热科学与技术杂志

热科学与技术杂志2024年第4期

• 太阳能辅助CO2高温热泵系统生命周期性能分析

  代宝民,王铭慧,刘圣春,刘佳,李嘉怡,李方灿,肖鹏

  利用太阳能辅助热泵进行干燥应用是实现碳减排的有效手段。提出了太阳能辅助的跨临界CO2 高温热泵干燥系统,并对系统的热力学特性和全生命周期能耗及排放特性模型进行分析。结果表明跨临界 CO2高温热泵干燥系统在气体冷却器出现两个窄点时,取得最大COP 及最优排气压力;跨临界 CO2 高温热泵干燥系统COP 随空气在气体冷却器出口处温度的降低显著提升,出口温度由120降低至70 ℃,COP 提升了6.32%~31.45%。相对跨临界 CO2 干燥系统和蒸汽辅助跨临界 CO2 干燥系统,太阳能+蒸汽辅助蒸汽辅助跨临界 CO2 干燥系统 的 全 生 命 周 期 一 次 能 源 消 耗 和 碳 排 放 量 最 低,分 别 为 2505.99t(标 准 煤 当 量)和5411.96t;相比蒸汽辅助跨临界 CO2 干燥系统,太阳能+蒸汽辅助跨临界 CO2 高温热泵干燥系统在使用天然气作为锅炉燃料时,气体污染物(SO2 和 NOx)和固体污染物(PM2.5和 PM10)的排放量减少了40.49%。研究结果为高效低排放高温热泵干燥系统的构建和运行提供理论参考。

• 光合生物制氢反应器能量传递过程数值分析

  贺超,高飞,焦有宙,张全国,刘亮,刘新新

  为了研究折流板式光合生物制氢反应器(Anaerobic Baffled Reactor ,ABR)运行过程中传热传质过程的机理，将Monod生物动力学模型与生物制氢底物消耗动力学相结合，使用数值模拟研究不同条件下反应器内葡萄糖消耗过程中传热、传质和化学反应引起的熵产率，在此基础上分析光合细菌对葡萄糖的消耗速率和产氢速率，以单位氢气生成速率的熵产率最小作为评价原则对反应器的运行条件进行优化。结果表明，各因素对折流板式光合生物氢反应器性能的影响的主次顺序为：光照强度＞溶液温度＞壁面温度＞底物初始浓度＞水力滞留期。最佳运行条件为:培养液温度为30 ℃，反应器壁面温度为30 ℃，光照强度为6000 lx，反应器水力滞留期(HRT)为12 h，培养液葡萄糖浓度为150 mol·m-3。

• 基于LBM方法微孔裂隙模型内CO2驱替CH4过程吸/脱附特性研究

  张一夫

  为探究CO2强化页岩气开采机理，结合VC++编程技术利用格子-Boltzmann方法（Lattice Boltzmann Method，简称LBM）对微孔裂隙模型内CO2驱替CH4过程开展数值模拟研究。基于单分子吸附层假设，推导建立了双组分气体竞争吸附的吸附速率方程。分别在单颗粒模型和以四参数生成法（Quartet Structure Generation Set，简称QSGS）随机生成的多孔介质为模型的基础上，利用LBM方法对CO2驱替CH4过程开展数值模拟研究。结果表明：在CO2驱替CH4的过程中，两种气体的吸/脱附速率均存在极值，且CH4的脱附速率极值点先于CO2的吸附速率极值点出现。增加CO2注入速度和注入浓度均有利于提高驱替效率，同时CO2的注入速度和注入浓度越大，驱替过程中CO2/CH4达到吸附/解吸平衡所需时间越短。

• R600a/R601a喷射式有机闪蒸循环系统性能分析

  王亚琦,汪佳璐,张凇源,葛众,解志勇,黄桂冬,庞小兵,汤翀,赵伟

  基于MATLAB软件构建了稳态的喷射式有机闪蒸循环（OFC）系统模型，采用R600a/R601a的混合物为系统循环工质，对150℃的地热水进行热能回收利用。分析了最优闪蒸压力工况下不同摩尔组分的R600a对系统最大净输出功率、热效率、系统最大?效率和最小总?损等参数的影响。研究结果表明：随着R600a摩尔组分的增加最优闪蒸压力呈现不断上升的趋势，且当R600a/R601a混合工质摩尔组分为0.7/0.3时，系统最大净输出功率、热效率和?效率达到最大值，同时系统最小总?损达到最小值。相较于R601a和R600a两种纯工质，系统最大净输出功率分别提高5.25%和33.81%，热效率分别提高0.07%和1.48%，系统最大?效率分别提高1.41%和7.11%，系统最小总?损分别减小2.09%和9.33%。因此采用非共沸工质R600a/R601a，可有效提高喷射式OFC系统的热力性能。

• 单次发射和连续发射对电磁炮轨道 热效应的影响

  马硕,农奥兵,王昊,马洪亭,马丹丹,黄达伟,颜聪

  电磁炮发射过程轨道的热效应分析对于控制发射精度和热管理具有重要意义,本文利用Comsol分析软件分别建立了单次发射和连续发射模式下的几何模型及数学模型,仿真模拟了两种条件下轨枢接触区域、轨道横截面及轨道轴向温度随时间的变化关系。结果表明：在单次发射和自然冷却条件下,由于电流趋肤效应和速度趋肤效应的影响,轨枢接触面的高温区位于电枢尾部,且随时间的增加而不断升高,峰值温度最高值为325℃；沿电磁炮轨道轴向内侧温度分布整体上呈炮尾段高、炮口段低的趋势,且随时间的增加而升高,但峰值温度不会超过铜的熔点；在连续发射和自然冷却条件下,经过三次发射后,轨道的峰值温度升高至1040℃,已接近铜的熔点温度,继续发射会导致轨道中热量的快速积累和峰值温度的迅速升高,甚至超过轨道材料的熔点,造成发射失败。因此,在没有主动冷却措施的条件下,电磁轨道炮无法实现实战化应用。研究结果对于电磁轨道炮的热管理具有重要参考价值。

