热科学与技术杂志

热科学与技术杂志2023年第4期

• 碱金属钾对高碱煤灰熔融特性影响研究

  黄治军

  为研究碱金属钾对高碱煤灰熔融特性的影响，将不同质量分数的K2SO4添加到制备的煤灰中进行灰熔融特性分析，并使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)对煤灰微观形貌及其矿物质演变规律进行了研究，结果表明：随着K2SO4添加量的增加，煤灰熔融温度先降后升，体积液相收缩率先升后降，两者相互印证，K2SO4的加入在一定范围内加剧了煤灰熔融性，超过这一范围时会减弱其熔融性。随着温度的升高，添加K2SO4的煤灰由红色变为棕黑色，同时发生烧结，当温度高于1250 ℃时，煤灰由固相逐渐变为液相。煤灰中加入K2SO4份额逐渐增高时，高熔点的石英、莫来石、钙长石等不断减少，产生了白榴石、钾霞石等矿物质形成的低温共熔体，从而降低了灰熔点，加剧液相的形成甚至形成致密烧结体。

• 气体扩散层结构对PEMFC性能影响二维数值模拟

  李姣,郭航,叶芳

  质子交换膜燃料电池在运行过程中反应物从流道传输至催化层时会经过气体扩散层,气体扩散层即可用来传输反应气体,又用来排出反应物生成的水,所以探究气体扩散层的结构对参加反应的物质及生成物传输的影响规律有助于了解其分布情况。通过数值模拟比较了穿孔型、树状型和不规则形状气体扩散层在不同孔隙率下顺流流动时对电池性能的影响情况。计算结果表明,气体扩散层结构严重影响质子交换膜燃料电池性能,三种不同形状的气体扩散层对应的电性能随孔隙率的变化规律各不相同,到达催化层表面氧气的含量受扩散层结构影响比氢气大,气体扩散层结构对阴极侧生成物水含量的影响不可忽略。

• 平行流热管管内流动与传热的数值模拟研究

  沈超,王竹萱,刘玉娟,张东伟,杨建中

  为研究平行流热管的工作机理，本文基于Fluent软件中的VOF模型编写了蒸发冷凝相变的UDF程序，对不同功率下平行流热管管内两相流动和传热过程进行了数值模拟研究。模拟结果显示了初始阶段平行流热管管内的气液分布，启动阶段管内包括泡状流、弹状流、环状流等复杂流型的转变过程，稳定工作阶段工质在各并联管路中互激振荡流动。在高加热功率下，管内工质的互激振荡流动更为剧烈，热量输送距离更远。研究结果为平行流热管换热器的优化设计提供了参考依据。

• 基于双光程法液体分频PV/T系统分频液性能分析

  黄惠兰,王东林,李刚,黄丽妍,何欣瑜

  液体分频型PV/T系统总效率包含分频液集热效率和光伏电池发电效率。分频光谱对于光伏电池响应波段的匹配程度和分频液在不同波段的透过率是关键影响因素，直接导致分频液的集热效果、电池板温度及到达电池板的光谱发生改变，从而影响系统性能。然而当前关于分频液分频性能研究测试结果的数据差异较大，大部分文献没有解决比色皿等容器的误差问题。为提高液体分频型PV/T系统性能，利用分光光度计测量多种液体不同样本厚度的透过率，采用双光程测量方法去除比色皿误差，以获取分频液较精准的透过率，同时考察分频液对镓铟磷电池的响应。研究结果表明：200~1 020 nm，水与丙三醇的平均光谱透过率最大，但分频性能不佳；丙三醇作为分频液时镓铟磷电池平均光电转换率最高；硫酸铜溶液的分频性能较好，且与镓铟磷电池的匹配度最好。研究结果可为液体分频型PV/T系统分频液的选取提供可靠理论依据。

• 烟道气对稠油油藏理化性质影响特性研究

  宫宇宁,樊栓狮,王燕鸿,郎雪梅

  在稠油原位燃烧开采过程中,会产生大量含有氮气、二氧化碳和少量氧气的烟道气。烟道气渗透进入未燃烧区与稠油混合,不仅会降低稠油的黏度还会对油品产生影响。研究了不同温度下烟道气(N2+CO2+O2)对辽河齐-40区块稠油改性作用。利用气相色谱、红外光谱、热重分析了烟道气对原油理化性能的改性机理。结果表明,烟道气对稠油具有增容降黏的作用,随温度的升高,烟道气在稠油中的溶 解 度 先 增 加 后 降低,体积因子则受溶解度和热的双重作用随温度的升高而增加;在100℃时降黏率最大,为9.84%。由于烟道气中少量的残余氧,会与稠油发生低温氧化作用,因此会增加稠油中沥青质含量,造成最终结焦量 由 原 本 的5%增加至14%。该结果为现场稠油火驱方案设计提供技术依据。

