热科学与技术杂志

热科学与技术杂志2025年第6期

• 氢能区域供热技术应用现状及前景分析

  刘 寅,王明明,张 超,董岁具,张 帆,周东东,吴飞骏

  氢能产业是实现用能绿色低碳转型的重要途径之一,氢能的开发利用在各国能源战略部署中均摆在重要地位。氢能区域供热主要有天然气掺氢、燃料电池热电联产两种应用方式,本文论述了氢能区域供热研究现状及未来发展动态,分析了现有天然气管网掺氢后的燃烧特性、管网相容性及安全防护,并对燃料电池的研究进行了分析。针对氢能区域供热示范项目进行列举,同时还对全面推广氢能区域存在瓶颈进行探究,提出未来研究方向与建议,并对氢能区域供暖发展进行展望。

• 气隙扩散多孔吸收脱氨性能试验研究

  王平,陈家权,张轩,窦浩源,尹文博,韩文帅

  氨氮废水的大量排放会造成大量环境问题和健康问题，气隙扩散蒸馏作为一种利用废热驱动的氨氮废水处理技术，能有效的去除氨氮。本文通过3D打印技术制作规则多孔介质，研究了气隙扩散多孔吸收（AGDPA）新方法在不同结构参数和运行参数下的性能表现。实验结果表明：提高吸收液硫酸摩尔浓度可显著提升AGDPA的脱氨率（+3.5%）、氨通量（+16.5%）、氨传质系数（+21.2%）和氨分离因子（+51.7%）。多孔吸收器材料的选择对性能影响显著，3D打印非均匀（大孔面）多孔陶瓷的综合性能最优，其氨氮分离性能优于其他多孔结构。

• 波浪形微通道内超临界甲烷流动与换热特性数值模拟研究

  陈杰,李悦,李倩,王悦,蔡伟华

  在海上天然气开采及液化工艺中，印刷电路板式换热器（PCHE）与传统管壳式换热器相比具有体积小，换热效率高的优点，是目前最具应用前景的换热器。本文通过数值模拟方法，探究了PCHE典型的波浪形微通道内超临界甲烷在不同操作条件下的流动与换热特性。首先，本文在运行条件和主要结构参数相同时，对波浪形通道和Z形通道内的流动与换热情况进行了对比。结果表明，Z形通道内流动损失明显更大，换热系数也稍大。当达到相同压降时，本文所提出的波浪形通道的等压降换热系数更大，结构更优。对波浪形通道的大量模拟结果表明，进口质量流率和温度越高，换热系数越大，流动损失越大，而增加出口压力，换热系数增大，压降减小。通过与现有经典关联式进行对比，发现波浪形通道内甲烷流动与换热特性难以用现有关联式进行精准预测，为此本文提出了新的努塞尔数和范宁摩擦因子关联式，为天然气加工工艺中PCHE的热力设计提供参考。

• 不同运行方式对水电联产抽汽能耗的影响

  车金徽,龚路远,牟兴森,沈胜强

  针对亚临界350MW机组的中压缸排汽抽汽工况，探究运行方式的变化对水电联产机组抽汽能耗的影响规律，基于变工况原理、能量守恒、质量守恒原理，建立机组变工况计算模型。研究了定压与滑压运行方式下，不同发电负荷、抽汽量条件下抽汽参数的变化以及抽汽煤耗的变化规律。结果表明：对于相同发电负荷的中排抽汽供热机组，运行方式的变化对中排抽汽参数几乎不产生影响；低负荷时，随着抽汽量的增加，滑压运行的节煤效果逐渐减弱；热电负荷越低，滑压运行对汽动给水泵的效率改善越明显，节能效果越显著。

• 基于CFD的传热结构拓扑优化研究

  云和明,刘文竹,王宝雪,仲崇龙,胡明哲

  优化高导热材料分布形态是提高电子元件散热性能的有效策略。基于变密度法，以最小平均温度、最小（火积）耗散作为目标函数，以高导热材料体积分数为约束条件建立了传热结构拓扑优化模型，并采用投影技术减小灰度单元过渡区域，通过CFD软件平台对四边中心传热结构及四角传热结构进行拓扑优化研究。结合算例，得到了两种目标函数下高导热材料的最佳散热构型，并对两种优化目标在拓扑优化中的适应性进行了对比分析。研究结果表明，以最小（火积）耗散为优化方法所得到高导热材料的分布形态更加清晰平滑，优化效果更加显著。在各项参数一致的前提下，采用四边中心传热拓扑模型热量传递效率优于四角传热拓扑模型。基于（火积）耗散理论的拓扑优化研究将为后继的传热结构设计等方面提供更加可靠的理论依据。

• 尾喷管超临界氢再生冷却传热数值模拟研究

  柳山林,陈一鸣,龚昕,张凯旋

  针对航空发动机尾喷管再生冷却过程，开展了超临界氢在中等热流密度下流动换热的数值模拟研究。再生冷却通道截面形状为圆形，内径为1.6 mm。设计点工况氢质量流量为0.44 g/s,压力为8 Mpa，进口温度30 K，通道下壁面热流密度为345 Kw/m2。采用RNG k-ε湍流模型和增强壁面处理的方法，探究了超临界氢在通道内的速度，温度等参数分布，以及传热系数的变化规律。通过改变系统压力，热流密度和通道肋厚度，进一步探究了上述因素对超临界氢再生冷却过程中的流动换热造成的影响，并重点关注了传热恶化现象的产生。结果表明：在设计点工况下并未产生传热恶化现象，只有入口效应导致的对流换热系数降低；减小系统压力和增加壁面热流密度都会导致传热恶化现象的出现，而减小通道肋厚度会造成对流换热系数有轻微的降低。