• 适于单一气体基于k分布的灰气体加权和模型

  尹雪梅,刘永涛,王磊,吴超

  灰气体加权和(WSGG)模型因其高的计算效率在工程中被广泛应用于辐射换热计算,针对传统的WSGG模型在计算非等温非均匀工况时存在较大误差的问题,建立了适用于单一气体的WSGG模型参数数据库,并给出了窑炉燃烧中6种常见参与性气体的具体参数表。采用新模型参数数据库计算了单一气体的辐射热流和辐射源项,将计算结果与逐线法(LBL)和其它WSGG模型计算结果进行了比较,结果表明：新模型参数能很好的计算气体的辐射热流和辐射源项,且新模型具有很高的计算效率,这对WSGG模型在非等温非均匀工况下的高精度、高效率辐射计算具有重要意义。

• 超临界CO2印刷电路板式换热器动态特性研究

  孙玉伟,刘小华,卢明剑,危卫,袁成清

  印刷电路板式换热器（PCHE）动态特性的研究作为超临界CO2布雷顿循环发电系统动态研究的重要组成部分。本文采用样件性能试验与建模仿真相结合的方法，以实测数据为基础拟合形成PCHE热工水力特性方程和范宁摩擦系数关联式，并通过能量守恒微分方程建立一维动态模型，与实验数据对比验证了模型的有效性；分别设定PCHE冷/热进口参数近似斜坡和正弦变化激励，重点分析了模拟船用布雷顿循环变工况运行和船体平台摇摆条件下的换热过程动态特性。研究结果表明，在斜坡激励响应中，传热温差调控速度越快，则出口温度响应也越快，但是不同调控速度下出口温度达到稳态所需时间基本相同；在正弦激励响应中，进口参数正弦波动的周期越短，则冷热侧出口温度振幅越低，且响应滞后时间与进口激励周期时间呈负相关。

• 基于分形理论的非均匀介质相变过程传热特性研究

  刘梦姣,高蓬辉,张东海,张妮婧,闫昊阳,李智永

  在生物医药、相变储能及冰蓄冷等领域存在大量非均匀介质相变现象，由于其结构复杂且伴随相变，为了揭示该过程中的传热规律，本文在对非均匀介质分形处理的基础上，结合相变传热实验，建立了三维分形非均匀介质相变传热模型，对不同边界条件下非均匀介质相变传热过程进行了分析研究，通过与实验结果比较，最大误差为4.3%，最小误差为1.5%，表明该模型可以有效获得相变过程中温度场的演变规律，能够为精确模拟和预测非均匀介质相变传热提供了指导和参考。

• 环置曲面三角形涡产生器翅片管束通道内流动与传热特性数值研究

  张玲,林志敏,李圣帆,石文奎,王良璧

  平直翅片管翅式换热器翅片侧通道内的马蹄形涡的强度有限，而在翅片表面冲压三角形曲面涡产生器可以诱导产生强烈的二次流，从而增强翅片表面的传热性能。本文采用数值方法对环置曲面涡产生器翅片管束通道内的流动与传热进行了模拟，并采用无量纲参数Se量化了翅片管束通道内的二次流强度。对比分析了平直翅片管束通道和环置曲面三角形涡产生器翅片管束通道内二次流特性及翅片表面传热特性，进一步分析了圆管前端的曲面涡产生器的周向位置及径向位置对其二次流特性和传热性能的影响，并探讨了翅片侧通道内二次流特性和传热特性的关系。结果表明：环置曲面三角形涡产生器可在通道中产生较强的二次流，同时涡产生器的引流作用明显改善了管后尾涡区的传热性能, 从而提高了换热器整体换热性能。在较高Re条件下，环置曲面涡产生器起到强化传热作用。在所研究的参数范围内，最优结构参数与Re有关，当DVG1/Dc=1.55，β1=105o，Re=2500时，JF可达 1.23。

• 相变板储热水箱充/放热速率及经济性分析

  徐政凯,陈启阳,陈健勇,陈颖

  本文将相变材料板按照一定结构排列在水箱中，制成相变储热水箱。实验研究了进口流量和进水温度对相变板储热水箱充热和放热性能的影响，监测了相变材料的温度变化情况，采用了雷诺数（Reynolds,Re）和史蒂芬数（Stefan，Ste）分析储热水箱的充/放热速率，并进一步对相变储热装置进行了经济性分析。结果表明：设置不同的进口水温和流量，可调控充/放热速率，满足不同用户侧的需求。在充热过程中，当Ste数为0.292时，Re数从33增加到62.4，平均充热功率增大59.23%。Re数为62.4时，Ste数从0.216增加到0.292，平均充热功率增大34.44%。不同位置的相变材料温度基本一致。在放热过程中，储热水箱内Re数和Ste数的减小均能延长供热时长。Ste数为0.521时，Re数从62.4减小到33，有效放热时间增加了135.65%。相变材料在高度方向温度变化有明显的差异。经济性分析表明，在广州市和深圳市采用空气源热泵结合相变储热装置提供热水能够在4年内回收成本，可为相变储热装置在生活热水中应用提供参考。