的透射光谱和光学参数影响显著；随着温度的升高，n逐渐减小，温度为70℃，频率为2849cm-1时，n达到最小为1.3387。k和α随温度变化规律一致，40℃时，k和α均达到最大，分别为1.65E-04和592.70。ρ受温度影响波动较小，在0.0142~0.0905内变化。

• 内置扰流器驻涡燃烧室燃烧流动分析

  曾卓雄,刘应立,王浩渊,张永祺,张继国

  为了研究内置导流片与扰流板等扰流器驻涡燃烧室的燃烧流动性能,对不同导流片结构参数下的燃烧室总压损失、燃烧效率、速度温度分布及污染物排放进行了数值分析。结果表明：内置导流片与扰流板的驻涡燃烧室性能更加优于仅存在导流片时的,会进一步增强凹腔内的燃气掺混,提高燃烧效率,改善出口温度分布,降低NO排放。当导流片伸入凹腔的长度与凹腔前壁面一半长度之比(a/B)为0.1~0.4,导流片到进口顺流通道下壁面的距离与燃烧室进口顺流通道高度之比(b/h)为0.4,导流片到凹腔前壁面的距离与凹腔长度之比(c/L)为0.2时,燃烧室在贫燃条件下可以实现低压降稳定燃烧,而且出口温度分布更加均匀,污染物排放更低。

• 有序堆积床内预混气体燃烧特性实验研究

  岳猛,解茂昭,史俊瑞,刘宏升

  为研究预混气体在多孔介质燃烧器中的火焰燃烧特性，设计了一种新型多孔介质燃烧器，其中多孔介质区域由氧化铝圆柱体有序堆积而成。分别研究了当量比和入口速度对甲烷/空气预混气体在多孔介质燃烧器中的火焰温度分布、火焰最高温度以及火焰传播速度的影响。结果表明：在当量比0.162-0.324，入口速度0.287-0.86 m/s的实验工况下火焰均可以稳定向前传播，并且都发生了超绝热燃烧；当量比越大，入口速度越大，火焰最高温度越高；当入口速度为0.43 m/s时，贫可燃极限的当量比可以扩展到0.162；火焰传播速度随着入口速度的增加和当量比的减小而增大，其数量级为0.1 mm/s，属于一种十分典型的低速过滤燃烧。

• 高温流体温度变化对液-气引射器内部汽化影响特性研究

  刘星言,闫昊阳,周晋鹏,朱炎烽,高蓬辉,张东海

  引射器作为高压流体射流抽引低压流体进行质量和能量传递的设备,在混合换热、负压蒸馏、真空干燥等领域得到了广泛应用。对于液-气引射器,当工作流体温度较高时在运行过程中存在引射端负压过低时内部流体汽化的问题,导致引射器工作过程的急剧恶化。本文通过建立液-气引射器三维模型,对不同温度工作流体引射器内部的流动状态进行数值模拟,分析引射器内部汽化的时变规律,获得不同工作流体温度对引射器内部汽化的影响,研究表明工作流体的温度越高,汽化现象越明显。这一研究将为高温工作流体的液-气引射器的设计和安全运行提供指导和参考。

• 跨临界-亚临界复叠式有机朗肯循环性能分析

  胡硕倬,李健,葛众,杨富斌,段远源,杨震

  热源温度高于473.15 K时，复叠式有机朗肯循环（ORC）可避免高温下工质热分解、膨胀比过大等缺点，相对单级ORC更具优势。跨临界循环相较常规亚临界具有更高的吸热压力及更好的热源匹配性，其与复叠式ORC耦合有望获得更优的热力性能。因此，本文构建了跨临界-亚临界复叠式ORC（TSORC），以473.15-573.15 K工业烟气为热源，针对5组工质，探究了吸热压力、冷凝压力对系统热力性能的影响，优化系统参数以获得最大净输出功；并与常规亚临界-亚临界复叠式ORC（SSORC）进行对比。结果表明，TSORC相对SSORC可有效增大系统净输出功，最多可提高23.9%；但当热源温度低于“等值热源温度”时，SSORC的输出功反而更大；以R1233zd-R1234ze(E)为工质的TSORC具有最大净输出功。

• 普适传热定律下广义不可逆卡诺制冷循环火用经济最佳性能

  李俊,陈林根

  应用有限时间热力学理论，以广义不可逆卡诺制冷循环为对象，以火用 经济性能为优化目标，研究了普适传热定律下循环的最佳性能，导出了循环有限时间火用 经济性能界限以及优化目标之间的最佳关系，并分析了不同传热定律、各种损失和价格比因素对最佳火用 经济性能的影响。所得结果具有普适性并可以为实际制冷机进行改良提供一种参考。

• 回热式闭式空间核能布雷顿循环系统性能分析及优化

  张秀,张昊春,刘秀婷,游尔胜,张健

  随着深空探测的不断发展，作为最具发展潜力的能源之一，空间核动力在国内外得到大量关注和研究。空间核动力系统中热电转换技术至关重要，在大功率阶段下，布雷顿循环动态热电转换系统因其功率较大，效率较高等优点得到广泛应用和发展，对其进行特性分析和参数优化具有重要意义。对运用闭式布雷顿循环的次临界安全空间 (S4) 反应堆系统建立回热式布雷顿循环理论模型，分析其特性，并研究了回热度、工质变外部条件对循环效率等参数的影响；在此基础上，运用遗传算法对系统进行双目标优化，为布雷顿循环优化提供理论基础。

• 压缩机频率对轮流降温式冷库性能的影响

  董浩,臧润清,余超群

  以含有十个冷间的轮流降温式冷库为实验对象,建立冷间升、降温时间计算模型,在冷间不开门,无货物进出的情况下,进行轮流降温式冷库性能研究实验。结果表明,理论升降温时间比要比实验数值偏大,当环境温度为30℃,冷间温度为-12～-10℃时,平均误差为7.72%；当环境温度为30℃,冷间温度依次为-6～-4℃、-12～-10℃,压缩机频率依次对应为 39、35Hz时,可以实现单个冷间的轮流降温,以较小冷量制冷压缩机组来满足冷库降温要求。实验为不同工况下多冷间同温冷库实现轮流降温时对应压缩机频率的选取提供了理论依据。

• 充水排气式自然真空太阳能海水淡化系统的实验研究及经济分析

  陈刚,王璐,叶鸿烈,郑宏飞

  提出了一种充水排气式的自然真空太阳能海水淡化系统，介绍了其结构及工作原理。当蒸发器内产生不凝气体时，利用水泵向蒸发器充水从而排出不凝性气体，具有能耗低、运行可靠等优点。搭建了实验样机，通过稳态实验研究了系统在不同运行温度时的及产水性能。实验结果表明，产水量和性能系数随着热海水温度的增加而增加。当供热海水水流率为0.1kg/s、温度为60℃时，每周期产水量为13.73kg，对应的性能系数为1.78。最后，对本装置的经济效益进行了分析。

• 地道风系统地埋管管径对出口空气温度的影响研究

  宋美艳,王亮

  构建了空气与地道壁面换热理论模型,用于计算地埋管出口空气温度,通过正交模拟分析了地埋管管径、长度以及进口风速对地埋管出口空气温度的影响,并与数值模拟结果进行对比。结果表明,地埋管管径极差值最大,可达20.4,是地埋管出口空气温度的主要影响因素,地埋管长度和进口风速为次要因素。随着管径的增大,出口空气温度随之升高,当管径为0.2m时,出口空气温度降幅最大,管径大于0.6m后,降幅逐渐减小,基本趋于稳定值,因此应控制管径在0.2m~0.6m。