多层主动磁回热器的仿真优化

借助Comsol多物理场仿真软件构建了一维瞬态磁制冷模型,考察了在特定工况下由3种不同居里温度的磁热工质（a、b、c）所构成的单层、双层和三层回热器,研究了不同填充比例与高温端温度对主动磁回热器的性能影响。仿真结果表明,当主动磁回热器均匀填充时,三层回热器性能好于单层和双层;当双层回热器非均匀比例填充时,发现在填充比为3∶7时性能最佳。相对于5∶5填充的双层回热器,3∶7比例填充的回热器冷量提高了6.02%,对应的COP提高了3.5%;同时对比三层回热器（即算例c）,最大冷量提高了1.13%。在考察不同高温端温度对3种回热器的性能影响时,不同高温端温度下不同的填充方式选择对回热器的性能影响较大。     

小管径CO2蒸发器换热性能

为进一步优化适用于低蒸发温度的CO₂蒸发器性能，建立CO₂翅片管式蒸发器数学模型，探究在低蒸发温度-35℃、制冷剂流量0.06 kg/s、进风干球温度-25℃、风速1—3.5m/s条件下，5种不同换热管径及流路数对CO₂蒸发器的换热量、传热特性、压降特性的影响，并搭建CO₂跨临界双级压缩制冷试验台对蒸发器进行性能测试，验证蒸发器模型的准确性与可靠性。研究结果表明：迎面风速的增加可以提高蒸发器换热特性和增大管内外侧压降，但迎面风速过大反而会使管内换热系数降低；小管径在CO₂蒸发器的应用，可以显著提高换热性能，5 mm管径蒸发器空气侧与制冷剂侧换热系数相比于6.35 mm管径换热器分别最大提高15%和45.91%;通过增加流路数可以明显改善小管径蒸发器压降过大问题，为用于低温制冷的CO₂蒸发器性能优化与推广提供参考。     

夹点对超临界二氧化碳布雷顿再压缩循环性能的影响

研究了超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,SCO2)布雷顿再压缩循环回热器的夹点问题,分析了换热器夹点对SCO2布雷顿再压缩循环热效率、净输出功、不可逆损失和?效率等性能的影响,阐述了膨胀机进口温度和循环压比对SCO2布雷顿再压缩循环的影响,并比较了再压缩循环和简单回热循环的性能。结果表明:夹点的位置随着分流比的增大,先出现在低温回热器低温侧的出口,然后出现在低温回热器内部,最后出现在低温回热器低温侧进口;在给定的初始条件下,分流比存在最小值,随着分流比的增大,循环的热效率和?效率先增大后减小;分流比对加热器、低温回热器、冷却器和高温回热器的?损失有较大影响;压比的增大和膨胀机进口温度的升高都会使再压缩循环最小分流比减小;在一定分流比下,再压缩循环的热效率比简单回热循环要高。     

一种逼近卡诺制冷效率的级联脉管法及其两级验证

理论分析表明,通过多级级联脉管组成的新结构,其理论制冷效率有望达到卡诺效率。给出了这样一种具有传输管声功回收装置的级联型脉管制冷机,传输管能将主级制冷机脉管热端压力波领先质量流的相位扭转为质量流领先压力波,同时实现能量最大化的传输,用以驱动次级制冷机。实验结果表明,两级级联型脉管制冷机在233 K工作时,制冷效率比单级结构提高了33%。     

一种逼近卡诺制冷效率的级联脉管法及其两级验证

理论分析表明,通过多级级联脉管组成的新结构,其理论制冷效率有望达到卡诺效率。给出了这样一种具有传输管声功回收装置的级联型脉管制冷机,传输管能将主级制冷机脉管热端压力波领先质量流的相位扭转为质量流领先压力波,同时实现能量最大化的传输,用以驱动次级制冷机。实验结果表明,两级级联型脉管制冷机在233K工作时,制冷效率比单级结构提高了33%。     

