热科学与技术杂志

热科学与技术杂志2023年第6期

• 跨临界CO2内部过冷增压制冷系统高级?分析

  杨俊兰,白杨,姬旭,李金芮

  为了进一步认识系统的不可逆能量损失, 采用高级火用分析方法应用于跨临界 CO2 内部过冷增压制冷系统, 以室外环境温度15 .0 和30.0 ℃ 为例进行计算。 结果表明, 可避免火用损失最主要的部件是高压级压缩机, 其次是气体冷却器, 优化的重点应放在这些可避免火用损失占比较大的部件上; 对于整个系统而言, 系统火用损的绝大部分是可以避免、 内因性的, 说明系统大部分的不可逆性可以通过优化部件本身来降低。

• 基于热管散热的串联式两级热电制冷器制冷性能综合分析

  陈赵军,孟凡凯,徐辰欣,江帆,谢志辉

  针对基于热管散热的串联式两级热电制冷器，建立了有限时间热力学模型。通过热阻分析的方法建立了热电制冷器的一维热阻网络图并给出了冷热端热阻的具体计算方法。以制冷率、制冷系数、热力学完善度和极限制冷温差为性能指标，用数值算例的方法研究了工作电流、热电单元分配比、热电单元横截面积、热电单元长度、热管几何参数(冷凝段长度和管芯厚度)和制冷温差等关键参数对热电制冷器综合性能的影响规律。

• 基于主动平衡的喷射式制冷系统实验研究

  尹智超,吕金升,奚修智,张博

  针对空调系统用电占比上升，喷射式制冷系统成为压缩式制冷系统有前景的替代方案。但是传统喷射式制冷系统由于泵的存在，降低了系统的COP和稳定性还会带来汽蚀和密封失效等问题。针对传统系统的不足本文设计开发了以R245fa为工质的主动平衡喷射式制冷系统，进一步简化系统结构提升系统能效。实验研究了主动平衡系统发生压力、冷凝压力、蒸发压力的变化规律以及储液罐热容等参数对系统运行及能效的影响。结果表明：主动平衡系统发生压力、冷凝压力、蒸发压力随时间周期性波动；参数周期性骤变后能迅速恢复正常，喷射器能在实验周期性波动工况下能维持稳定运行；冷凝储液罐热容对系统能效有不利影响；使用主动平衡系统能够节省泵功，系统COP有所提升，性能优于传统喷射式制冷系统。

• 300MW汽轮机组供热改造?分析优化研究

  李志龙,王文焕,翟黎明,谭锐,戴晓业,史琳

  针对亚临界凝汽式发电机组热效率低、热经济性差的问题，考虑采用抽汽供热的方式实现原机组的热电联供。建立了基于热平衡法的热力学模型计算了非供热工况、主蒸汽减温减压供热工况、背压机供热工况和一抽供热工况的热经济性指标，并从能量品位的角度出发，定量计算不同抽汽供热工况下组元系统的?效率及?损失分布。结果表明：供热改造能有效提高系统的热效率，相比于主蒸汽减温减压供热方案和背压机供热方案，一抽供热方案的?效率更高，且汽轮机组非满负荷运行时会造成更大的?损失。对比不同抽汽供热方案，有助于结合实际情况调整机组的抽汽供热工况，提升其节能潜力。

• 大叶黄杨废弃物光合生物制氢工艺参数优化研究

  岳田,张全国,蒋丹萍,夏晨曦,张志萍,李亚猛,朱胜楠

  以产氢量为主要考察指标, 通过响应面 Box-Behnken 模型优化大叶黄杨废弃物光合生物制氢的工艺参数, 对其主要影响因素之间的关系进行研究。 结果表明: 温度对大叶黄杨废弃物光合生物制氢工艺的影响最大; 光照强度与初始pH 值、 温度等的交互作用均对产氢量的影响比较显著; 最佳产氢工艺条件为温度28.78 ℃ 、 初始pH 值7.00、 光照强度3 067.0lx, 此时拟合产氢量为71 .81 mL/g, 实际产氢量为70.15 mL/g;拟合值和实际值的相对误差为2.31 % , 表明该数值模型具有较好的拟合性。