• 2-丁烯简化机理构建及路径分析

  李法社,林守龙

  2-丁烯是石油裂解的产物之一,也是大分子组分燃料燃烧的中间产物,在化工及燃烧领域起着至关重要的作用。以点火延迟时间和重要组分为简化目标,交叉使用直接关系图法(directedrelationgraphmethod,DRG)类算法对其详细机理进行简化,得到了包含71种组分和430步基元反应的简化机理。以 层 流 火 焰 速度、组分摩尔分数等参数为基础,对简化机理进行了误差分析,并通过对比点火延迟实验数据,发现简化机理和实际有很好的吻合,验证了简化机理的有效性。最后结合敏感度分析,得到了2-丁烯的基本反应路径。

• 陶瓷基点阵夹芯结构等效导热系数的数值模拟分析

  刘波,周运金

  为了评价陶瓷基点阵夹芯结构的热防护效能，选取陶瓷点阵夹芯结构的胞元作为研究对象，给出了表征其传热效能的等效导热系数计算方法。建立了点阵夹芯结构胞元的导热-辐射稳态耦合传热的有限元模型，通过对模型施加不同的边界条件，利用数值模拟的方法求出了点阵夹芯结构稳态温度场分布和等效导热系数，并对其换热机理和影响因素进行了分析。研究表明：点阵夹芯结构的辐射换热是结构热传导的主要方式，且随温度的升高其作用效应就越强；相对较小的材料发射率和较大的芯杆高度能够降低结构的传热效能；减小芯杆直径会降低结构热防护能力；芯杆倾角对结构的热防护性能影响较小。

• 汽-汽再热器内流动与换热特性数值研究

  张志业,王文飚,柯展煌,谭锐,殷戈,姜燕妮

  为了揭示汽-汽再热器的换热特性，本文首次通过三维数值模拟的方法对汽-汽再热器内的流动、换热及熵产特性进行了研究。结果显示，当高温蒸汽流速较小时，高温蒸汽侧进口处的温度梯度较大，而低温蒸汽侧出口处的温度变化不明显；随着高温蒸汽流速增大，高温蒸汽沿流程的温度梯度逐渐减小，低温蒸汽出口平均温度逐渐增大，同时换热器内局部熵产值逐渐增大；随着管壳式换热器隔板数的增加，低温蒸汽出口平均温度逐渐增大，但增幅逐渐减小。

• 多片平板微热管阵列运行特性

  吕晏,徐荣吉＊,李晓娜,吴青平,王瑞祥

  将多片平板微热管阵列进行堆叠可以提高传热量。实验研究了不同叠加片数下平板微热管阵列在不同加热功率下的热阻、传热极限、温度分布及变化规律、不同层热管传热等运行特性。实验表明，随热管片数增加，热管整体的传热量增加，最大传热量由单片的60W提升至5片的180W；传热热阻降低，最小传热热阻由单片的1.09℃/W下降为5片的0.24℃/W。而且，随着片数增加，热管间的传热热阻开始影响多片平板微热管阵列的整体运行：外侧热管的传热量高于内侧热管，热阻低于内侧热管，且当片数为4片及以上时，热管整体性能提升会越来越不明显。在相同的加热功率下，多片平板微热管阵列的外侧蒸发段、外侧冷凝段和内侧蒸发段温度均随片数增加而降低，但内侧冷凝段温度先升高后降低。最理想的热管叠加片数为3-4片。

