热科学与技术杂志

热科学与技术杂志2021年第3期

• 蓄热式管壳换热器传热特性研究

  杜小泽,郭慧倩,王宇,杨立军

  针对热电联产机组供热期发电负荷受供热量限制，机组调峰能力下降、电力系统弃风弃光现象严重的问题，设计了一种新型蓄热式管壳换热器。利用相变材料蓄/放热过程中温度接近恒定、释放潜热量大等优点，选取石蜡为相变材料，换热器相变区作为换热单元，采用控制变量法，针对传热流体流速、相变材料导热系数及相变层厚度等关键因素，对换热单元的蓄/放热过程进行数值模拟。结果表明：提高传热流体流速可增强换热单元蓄热能力，缩短相变材料完全熔化时间，放热过程中为保证换热器输出端热量，应适当选取传热流体流速；使用复合材料提高相变材料导热系数能够增强换热单元的换热能力，在相同传热流体流速下使换热单元平均传热系数较纯石蜡工况提升2倍以上；增加相变层厚度在放热过程中可延长传热流体出口温度维持的时间。

• 气隙扩散蒸馏海水淡化装置的㶲分析

  王平,李磊,陈乐乐,徐士鸣,于秉琛,徐林,张轩

  利用海水淡化技术将淡水从海水中分离出来是解决淡水资源短缺问题的有效途径。气隙扩散蒸馏装置是一种热分离装置。该装置具有表面积大、工作温度低、热源适应性好、金属消耗量低、常压运行等优点，非常适合偏远山区和海岛地区的应用。对气隙扩散蒸馏模型进行了建模，利用NaCl水溶液模型进行了?分析。以热料液温度、冷料液温度、溶液流量对?效率的影响进行了敏感性分析。计算并比较了外热源、蒸发器、气隙和冷凝器的?损失。研究发现气隙扩散蒸馏装置?效率可以达到30%，为工艺优化和提高装置的能效提供了指导。

• 微通道内气体-近壁颗粒流动传热数值模拟研究

  代伟,刘振宇,吴慧英

  数值模拟了微通道受限空间内气体-近壁颗粒流动与传热过程，所建模型考虑微尺度气体的可压缩与变物性特征，且在通道和颗粒壁面采用速度滑移和温度跳跃边界条件以考虑滑移区气体动量/能量非连续效应。在此基础上，计算分析了克努森数（Kn）和颗粒偏移比对颗粒表面拖曳力系数（CD）以及传热努塞尔数（Nu）的影响规律。研究结果表明，受气体稀薄效应影响，颗粒表面拖曳力系数呈减小趋势，换热过程也相应削弱；随颗粒与壁面距离减小，颗粒表面拖曳力系数相应减小，而颗粒与其周围气体的传热过程由于近壁效应呈增强趋势。

• 基于聚光太阳能电池冷却的微射流热沉传热性能数值研究

  常学鹏,孙健,毛春林,全俊威,杜海权,罗萍

  针对高倍聚光比下太阳能电池的热致失效问题，设计了一种带有回流结构的矩阵式微射流热沉。建立了热沉的三维物理和数学模型。并采用计算流体力学(CFD)软件对其进行了数值模拟，研究了回流通道数目、回流孔分布位置、射流高径比等因素对微射流热沉传热和流动特性及热有效性的影响。结果表明：在稳态条件下，回流孔数为49个结构的热沉性能比回流孔数为25个的热沉换热性能要好;当回流孔数目不变时，射流高径比(H/d)越小的热沉换热性能较好；被冷却表面平均温度随气体射流雷诺数增大而降低；系统压损随着射流雷诺数的增大不断增大；射流雷诺数大于5000以后，压损急剧增加。对于回流孔数为49的热沉，当运行参数4600≤Rea≤6663，换热面热流密度为4.22 W/cm2时，在不同的射流高径比下对比，H/d = 4时换热性能最好。

• 基于有限元方法的溴化锂降膜吸收传热传质的数值研究

  毛菲,高洪涛,余立东,宋玉超,洪嘉驹

  吸收器是吸收式制冷系统的重要部件。溴化锂溶液的降膜吸收是吸收器中最常见的传质传热形式之一。通过对溴化锂溶液在降膜吸收过程中传质和传热特性的分析,使用基于有限元法的COMSOL Multiphysics软件,建立了溴化锂溶液和水蒸汽降膜吸收的物理数学模型,计算了液膜内部温度和浓度的分布、界面处传质通量、界面处传热通量、传质传热速率和液相传质传热系数。根据计算结果分析了喷淋密度对平均传质通量、平均传热通量和平均传质传热系数的影响。结果表明：平均传质系数和平均传热系数均随着喷淋密度的增大而增大；平均传质通量和平均传热通量均随喷淋密度的增大而先增后减。