高温小型回热器传热和阻力性能研究

应用先整体后局部的建模方法,对高温小型回热器传热和阻力性能进行了数值模拟分析,进而基于修正等雷诺数法对回热器进行了传热性能测试,验证了该数值模拟方法的可行性与准确性,并拟合得到了其传热和阻力准则关系式。在此基础上,进一步探讨了微重力及几何结构参数对传热和阻力性能的影响。研究结果表明:微重力工况对回热器换热阻力性能影响可以忽略;回热器设计过程中需着重考虑高宽比和长径比的影响,而占空比影响较小。     

使用NH3-LiNO3工质对的增压型回热吸收循环性能分析

近年来,日益增长的暖通空调系统能耗已接近50%的建筑能源消费量。吸收式循环可使用太阳能热能、工业废热等低品位能源产生制冷效果,进而降低夏季制冷负荷对高品味电能的大量需求。当前常用于吸收制冷循环的LiBr-H₂O工质对虽然COP较高,但由于物性限制了其蒸发温度范围以及存在较高的结晶风险,使得系统小型风冷设计存在限制。氨水工质对具有较宽的制冷温区,但由于需要精馏以提高氨气浓度造成COP较低。NH₃-LiNO₃工质对无须增设精馏器,结晶温度远高于LiBr-H₂O,且氨气压力较高适合在耦合压缩机循环以提升循环性能,扩宽运行温区。因此,本研究提出压缩机辅助的增压型回热吸收循环使用NH₃-LiNO₃工质对,并对其进行热力分析,研究压缩机的引入对循环性能的改进作用。结果显示,压缩机辅助作用下循环驱动温度下降至34℃,蒸发温度亦可降低至-34℃,且循环倍率降低了52.16%,更适于小型风冷设计。     

普冷温区斯特林制冷机

自由活塞斯特林制冷机具有环保、制冷温区广、制冷量易控等优势。针对一台普冷温区小型自由活塞斯特林制冷机展开了试验研究。试验中分别使用层叠丝网和卷绕丝网作为回热器,考察了不同温度下的制冷特征。其中,当使用层叠丝网时,制冷机在235 K制冷温度、100 W制冷量下,制冷系数为0.94,在200 K制冷温度、80 W制冷量下,制冷系数为0.49;当使用卷绕丝网时,制冷机在235 K制冷温度、100 W制冷量下,制冷系数为0.8,在200 K制冷温度、55 W制冷量下,制冷系数为0.32。最后对各部件损失进行理论分析,为后期优化提供方向。     

泡沫填充方式对管内超临界CO2流动换热的影响研究

超临界CO₂工质在太阳能热发电系统中的应用能够有效提升整个系统的效率、紧凑性和环境友好性，因此有必要优化超临界CO₂用太阳能集热器的综合性能。提出了泡沫材料有效热导率新的预测模型，并研究了不同泡沫材料填充方式对集热管内超临界CO₂流动与换热性能、管壁温度分布的影响规律。结果表明，环形填充方式（沿管内壁填充）的流动换热综合性能指标(j/j _c)/(f/f _c)^1/3最优，净吸热量最大，管壁最高温度最低且温度分布最均匀。     

CO2跨临界热泵系统采暖工况下能效和经济对比分析

为提高CO₂跨临界热泵采暖系统的性能,提出了双级压缩双气冷器中间补气回热系统。结合其他3种CO₂热泵系统和R134a单级压缩回热系统,通过建立热力学模型,分析各因素对系统能效的影响。此外,通过构建综合考虑初始投资成本和年运行成本的经济性评价模型,结合典型年气象参数,研究不同城市中各系统在运行周期内的总投资情况。结果表明,CO₂热泵系统中,双级压缩双气冷器中间补气回热系统最优COP_h最高且可以超过R134a单级压缩回热系统,在环境温度为0℃、出水/回水温度为65℃/40℃时,理论性能系数（COP_h）可达2.58,比R134a系统高9.1%,比CO₂单级压缩系统高22.5%,且排气温度不超过现有压缩机排气温度极限,是能效最优系统。在选定样本城市中,热泵系统运行周期内的总投资成本在上海最低,而在沈阳最高,可见总投资成本受气候区域影响较大。由于CO₂压缩机成本过高,CO₂热泵系统的总投资成本高于R134a系统。随着CO₂热泵技术的提高和生产规模的扩大,当压缩机成本降低80%,CO₂双级压缩双气冷器中间补气回热系统的总投资成本将低于R134a系统。     