• 长距离环路热管传热性能实验研究

  张华倩,崔晓钰,谢荣建

  基于航空航天等领域对环路热管长距离传热的需求，设计制造了一套传热距离8.1m的圆柱型蒸发器环路热管，试验了不同加热功率、不同冷凝温度下该环路热管的启动和变工况运行性能，并对其热阻及最大传热能力进行了分析。研究结果表明：当其他条件一致、初始气液分布相同和不同时，加热功率由100W增大至160W后，本研究中的环路热管启动时间和启动温升均发生一定程度的下降；加热功率100W时，冷凝温度由10℃降低至-10℃使得环路热管启动时间增加，加热功率160W时，冷凝温度由10℃降至-10℃对环路热管的启动时间影响不大。在冷凝温度0℃下，该环路热管在100~500W范围内均能稳定运行，且200W时环路热管传热效率最高，传热温差最小，稳定运行温度最低；另外，由于系统传输距离较长，每个工况达到稳定所需要的时间也较长，分布于1000至3500S内。随着加热功率的增大，环路热管热阻先减小后逐渐增大，该环路热管传热热阻最大不超过0.09℃/W，最小为0.024℃/W；随着传热距离的增大，管路的热损失增加，总压降和热阻也变大。当传热距离基本相同时，蒸发器容积的大小、冷凝器的冷凝能力及气液管线的布置形状均在一定程度上影响环路热管的最大传热能力。

• 基于热性能的相变混凝土复合自保温砌块的优化设计

  隋学敏,黄立平,徐 彪,杜泽政,张展鹏

  为提高混凝土复合自保温砌块的热工性能,将相变材料填充到砌块中,形成相变自保温砌块。设计了五种相变自保温砌块,采用 ANSYS软件模拟分析不同方案的保温性能,得到最优砌块块型。在此基础上,以西安地区夏季某朝南房间为研究对象,采用 EnergyPlus软件对相变砌块房间展开热环境模拟,研究不同相变温度及相变材料安装位置对室内热环境的影响,探究最优相变层位置及最优相变温度。研究结果表明:孔型为三排交错排列的砌块为最优砌块,其砌筑墙体传热系数为0.439W/(m2·K);夏 季 初 始 室 外 气 温 中 温 时段、中间高温时段以及末期低温时段的最优相变温度分别为24.00、30.00及28.00℃。整个夏季的最优相变温度为26.00~28.00℃,最优相变层位置为砌块内侧孔。对于整个夏季,相变材料安装位置对室内温度的影响高于相变温度的影响,优化设计时应重点考虑。

• 中深层地热Ｕ型井地埋管换热器的试验研究

  李振兴

  地热能作为一种非碳基能源,具有储量丰富、清洁可再生等特点,开发利用地热能有助于碳达峰的实现。在中深层地源热泵领域,我国主要以单井同轴管为主,而相对高效的中深层地热U型井地埋管案例屈指可数。为了了解中深层地热U型井地埋管换热性能及井下换热参数变化,完成了新型的Ｕ型井地埋管换热器工程,并在此基础上进行了实验研究。首先,开展了地温测量,确定了研究区的地层温度,根据热储的物性条件选取了水平井段及对接位置；其次,分析空载循环试验工况下循环水的流量及井下温度的变化情况,研究了负载工况下供回水温度、流量、换热量、不同井段对换热的贡献率、井下温度的动态变化、U型井的恢复能力等因素。实验结果表明,中深层Ｕ型井地埋管换热器井底温度会随运行时间增长而降低,流量大且回水温度较低的情况下,换热器的换热量比较高,最高为1336.8kW；回水井对换热量的增加有限,每百米增加0.12℃,实际工程中可以考虑减小口径,降低建设费用。U型井地埋管换热器的地温恢复能力较强,停止运行24h左右井底温度与初始温度差为-13℃。研究结果有助于研究人员对中深层Ｕ型井地埋管换热器有更进一步的认识,从而推动中深层地热能的健康可持续发展。

• 基于数值模拟的电助熔炉电阻计算研究

  吴蔚

  电助熔炉采用电极直接对物料加热，广泛应用于玻璃生产、冶金、固废处理领域，炉内电阻设计是电极助熔炉设计的关键指标。采用数值模拟方法，在二维电阻计算公式的基础上，分析浆液深度与宽度约束对电阻的影响，计算三维三相三电极底插熔融炉的电阻，修正了现有的电阻计算公式。针对熔融炉实验平台，对比实验结果、数值模拟结果、修正公式计算结果，验证该公式的可靠性。结果表明，利用修正公式计算的电阻与实验值相比相对偏差为4.43%，对比数值模拟结果的相对偏差3.51%，但节约了计算时间，该公式可用于指导工程设计。