热科学与技术杂志

热科学与技术杂志2021年第2期

• 新型布雷顿循环氦气轮机发电系统设计及验证

  张智博,衣爽,马正军,何彬

  以功率不低于100 MW的新型布雷顿循环氦气轮机发电系统为研究对象，通过敏感性分析确定了涡轮入口温度、部件效率、压比、堆芯入口温度等主要参数对性能的影响，并开展了总体性能计算、总体结构设计和模化部件试验验证。结果表明：设计的发电系统输出电功率119 MW、发电效率高达47.54%，循环经济性好；最大直径仅5.7m，相比于传统动力形式的换热设备，结构更紧凑。

• 基于NSGA-II的多效蒸发海水淡化系统优化研究

  周士鹤

  热压缩多效蒸发（MEE-TVC）海水淡化系统在工程中易于实现大型化应用，因此装置的优化设计极为必要。基于热力学第一、二定律，建立系统能质平衡模型和㶲分析模型。基于总收益需求法，建立系统经济性模型。以造水比最大（GORmax）/比㶲耗最小（ed min）和单位造水成本最低（Cp,tot min）为目标，建立系统多目标优化模型，利用带有精英策略的非支配排序遗传算法（NSGA-II）求解得到Pareto最优解集，并将单目标和多目标优化方案进行对比分析。结果表明：与初始方案相比，热力性能单目标优化方案（ed min或GORmax）的单位造水成本增加约20%，而多目标优化方案则对三个目标均有改善。优化结果显示，所采用的优化方法可满足工程设计精度要求，且可为决策者提供基于不同偏好的优化方案。

• 纳米颗粒对盐梯度太阳池热性能影响的实验研究

  李楠,王庆,刘佳伟,张财红

  为了增强太阳池的储热温度以及热效率，采用了在太阳池下对流层添加纳米颗粒的方法。通过光照实验与沉降实验选取质量分数为0.01%的碳纳米管溶液添加到太阳池的下对流层,然后与普通盐梯度太阳池进行对比实验，并对实验数据进行分析、计算。实验结果表明：在相同模拟光源下，含纳米颗粒小型太阳池的下对流层平均温度提高了1.7 ℃，效率是普通太阳池的1.2~1.4倍，由此证明了添加纳米颗粒可以有效提高太阳池的储热温度和热效率；通过对太阳池各层盐浓度的测量，验证了纳米颗粒对太阳池的浓度梯度并未造成明显影响，太阳池的稳定性保持良好。

• 玉米热风干燥特性模拟研究

  金旭,王晨,毕清跃,刘忠彦,洪文鹏

  针对玉米热风干燥时内部发生的传热传质过程，本文以单个玉米为研究对象，构建了三维多组分干燥仿真模型。玉米由表皮、硬质胚乳、软质胚乳和胚四部分组成，扩散系数各不相同，以傅里叶导热方程、菲克扩散方程作为控制方程，表面水分蒸发作为边界条件，利用COMSOL Multiphysics模拟研究了整个干燥过程中内部温度场与浓度场的变化情况。研究表明，玉米干燥过程中一直处于降速干燥，外界条件风速、相对湿度对干燥过程中含水率影响不大，表皮层是干燥过程水分迁移主要的传质阻力部分，本文研究内容对玉米干燥模拟研究具有一定的理论指导意义。

• 数据中心服务器水冷散热器的数值模拟与实验验证

  何为,丁愫

  水冷散热器在数据中心服务器CPU芯片冷却技术中发挥着重要的作用。如何获得高性能的散热效率成为了该领域关注的重点。针对一种翅柱式水冷散热器，用数值模拟的方法，通过改变翅柱的结构参数来优化散热器的散热性能以及流动特性。在相同的翅柱间距下，改变翅柱的直径和高度，在不同的入口流量下，研究其温度，努塞尔数，压降，摩擦系数，分析比较其综合系数对散热性能的影响，并对结果进行了实验验证。结果表明翅柱高度3.9mm，直径为0.9mm的散热器其综合系数最大

• 不同动量比对湍流穿透现象的影响

  李庚旺,卢涛

  在核电工业中，T型管是一种常见的管道结构。在稳压器波动管道的T型接口处，由于主支管动量比很大，会产生湍流穿透现象。使用数值方法，对于T型管不同动量比冷热流体混合过程中的湍流穿透现象进行了研究，通过合理划分网格及设定时间步长，采用大涡模拟方法获得了管内流体的瞬时速度与温度。数值结果表明，当湍流穿透现象发生时，支管内速度与温度会发生剧烈波动；随着主支管动量比的增加，湍流穿透的深度增加；温度波动区域的范围大于湍流穿透区域。

• 颗粒堆积多孔介质内幂律流体流动阻力模型

  田兴旺,张琨,王平,徐士鸣

  基于平均水力半径理论、Carman-Kozeny-Blake模型及孔喉通道模型，综合考虑边壁摩擦和边壁空隙对压力降的影响，得到了关于迂曲度、孔隙率、喉孔比、颗粒直径、边壁修正系数及幂律指数等重要参数修正的阻力计算模型。结果表明：新模型在较大流态区间内的阻力预测值与文献吻合较好，证实了边壁对惯性项压力损失的影响与雷诺数和通道颗粒比值D/d的大小密切相关，同时推导出了幂律流体的临界雷诺数、修正渗透率及惯性系数的表达式。