• 生物质颗粒燃烧特性的数值模拟及实验研究

  赵嵩颖,徐建光,樊洪仁,陈雷

  基于ICEM 软件对燃烧室进行二维建模和结构化网格划分, 并应用 FLUENT 软件对玉米秸秆、 棉秆、木屑和稻秆4 种生物质颗粒在燃烧室中进行燃烧仿真模拟, 与煤粉燃烧进行对比。 对比分析5 种燃料燃烧时, 燃烧室内不同位置中心截面的温度、O2 、CO2 和 NOx 质量分数的变化曲线, 同时分别对5 种燃料做单独燃烧实验, 结合对比分析结果将4 种生物质颗粒分别和煤粉按照5 .00% 、10.00% 、15 .00% 、20.00% 的质量掺混比做混烧实验。 研究结果表明,5 种燃料中, 煤粉在燃烧室中心截面上的温度最高, 且最高温度比4 种生物质颗粒高600 K 以上, 但生物质颗粒的温度分布均匀程度均优于煤粉; 煤粉燃烧产生的 NOx 含量最高达到2.00% , 而生物质颗粒产生的 NOx 含量基本为0.00% , 且生物质颗粒的燃烧特性受一次风速、 一次风温及自身含水率的影响较大;5 种燃料燃烧时燃烧室最高温度的模拟值均高于实验值, 但误差均小于20.0% ,4 种生物质颗粒与煤粉混合燃烧的质量掺混比不宜超过15 .00% , 当质量掺混比为15 .00% 时, 燃烧室的最高温度比单独燃煤时降低150 K, 但最大 NOx 质量分数能降低44% 。

• 生物质基础组分化学链燃烧特性实验研究

  穆林

  在间歇式小型流化床上, 以天然铁矿石为载氧体, 实验研究了木质素、 纤维素、 壳聚糖3 种常见生物质基础组分的化学链燃烧特性。 主要考察了组分性质和反应温度对载氧体微观形貌及成分变化等影响特性, 以及气相产物生成、碳转化率、碳捕集率和碳转化速率变化规律。 结果表明, 提高反应温度会使气相产物被载氧体进一步氧化从而释放更多热量, 但也导致载氧体出现一定程度的烧结和熔融的现象, 从而抑制载氧体的反应活性。 在不同反应温度下3 种组分的碳捕集率排序为:f (木质素) >f (壳聚糖) >f ( 纤维素) 。 当反应温度提高到950 ℃ ,3 种生物质基础组分的碳捕集率和碳转化率均得到了提高。 其中木质素的化学链燃烧效果最好,碳捕集率达到了90.58% , 基本实现了碳元素的完全反应, 明显优于壳聚糖的80.86 % 和纤维素的66 .98% 。

• 稻秸秆气化过程中碱金属K的迁移释放特性

  刘洋,黄亚继,李海洋,刘凌沁,杨晓域,张臻荣

  生物质的广泛利用减缓了环境恶化, 但其较高的碱金属含量会导致气化过程中碱金属的析出, 从而引起受热面高温腐蚀、 细颗粒排放污染, 研究碱金属的释放及赋存形态的转化有助于解决问题。 在小型流化床上进行变工况气化实验, 将稻壳原样和气化飞灰进行化学分馏以测定各形态 K 元素的含量, 探究温度和气化当量比对 K 元素的迁移释放的影响。 研究发现温度的升高和气化当量比的增加都会促使 K 元素的气相释放比例增加, 水溶态的含量减少, 且温度对于 K 元素的迁移释放的影响比气化当量比更显著。

• 造纸污泥与煤掺混燃烧特性及其动力学行为

  方诗雯,林延,丁力行,陈姝

  通过热失重实验和分布式活化能模型方法, 研究20.00% 氧气/80.00% 氮气的燃烧气氛下, 造纸污泥在10、20 和40 ℃/min 3 个升温速率下的燃烧特性和动力学参数, 以及40 ℃/min 升温速率下造纸污泥与褐煤/烟煤在不同掺混比下的燃烧特性和动力学参数。 研究结果显示: 随着升温速率的不断增加, 造纸污泥的失重速率、 综合燃烧指数和活化能也随之不断增加, 表明燃烧在高升温速率下变得剧烈, 且提高升温速率对燃烧具有改善作用; 随着提高褐煤/烟煤的掺混比, 燃烧特性不断向褐煤/烟煤靠近; 随着褐煤掺混比的增加, 混样的综合燃烧指数先增加后减小再增加, 活化能则呈现波浪性变动, 且70.00% 的造纸污泥与30.00% 的褐煤为最佳掺混比; 随着烟煤掺混比的增加, 综合燃烧指数先增加后减小, 在掺混比各占一半时达到最大值(5 .955 ×10-7 min-2 · ℃ -3 ) , 活化能从202.70 不断增加至247.99 kJ/mol。 对于造纸污泥掺混煤燃烧的无害化、 资源化利用方式中, 褐煤的掺混比烟煤的掺混从燃烧特性以及动力学特性方面而言更具有优势。