• 相变面积对平行环路热管性能影响的研究

  李浩鹏,郭佳超,曹宵瑜,田晓亮

  重力型环路热管作为一种高效的相变传热装置，其性能与运行时换热器的充注量及换热器倾斜角度密切相关。为了更深入研究在运行时充注量变化所引起的蒸发器、冷凝器实际相变换热面积的变化与换热器换热量、传热系数之间的关系，设计了一种蒸发器与冷凝器平行放置的新型热管系统。研究了在实际运行时相变实际换热面积与热管性能的关系。分析实验结果表明：蒸发器在固定角度下相变实际有效面积与换热量的函数关系呈单波峰，其波峰随着倾斜角的增加而向浸湿面积变小的方向移动。倾斜角度越大达到最佳换热效果所需的换热面积越小，但最大换热强度会减小。在热管进口温差固定时，倾斜角度大于45°才能较为有效的通过提升进口温度来提升换热量。在蒸发器未被完全浸润时，冷凝器换热量处于下降阶段，可以增加冷凝器管长来提升换热。在蒸发器被完全浸润时，增加冷凝器管长无法提升换热。蒸发器与冷凝器的传热系数与相变有效换热面积成线性下降关系，下降速率与角度近乎无关。

• 基于气象数据的家用太阳能热水系统利用优化方法研究

  何 江,蒙泳君,骆燕文,阮胜

  太阳能热水系统每天的太阳能制热水量及用户在不同季节天气中的热水需求量会不同，但家用太阳能热水系统的水箱容量都普遍偏大，在冬季或阴雨天使用辅助能源加热的整箱热水有剩余，造成辅助能源的浪费。本研究提出依据天气状况利用历年气象数据预测太阳能制热水量的方法，从而自动控制水箱水量来提高家用太阳能热水系统热利用效率。在自动控制器中录入各地区历年太阳辐射量数据库和各种太阳能热水系统的太阳能制热水量计算程序，用户可依据当天天气预报的天气状况使用自动控制器就能预测出当天的太阳辐射量可能加热的热水量，再根据自身的热水需求情况选择是否增加辅助能源热水量。此方法在满足用户使用需求的同时提高太阳能有效利用率，也避免浪费不必要的辅助能源。研究以太阳能资源较贫乏地区（Ⅳ区）的南宁市为例进行实验验证，结果可预测出当天太阳辐射制热水量，并能够控制热水出水温度与目标水温的偏差在5℃以内。

• 烟气驱动复叠式非共沸工质有机朗肯循环系统㶲分析

  鄢银连,张军,段远源,李健,葛众,袁志鹏,相华江,黄桂冬

  通过构建复叠式非共沸工质有机朗肯循环系统模型,并采用(火用)分析方法,研究了系统(火用)效率随工质摩尔组分的变化规律以及不同摩尔组分下,系统各部件(火用)损失分布情况。研究结果表明,受蒸发器泡点温度与高温级蒸发器夹点位置影响,当高温级循环工质环戊烷浓度为0.8,低温级循环工质异丁烷浓度为0.1时,系统(火用)效率取得最大值48.56%,比采用纯工质时相对提高了3.83%；且采用非共沸工质后,排烟损失、高温级蒸发器(火用)损失、低温级冷凝器(火用)损失均有显著降低。

• 稀土精矿冶炼炉窑的高温烟气资源化利用研究

  李博,戎旭,姚远,魏小林

  稀土精矿冶炼炉窑是稀土生产工艺的核心装备,会产生大量含氟酸性高温烟气,其中氟化物0.81%,硫酸雾1.06%,二氧化硫0.23%,同时温度达300℃以上,烟气余热丰富,烟气成分的复杂性和特殊性为余热及资源回收利用带来挑战。本文介绍一种新的稀土精矿冶炼炉窑的高温烟气余热利用技术及其现场中试情况。首先根据物质流、能量流守恒计算了烟气流量、温度、组分浓度以及余热量,分析了余热回收的可行性和技术难点；然后提出了新的烟气干法余热回收工艺,依据能源梯级利用原则,通过余热锅炉实现烟气分级降温和余热回收,同时回收高浓度冷凝酸并副产余热蒸汽；最后该工艺在稀土精矿冶炼炉窑系统进行了现场中试,采集并分析72小时中试数据,取得良好资源回收效果。

