热科学与技术杂志

热科学与技术杂志2024年第3期

• CO2氢化合成低碳烯烃反应流程熵产率最小化

  于亚杰,夏少军,赵明

  CO2氢化合成低碳烯烃是一种非石油原料合成烯烃路径，具有广阔的应用前景。以有限时间热力学理论为基础，对包含混合器、压缩机、换热器与CO2氢化合成低碳烯烃反应器的反应流程进行建模及优化。在压缩机效率和癸烯（C10H20）产率均给定以及换热器与反应器热源温度完全可控的条件下，以整个流程的熵产率最小为优化目标，对流程最小熵产率及换热器与反应器的热源温度分布最优构型进行数值求解，并将最优流程与反应器熵产率最小对应流程进行对比。结果表明：通过优化使反应流程熵产率相比参考反应流程下降7.77%；在优化范围内，选取较低的换热器出口温度、适当提高H2摩尔分数与降低CO2摩尔分数可以降低反应流程的熵产率。研究结果对CO2氢化合成低碳烯烃反应流程最优设计具有一定理论指导意义。

• 多目标条件下西北寒冷地区乡村住宅优化设计模式构建研究

  邵腾,郑武幸,张锟

  乡村住宅节能是城乡建设领域实现节能减排的重要途径之一，但在追求能耗降低的同时会出现舒适性降低、投资成本增加等衍生问题，因此需要考虑多目标条件下的建筑设计模式研究。基于MOBO优化软件、NSGA-II优化算法、EnergyPlus模拟引擎和多属性决策方法，建立多目标优化导向的建筑设计模式构建流程及方法。并以西北寒冷地区乡村住宅为例进行应用分析，选择建筑能耗、室内热舒适性和投资成本作为优化目标，建筑形态参数、围护结构参数和室内热环境参数作为优化变量，最终得出兼顾不同目标导向需求的优化设计模式及技术模板。结果表明：全局综合性能最优方案的建筑节能率为54.0%、APPD提升率为57.6%、初投资成本增额182.4元/㎡，与单目标优化得出的解相比，多目标优化能够通过权衡不同目标性能之间的矛盾得出更具可行性的方案，可为西北寒冷地区乡村住宅优化设计提供参考。

• 无油螺杆空压机余热ORC回收系统运行特性研究

  谢晓煜,田素根,刘广彬

  针对无油螺杆空压机排气的实际工况，利用ORC发电系统对其进行余热回收。建立了涡旋膨胀机及 ORC系统数学模型，耦合膨胀机变工况运行特性，分析了空压机排气压力、环境温度对膨胀机及系统性能的影响。结果表明：涡旋膨胀机在环境温度较低或空压机排气压力较高时发生欠膨胀，相反则发生过膨胀现象。排气压力升高，膨胀机的膨胀比增大，指示效率先增大后减小。ORC系统净功率、热效率与余热回收率随着排气压力的增大而增大，随着环境温度的升高而减小，系统净效率与余热回收率最高值为7.02kW与5.44%。低环境温度、高排气压力时系统热经济性优势明显。

• 孔洞分布形式对部分PCM填充轻质墙体的传热影响

  孟凡康

  为了优化孔洞分布形式，提高部分填充PCM轻质墙体的传热性能。在相同的孔洞率条件下，以4种孔洞分布形式部分PCM填充的多孔砖为研究对象，构建自然对流与相变导热耦合传热模型，采用数值模拟方法分析讨论了周期性边界条件下不同孔洞分布形式对墙体内外壁面温度、热流密度、融化液相分数等参数的影响。获得具体结论如下：4种形式的墙体均具有消减室外温度振幅和延迟作用；随着孔洞分散程度的减小，内外表面平均温度振幅、平均温度延迟及内表面平均热流密度振幅越大，内外表面平均热流密度、外表面平均热流密度振幅及PCM液相分数越小；相比其他形式，孔洞分散程度最小的Case2形式，内表面平均温度下降0.14~0.5K，内表面平均热流密度下降1.24~4.29 W·m-2，PCM平均液相分数下降0.024~0.114，具有更好的传热性能；靠近室外侧孔洞内空气的流动方向随时间发生变化，而靠近室内侧保持不变；部分PCM填充轻质墙体几何结构优化设计应考虑孔洞的分布形式对传热性能的影响。