• 壁面粗糙结构对颗粒沉积特性影响的数值研究

  丁皓姝,王碧辉,李浩然,洪文鹏

  采用CFD-DEM方法对1~50μm颗粒在粗糙流道内沉积特性进行分析。主要研究了颗粒粒径、粗糙元形状（正方形、尖角、三角形）对沉积速率的影响。结果表明：受粗糙结构附近漩涡影响，粗糙壁面将小颗粒（τp＋1）受反弹效应影响导致颗粒沉积速度减小；由于不同形状粗糙元的迎风面和背风面与气流方向夹角不同，使得流道内流场速度波动以及粗糙元附近漩涡有明显变化，导致尖角形粗糙结构流道沉积速度最大，三角形粗糙结构流道沉积速率最小。

• La1-xKxMnO3钙钛矿型催化剂同时去除碳烟颗粒物和NOx的性能研究

  张丽君,李艳霞,张宁,刘世超

  通过柠檬酸络合法制备了一系列钙钛矿型催化剂La1-xKxMnO3 (x=0~0.5)。通过程序升温氧化反应测试了催化剂同时去除碳烟颗粒物和NOx的性能。采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、氢气程序升温还原（H2-TPR）以及X射线光电子能谱（XPS）等表征技术分析了经过A位掺杂的催化剂与基础催化剂产生活性差异的原因。结果表明：所制备的催化剂均具有钙钛矿结构；K的掺杂使得催化剂拥有更加均匀的纳米颗粒且颗粒粒度减小；同时掺杂还改变了B位金属的化学状态，使得被掺杂的催化剂中高价态的Mn4+和氧空位的含量增加。其中La0.7K0.3MnO3具有较好催化活性，碳烟颗粒物的特征温度T50和最大燃烧速率温度分别为344℃和349.8℃，NO的转化率为39.1%。

• 旋流预混燃烧室燃烧特性研究

  张志浩,刘潇,赵铁铮,刘刚,吕光普,郑洪涛

  以某型燃烧室为研究对象，采用RANS(Reynolds Average Navier-Stokes)和LES(Large Eddy Simulation)两种方法进行数值模拟，并对两种数值方法的模拟结果进行了对比分析。研究结果表明，RANS的计算结果能够反应燃烧场中的主要流场特征，具有一定的工程意义。LES能够复现弱轴向流动区等具体的流场细节，对剪切层位置和强度模拟较准确，还能模拟火焰动态发展过程，捕捉燃烧流场动态特性。与RANS相比，在燃烧流场数值仿真方面，LES占据更明显的优势。经计算，该工况下进动涡核由三个相对独立的螺旋涡分支组成，在燃烧室激起周期性速度脉动和压力脉动，LES捕捉到进动涡核主频率为156Hz。

• 生物质化学链气化联合燃气轮机发电系统模拟

  赵琳,穆林

  使用Aspen Plus软件对以Fe2O3为载氧体的生物质化学链气化系统进行模拟，分析温度、压力、载氧体与生物质摩尔比、水蒸气与生物质摩尔比等因素对合成气制备的影响；对不同生物质的气化条件进行优化；将气化制得的合成气通入M701F燃气轮机中发电，考察系统的发电效率。结果表明，常压下，不同生物质气化的优化温度均在740 ℃左右，此时制备的合成气冷煤气效率较高；提高反应压力有利于系统热量自平衡，但合成气的冷煤气效率降低；载氧体与生物质摩尔比的优化值与生物质中氧碳摩尔比呈负相关，且达到优化值时，气化环境中氧碳摩尔比在1.25左右；水蒸气通入气化系统后冷煤气效率可提高15%~20%，主要原因为H2的产量显著增加，通入水蒸气后的气化环境的氧碳比在1.4左右时，制备合成气的冷煤气效率较高；系统的发电效率在30%~37%，高于目前生物质发电效率。

• 槽式太阳能集热器热性能实验测试

  宋亚伟,郝梦琳,王宁,刘杰梅,杨宾

  针对天津市槽式太阳能集热系统性能测试平台，对不同太阳辐射强度、入口流体温度以及不同工质流量状况下集热效率和集热管压降变化规律进行实验测试，通过测试数据对槽式太阳能集热器热性能进行分析，试验结果表明：在天津地区槽式太阳能集热器集热效率为0.20-0.62；太阳辐射强度的增强，会提高集热效率，并且集热器进出口的压降会随之降低；在太阳辐射强度和导热油流量一定时入口流体温度存在最佳值；集热效率和集热器进出口的压降随着流量的增加而增大。

• 青岛某办公建筑供热改造工程技术经济分析

  付嘉衡,宋梦宇,田晓亮

  分析山东青岛某办公建筑采暖工程改造情况,对改造前与改造后的系统进行技术与经济性评估。利用DeST软件对采暖期的逐时热负荷进行模拟计算,并提出四套供暖方案,以七天为一个运行周期,记录机组运行工况,计算其初投资与运行年费,从不同角度分析对比。研究表明：采用空气源热泵方案的运行年费相较于传统集中供热有明显优势,虽然初投资较高,但在6.71 a内可实现动态投资回收。当空气源热泵系统采暖方案中热源为可选择性多热源时,运行年费进一步降低,弱化了燃料价格等敏感性因素波动的影响力,证明项目的技术路线是可行的。