• CH4/air预混气体双层多孔介质燃烧特性数值模拟研究

  郑林,廖晓炜

  本文基于局部热平衡假设，定义了无量纲参数——火焰宽度比，在过量空气系数为1.2条件下，研究了CH4/air预混气体在双层多孔介质中浸没燃烧和表面燃烧的燃烧特性。结果表明：表面燃烧具有更高的烟气出口温度以及更高的火焰宽度比。浸没燃烧火焰轮廓类似抛物线，而表面燃烧的火焰宽度比则基本不变；入口速度不同时，距离着火面同一位置浸没燃烧火焰宽度基本保持不变，火焰轮廓仍类似于抛物线；而对于表面燃烧而言，相同位置的火焰宽度比在很小范围内呈现先增大后减小的变化规律。同时研究也表明表面燃烧具有更高的NOx排放，且随着速度的增加两种燃烧方式NOx排放变化规律一致，均呈现先增大后减小再增加的变化规律。在速度为1.1~1.2m/s左右时，两种燃烧方式NOx排放大致相当，这表明在不扩大污染的条件下，可以使用表面燃烧获得更多的对外辐射以节约能源。

• 船用直喷式天然气发动机喷射策略的优化

  李玉兰,王谦,黄英杰,芮璐,康佳明,靖海国

  为了探讨引燃柴油喷射时刻及其与天然气喷射时刻的间隔对高压直喷式天然气发动机燃烧性能的影响，从而优化喷射策略，本文利用CONVERGE软件，基于L23/30型船用天然气发动机，建立了双天然气喷嘴、双引燃柴油喷嘴的直喷天然气发动机的缸内过程CFD计算模型，计算了不同的柴油和天然喷射时刻下缸内燃烧和排放。结果表明，引燃柴油的喷射时刻及其与天然气喷射定时的间隔，对直喷式天然气发动机燃烧和排放性能有重要影响，当喷射时刻为-25°CA ATDC时，发动机具有较高的缸内爆发压力且排放性能良好。在引燃柴油和天然气喷射间隔为16°CA时，可获得最高的缸内爆发压力，此时soot排放降低了22%。

• 基于RVM-ANFIS的燃气轮机气路故障诊断

  涂雷,茅大钧,臧旭东,李光

  为了提高燃气轮机气路故障诊断的准确率和效率，本文采用相关向量机（RVM）先对燃气轮机气路中的压气机、涡轮叶片和燃烧室进行故障划分。用自适应神经模糊推理系统（ANFIS）进一步对故障进行分类。实验结果表明，本文方法有很强的学习能力和特征提取能力，与支持向量机（SVM）、BP神经网络相比，能更加准确、快速地识别故障。

• 温度-浓度耦合变量下甲烷吸收谱线关联分析

  段卜月,李栋,王迪,吕妍,王明吉,王志国

  采用可调谐激光吸收光谱技术对甲烷浓度进行检测时，由于测量环境温度变化导致气体吸收谱线线强发生变化，将对测量结果造成不可避免的影响。基于直接吸收光谱法分析不同浓度甲烷（1%~15%）在温度290~350 K范围内吸收谱线特性变化规律，采用多项式回归和共享参数全局线性拟合得到温度-浓度耦合变量甲烷光谱吸光度关联式。结果表明：相同温度下，甲烷光谱吸光度A随浓度升高而增大；相同浓度下，由于总配分函数比值rQ在甲烷吸收光谱线强随温度变化过程中占据主导作用，rQ随温度增大的线性降低使得甲烷线强随温度升高而减小；在甲烷浓度1%~15%，测量温度290~350 K范围内，温度-浓度耦合变量甲烷光谱吸光度关联式的反演结果相对误差小于1%。

• 土壤热湿传递下的直埋电缆载流量数值计算

  吕洪坤,冯彦皓,吴宇豪,汪明军,应明良,俞自涛

  针对土壤热湿过程对直埋电缆载流量的影响，修正土壤热湿耦合模型，联合MAXWELL方程组，建立电磁-热湿三场耦合模型。利用三场耦合模型和COMSOL Multiphysics软件按正交法计算不同敷设土壤类型、干密度和粒径下的YJV22 0.6/1 3×6直埋电缆载流量。通过对比正交计算结果的最大、最小载流量组的磁通密度、发热量、温度分布、含水率分布等，发现大载流量组的缆芯发热量较高，但电缆外表皮温度较低，使得直埋电缆内部热流密度较大，同时电缆周围土壤的导热系数和含水率较高，发生的湿分运移和相变较为微弱，使得缆芯的热量及时被导出。土壤中的湿分运移和相变对于直埋电缆的载流量有一定提升作用。