• 火电机组凝结水系统在线跟踪仿真研究

  杨晨,王晓升,唐陈,黄尚龙

  为了研究凝结水系统跟踪仿真系统的问题，首先在MMS仿真平台中建立了凝结水系统的动态模型，然后对影响跟踪变量的模型参数进行敏感性分析，确定在线跟踪机制的控制变量为除氧器压力和各加热器壳侧压力，最后设计基于PI控制算法的在线跟踪仿真系统。通过调节所设计PI控制器的参数，实现对除氧器和各加热器壳侧压力的精确快速跟踪。结果表明，通过选取合适PI控制器参数，所设计的凝结水在线跟踪仿真系统能够有效实现除氧器和各加热器壳侧压力对抛物线形和阶梯形信号的跟踪。

• 数据中心用并联水冷散热器流量分配研究

  李雪强,江涛,张鑫宇,张柱,刘圣春,王雅博,诸凯

  为了解决数据中心并联水冷散热器的流量分配问题，本文建立了并联U型槽道水冷散热器的物理模型，研究了流量、支管间距、支管数量等因素下使流量达到均匀分配的最佳（小）孔径比。结果表明：增大孔径比有助于各支路流量达到均匀；当孔径比为3.2时，可以使总流量为1.5 L/min-7.5 L/min之间的各支路达到流量均匀分配的效果。同时重力对数据中心用并联水冷散热器的流量分配没有明显的影响。此外，支管的间距也会对流量均匀分配产生一定的影响，当孔径比为1.2时，支管间距为150 mm左右时流量不均匀系数的极差最小，且随着流量的增大，流量分配越不均匀。随着支管数量的增大，使流量达到均匀分配的最佳（小）孔径比亦随之增大。当支管间距为150 mm，支管数量为5，10和15时分别对应的最佳孔径比为3.2，5和6；最后本文将最佳孔径比与支管间距拟合成公式以便于工程实际应用。

• 燃料棒束辐照装置试验段流动传热特性数值模拟研究

  金帅,张亮,杨文华,李国云,孙胜,赵文斌,和佳鑫

  为研究试验段内冷却水温度的均匀性，以及热电偶的测量温度是否能代表试验段的出口的温度，故本文对辐照装置试验段的流动传热特性开展数值模拟研究。本文首先计算试验段流量与压差之间的关系，并通过试验数据进行验证，保证了所选取湍流模型的可靠性。接着分析雷诺数对试验段流动传热特性的影响，通过选取试验段主要位置的截面，计算对应截面的温度不均匀系数和最大温差，在此基础上研究雷诺数对温度场均匀化程度的影响。结果表明，所选取的湍流模型可以很好的预测试验段的流量和压差的关系；随着雷诺数的增加试验段的传热特性发生了明显改变，流动特性变化并不明显；试验段的结构可以明显改善冷却水的不均匀化程度；热电偶的所测得的平均温度与试验段出口的平均温度的差值的数量级在10-2，说明热电偶的布置是合理的。

• 660MW火电机组抽汽海水淡化能耗分析

  周士鹤

  针对660MW凝汽机组与带有热力蒸汽压缩器的低温多效蒸发海水淡化系统相结合的水电联产系统，基于能量守恒和质量守恒原理，以及机组的变工况运行规律，对系统能耗及变负荷规律进行了计算，分析了抽汽量、发电负荷、进汽量、抽汽参数对煤耗、发电量以及造水能耗的影响。计算结果显示：发电负荷一定时，抽汽净煤耗量随抽汽量的增加而增加，呈上凸形状；当进汽量为40%时，降低的发电负荷随着抽汽量的增加而增加，呈现明显的上凸抛物线形状，即单位抽汽的降负荷能力随着抽汽量的增加而逐渐降低。相同发电负荷下，随着抽汽量的增加，因抽汽压力变化造成海水淡化装置的造水比有所下降；而相同抽汽量条件下，发电负荷越高，海水淡化装置的造水比越高。