用于低干度混合工质制冷的板翅式换热器传热系数

对于中小型天然气液化装置,板翅式换热器被广泛应用于回热换热。然而,目前对低干度混合工质在板翅式换热器中低温换热性能优化等问题的研究甚少。因此,搭建一套采用单级压缩、一级回热的Linde-Hampson制冷循环系统,并以N₂-CH₄-C₂H₄-C₃H₈-iC₄H₁₀作为混合制冷剂制取-160℃低温,用以重点分析板翅式换热器中的总传热系数以及影响板翅式换热器传热系数的因素。实验结果表明:低干度下板翅式换热器中总传热系数在2.6~22.7 W·m^-2·K^-1之间,受制冷温度和循环浓度变化的影响不明显,而目前对低干度低流速下混合制冷剂的低温换热性能预测仍存在一定的偏差,其中Cavallini和Modified Granryd的计算模型经修正后可推荐使用;同时,也从制冷剂流速、压降等方面对板翅式换热器优化设计提出了相关建议。     

低温相变蓄热材料性能研究及在移动蓄热装置中应用

基于当前对KAl(SO₄)₂·12H₂O蓄热性能研究较少且很少有蓄热装置应用KAl(SO₄)₂·12H₂O作为相变蓄热材料的问题。对KAl(SO₄)₂·12H₂O的制备和蓄热性能进行了总结以及热力学性能分析,得出环境温度及初始温度对相变材料?效率影响较小,终止温度对?效率影响较大;当初始温度为328K,环境温度288K时,最佳终止温度为370K。同时,针对KAl(SO₄)₂·12H₂O应用于移动蓄热装置进行数值模拟,得到液相率、温度随时间的变化曲线。本文研究表明KAl(SO₄)₂·12H₂O是一种性能良好的低温蓄热材料。     

低温烘焙提质对褐煤着火燃烧特性的影响

褐煤高水分和高挥发分不利于运输和储存，且会降低锅炉燃烧效率，低温烘焙提质作为一种褐煤提质常用技术，能有效降低燃料中水分并提升燃料品质，显著改变褐煤燃烧特性。为研究低温烘焙提质对褐煤着火特性的影响，利用平面火焰燃烧系统并结合CMOS相机研究了不同热协流温度(1 473、1 673和1 873 K)和O₂体积分数(5%、10%和20%)下低温烘焙预处理(200、250和300℃)对褐煤着火燃烧特性的影响，并分析低温烘焙提质对着火延迟距离和火焰亮度的影响。结果表明，经低温烘焙预处理的褐煤颗粒在相同热协流温度和O₂浓度条件下的着火延迟距离稍大于原始褐煤颗粒；O₂体积分数为5%时，200℃烘焙褐煤的着火延迟距离在热协流温度1 473、1 673和1 873 K时较原始褐煤颗粒分别增加了0.24、0.28和0.13 cm;此外，不同烘焙温度下煤粉颗粒的着火位置较褐煤均有所延迟，且升高烘焙温度会降低褐煤着火距离，在1 673 K、O₂体积分数5%下，烘焙温度200、250和300℃时对应的着火延迟距离较褐煤的增加...     