• 不同温度下URFC模式切换中两相流及电压响应

  刘佳兴,郭航,叶芳

  通过实验得到了一体式再生燃料电池(unitized regenerativefuel cell, URFC) 模式切换过程中电池内部的两相流观测可视化结果以及同步电压动态变化情况, 讨论了温度影响下燃料电池和电解池模式切换过程中的两相流动规律以及同步电池电压的变化规律。 实验结果显示: 当电解池直接切换到燃料电池模式时,由于水淹的影响, 电池电压接近0.0 V, 同时受温度影响不大; 当电池在运行不供水电解模式下120.00 s 后切换时, 电池能够在高温状态下切换至燃料电池模式, 且温度较高时氧气侧水淹较弱。 燃料电池向电解池模式切换时, 温度和电流密度的高低同样会影响电解模式下的性能稳定性。

• 波动加热下微通道流动沸腾的格子Boltzmann模拟

  陈玉,林涛,李志松,全晓军

  为研究通道内的流型演变, 采用单组分多相格子玻尔兹曼模型模拟波动加热下二维微通道内的流动沸腾。 通过速度分析解与半经验公式分别验证模型流场和温度场的准确性。 探究雷诺数(4.5 ≤Re ≤9 .0) 和温度分布(0.01 ≤A≤0.03) 对传热和流型的影响, 分析薄液膜和温度梯度的作用机制, 揭示微通道流动沸腾的传热机理。 模拟结果表明通道内流型将从泡状流、 塞状流, 变成拉长气泡流、 环状流。 雷诺数减小时, 气液相变速率加快、 薄液膜厚度减小, 进而增强换热。 随着雷诺数减小, 加热壁面上热流密度的峰值点向上游转移。 马兰戈尼对流( Marangoni convection) 的出现导致薄液膜厚度增加, 从而换热效果随着温度分布波动性的增大而受到削弱。

• 超疏水沟槽表面减阻特性数值模拟研究

  毛可,白敏丽,姜洪鹏,王晨飞,吕继组

  沟槽结构和超疏水壁面可有效减小湍流流动阻力。 针对鲨鱼游动时表皮分泌黏液对鲨鱼表皮润湿性的影响, 提出并研究具有更高减阻效果的超疏水沟槽结构。 采用雷诺时均法和大涡模拟分别分析两种沟槽结构的减阻效果和机理。 结果表明: 未经疏水处理的刀刃形和锯齿形沟槽表面, 减阻效果最高分别可达9 .52%及13.70% , 经超疏水处理后, 减阻效果最高可达58. 00% 和63. 00% , 其更小的湍流涡团及脉动是进一步减阻原因。

• 基于FLUENT的功率控制器IGBT模块散热设计及仿真分析

  李洋,周淑霞,乔瑞峰,陆海程

  IGBT 模块作为新能源电动汽车功率控制器的核心器件, 其散热效果对汽车的可靠性、 安全性有重要的意义。 以富士电机7MBR15NF120 型IGBT 模块为研究对象, 针对高压、 大电流和高功率的功率控制器关键模块发热源情况设计了两种功率控制器散热方式。 利用SOLIDWORKS 软件进行建模, 通过 ANSYS 仿真软件 FLUENT 模块进行温度场和流场的耦合计算, 根据理论计算与仿真实验结果, 对功率控制器的功率损耗和散热器的传热能力进行分析。 结果表明:S 形结构散热器模块最高温度为117.00 ℃ ,IGBT 芯片最低温度为90.20 ℃ , 芯片均温为93.20 ℃ ; 叉排形结构散热器模块整体最高温度为133.00 ℃ ,IGBT 芯片最低温度为101 .00 ℃ , 芯片均温为116 .50 ℃ 。 S 形结构流道的平均流速为3.600 m/s, 叉排形结构流道的平均流速为1 .300 m/s。 S 形结构散热器比叉排形结构散热器的散热效果好, 更好地保证功率控制器的正常工作, 提高功率控制器的可靠性。