• 太阳能驱动甲烷干重整热化学性能分析

  刘 朋,孙嘉明,蒋怡晨,陈海军

  采用Fluent软件耦合导热、对流、辐射以及反应动力学,建立了太阳能驱动甲烷干重整数值模型,研究了泡沫金属反应器内部甲烷干重整的热化学反应特性。计算得到了反应器内部温度场分布和各组分浓度分布,获得了进气流速和CH4/CO2比对反应物转化率、产物产率、积碳量和H2/CO比的影响。结果表明：集中的太阳辐射在反应器前端形成一个高温核心区,重整反应在该区域最为活跃。反应物浓度沿反应器轴线方向迅速降低,产物浓度沿反应器轴线方向迅速上升。在一定范围内增大进气流速,能够提高H2产率,虽然CH4和CO2转化率有所降低,但能有效的抑制积碳的生成,且能提高H2/CO比。较低的CH4/CO2比能够提高CH4转化率,且能有效的抑制积碳的生成,H2产率在CH4/CO2比为2/3时达到最大值56%。

• CSNS中子散射高温炉标定与优化研究

  张纯纯,胡海韬,段钰锋,袁宝,白波,黄志强,王光,李海洋,程辉,林权,童欣

  介绍了中国散裂中子源(CSNS)一期1000 ℃中子散射金属箔元件高温炉的加热结构、温度测试结果与优化方案。温度测试结果显示控制点与样品点存在温差, 控温过程存在温度过冲问题。通过对控制点与样品点进行温度标定，获得温度标定曲线与公式，实现了控制点温度与样品温度的良好一致性，最大控温误差由60 ℃减少至20 ℃；通过升温降温测试，调节控温参数与控温点，减少了样品点的温度过冲，缩短了大量加热及平衡耗时，提高了实验效率。

• 冶金加热炉燃料分级低NOx燃烧器燃烧特性数值分析

  贾永勤,郝兆龙,邢玉明

  借鉴航空发动机燃烧技术原理，设计了一种冶金用燃料分级高速低NOx燃烧器。对比了原型燃烧器与单开A、B两类二级枪的燃烧器对燃烧过程的影响，并对原型燃烧器在5种负荷（100%、80%、60%、40%、20%）及全负荷下5组不同空气过剩系数（0.9、1.0、1.1、1.2、1.4）的炉内燃烧过程进行了数值分析。模拟结果表明：新型低氮燃烧器分级结构设计合理，两类燃料二级枪的组合设计对NOx排放的抑制作用十分明显；燃烧器在不同工况下均能保证良好的燃烧特性，并且能够有效抑制NOx排放，NOx浓度均低于65mg/m3（8%O2浓度折算）；随燃烧器负荷的降低，NOx浓度逐渐增加，当提高或降低空气过剩系数时，燃烧处于富燃和贫燃两种情况，NOx的生成均会减少。对于该型燃烧器而言，燃烧器负荷控制在40%以上，空气过剩系数控制在1.2附近，可以有效的减少NOx的排放。

• 固态照明器件散热技术研究进展

  郑喜贵,王桂录,朱永刚,宋海涛,李星灿,马跃龙

  固态照明器件（白光LED/激光照明）具有发光效率高、节能环保、结构设计灵活和使用寿命长等显著优势，在室内外照明、汽车大灯、现代农业、医疗和显示等领域有广阔的应用前景。散热技术作为固态照明应用的关键，直接决定了器件的服役性能和发光品质等技术参数。本综述重点总结了固态照明器件散热技术的最新研究进展，系统分析了传统白光LED、远程激发型白光LED和激光照明等散热器的工作原理、结构设计和散热方式(自然对流、强制对流、热管散热、液冷散热和其他散热方式)，阐述了散热器的热阻、散热路径、热耗散速率、轻量化以及光转换元件热传导等调控方法。最后，本综述讨论了固态照明器件亟需解决的高发光通量、远程激发模式、散热和封装一体化设计等问题，并展望了固态照明器件散热技术的发展趋势。