• R245fa/R22非共沸混合工质对喷射制冷系统性能的影响研究

  孙建华,刘博,奚修智,段鼎立,杨竹强,张博

  基于Matlab/Simulink平台搭建了余热驱动的喷射制冷系统稳态仿真模型,研究了在给定的热源工况下R22、R245fa纯工质以及不同配比的R245fa/R22非共沸混合工质对喷射器工作参数、引射比、升压比以及喷射制冷系统COP的影响。结果表明,由于温度滑移特性的存在,使用R245fa/R22混和工质的喷射制冷系统中发生器及蒸发器出口的温度提升,当工质R245fa/R22配比为0.3/0.7时,获得该热源工况下的最佳COP,为0.281。

• 斜坡-槽道孔结构对涡轮叶片冷却性能的影响研究

  宋媛媛,安娜,韩少华,邢江江,周乐平

  为改善气膜覆盖情况，设计了一种具有上游斜坡和锯齿状沟槽的气膜孔结构,并考虑加入液滴以提高气膜冷却性能。运用数值模拟方法研究了加入液滴后斜坡倾角对涡轮叶片上该结构冷却性能的影响，与干空气的情况进行了对比，并对产生这种变化的机理进行了初步分析。结果表明，该结构可以显著提高复合冷却工质的气膜覆盖程度。合适的斜坡倾角下，可以更加充分的利用液滴的汽化潜热。在研究范围内，效率随倾角的增大先减小后增加再减小。斜坡倾角40°是最佳角度，相对于锯齿槽孔效率相对提升幅度为4%。随着斜坡倾角的增加，孔出流涡的长度先变长后变短，且上游斜坡形成的涡强度逐渐增强，两股气流相遇产生的通道涡强度也明显增强。

• 真空环境下空气湿度对翅片管换热器空气侧传热传质影响研究

  姜林林,王道榆,袁霏,黄勇华

  本文对不同真空度下平直翅片管换热器空气侧传热传质性能进行了实验研究并建立了理论简化计算模型。通过控制真空度和换热器进风口干球温度和湿度，研究真空环境下进风口干球温度和湿度对空气侧传热传质的影响。实验结果表明：空气侧显热传热系数ha、传质系数hm随真空度的变化趋势并非完全一致。在定进风相对湿度条件下，显热传热系数ha随真空度的增大而减小，随相对湿度的增大而增大。传质系数hm随真空度和相对湿度的增大而增大，但增大幅度逐渐减小。在定含湿量条件下，显热传热系数ha随真空度的变化趋势与定相对湿度相同，且随含湿量的增加而增大。传质系数hm随真空度的升高而降低，随含湿量的增大而增大。在定进风干球温度条件下，显热传热系数ha随真空度的增大而减小，随着干球温度的增大而增大。传质系数hm随真空度的增大而增大，随着干球温度的增大而增大。建立了真空条件下翅片表面传热传质的简化模型，理论分析表明真空环境下显热传热系数和传质系数均和pn(p为环境压力)近似成正比，显热传热系数ha正比于pn1(n1≈0.5)、定相对湿度下的传质系数hm|RH=C正比于pn2(n2≈-0.5)、定含湿量下的传质系数hm|d=C正比于pn3(n3≥0.5)，这与实验拟合结果一致，可根据本文推导出的定量关系对常压下换热器的空气侧传热传质系数进行修正，从而获取真空环境下空气侧传热传质系数。

• 具有波长选择性的金属/介质多层薄膜设计与性能分析

  武江元,安保林,董伟,杨震,段远源

  金属/介质多层薄膜可以通过改变各层的厚度和材料实现辐射特性的调控。本文采用传输矩阵法和时域有限差分法,设计了具有波长选择性的金属/介质多层薄膜。实现了高可见光透过率、高太阳光红外波段反射率、高紫外线反射率、低红外发射率,有望将其应用于节能玻璃。探究了材料种类、层数、入射光角度、表面粗糙度对其光学特性的影响。结果表明,TiO2/Ag/TiO2/Ag/TiO2五层结构光学性能最优,同时薄膜颜色最接近自然光；对于最优结构,入射角小于60度时,反射率、透射率与正入射情况下相差不大,大于60度时可见光透过率有明显的衰减；粗糙度对于光学性质的影响具有波长相关性,短波对粗糙度更加敏感。

• 企业数据机房气流组织仿真模拟及优化研究

  陈建标,朱佳彬,包曙阳,顾津濠

  针对某企业数据中心机房的整体和局部热环境，采用6SigmaDC软件进行模拟分析，探究机房内的气流组织特性及存在的问题。根据数据机房热环境温度分布特征和存在的冷热气流掺混问题，提出了四种优化方案。对比分析不同优化方案的气体流线图和温度场分布图，并引入机架供热指数（SHI）、回风温度指数（RTI）、冷却指数（RCI）等热性能评价指标，探讨四种不同改造方案的优劣，并对最优方案下的空调系统能耗及节能潜力进行计算分析。结果表明：封闭M列和N列机柜热风出口侧的地板格栅能有效防止发生冷热气流掺混；对于M列和N列机柜热风不能回到空调回风口的情况，通过增设吊顶格栅能有效规划热风流动至空调回风口以及削减机柜之间热风回流的现象；最后，同时封闭地板格栅、增设吊顶格栅以及封闭各列冷通道，每台空调送风温度可以从18.0℃优化至25.9℃，空调机组总节能量可达107.94kW及其节能率为43.62%。