环路热声发动机驱动的热声制冷系统性能分析

热声热机是一种具有高可靠性和环保特性的无运动部件热机。研究对象是一种环路行波热声发动机驱动的热声制冷机,由一个热声发动机单元和一个热声制冷机单元串联成环路组成。高效的行波热声系统要求回热器处在高声阻抗和接近行波的声场中。由于在环路系统中,声场对声阻抗的变化极为敏感,系统中两个回热器的安装位置会极大影响回热器处的声场。为了研究热声核安装位置对系统性能的影响情况,利用DeltaEC对该系统进行了数值模拟,分析了两个热声核在不同安装位置时系统的总能效系数、发动机单元的效率、制冷机单元的能效系数以及两个回热器的平均相位差和声阻抗等。根据计算结果,当制冷机单元回热器沿声功传输方向距发动机单元回热器的距离与环路总长的比值为0.24时,系统可达到最大总能效系数0.45,对应的相对卡诺能效系数是0.13。当该比值的范围在0.21~0.26时,两个回热器的平均声阻抗较大,使系统的总体性能较优。当该比值大于0.26或小于0.21时,制冷机单元回热器和发动机单元回热器的性能都会恶化,造成了系统整体性能的不佳。     

内回热器对低温有机朗肯循环热力性能的影响及工质选择

目前对有机朗肯循环(ORC)有无内回热器的对比研究主要集中在循环热力性能随初参数变化的对比,但很少考虑吸热量对两个系统热力性能的影响。本文以烟气余热为热源,构建无回热和带有内回热的ORC系统,选用10种干工质,通过热源参数变化引起工质吸热量的变化,分析工质分别在两种系统中的初温、净功量、热耗率及(火用)损的变化规律,得出了较优工质和各工质对内回热器的匹配性。结果表明:当热源温度为150℃、排烟温度在70~90℃间引起的工质吸热量变化时,在窄点温差为10℃下,带有内回热器的ORC系统更适用于吸热量较低的区间;当吸热量较高时,内回热器对系统热力性能提升的能力降低,甚至低于无回热的ORC系统;经综合比较,工质R236ea和R600a最优,工质R245fa和R600为较适合工质;以R123为工质的带有内回热器和无回热的ORC系统热力性能差异较小,热耗率最大差值仅为约600kJ/kg,净功量最大差值也仅为约2kW,因此,R123对内回热器的热匹配性相对较差。     

环路热声发动机驱动的热声制冷系统性能分析

热声热机是一种具有高可靠性和环保特性的无运动部件热机。研究对象是一种环路行波热声发动机驱动的热声制冷机,由一个热声发动机单元和一个热声制冷机单元串联成环路组成。高效的行波热声系统要求回热器处在高声阻抗和接近行波的声场中。由于在环路系统中,声场对声阻抗的变化极为敏感,系统中两个回热器的安装位置会极大影响回热器处的声场。为了研究热声核安装位置对系统性能的影响情况,利用DeltaEC对该系统进行了数值模拟,分析了两个热声核在不同安装位置时系统的总能效系数、发动机单元的效率、制冷机单元的能效系数以及两个回热器的平均相位差和声阻抗等。根据计算结果,当制冷机单元回热器沿声功传输方向距发动机单元回热器的距离与环路总长的比值为0.24时,系统可达到最大总能效系数0.45,对应的相对卡诺能效系数是0.13。当该比值的范围在0.21~0.26时,两个回热器的平均声阻抗较大,使系统的总体性能较优。当该比值大于0.26或小于0.21时,制冷机单元回热器和发动机单元回热器的性能都会恶化,造成了系统整体性能的不佳。     

直流蒸汽发生器蒸干及蒸干后传热数值分析

准确预测直流蒸汽发生器流动沸腾及蒸干对其设计、安全可靠运行极其重要。通过对BW公司直流蒸汽发生器进行合理简化,引入两流体三流场数学模型及壁面热通量分区模型,分别进行基于常热通量和耦合传热的蒸汽发生器流动沸腾数值模拟。结果表明:蒸干发生时传热性能急剧下降,常热通量边界下壁温升高的幅度相当大(约300K·m~(-1)),而耦合传热边界下壁温飞升幅度约为25K·m~(-1),与实际情形相一致;两种热边界中预热区会发生过冷沸腾,壁面处传热由液相对流换热、淬火换热和蒸发换热3部分构成,核态沸腾区蒸发换热为主要换热方式,同时伴随着液相对流换热和淬火换热,蒸干发生时淬火换热和蒸发换热全部降到0,在蒸干后传热区域换热方式为气相对流换热。     

CO_2-NH_3复叠与NH_3制冷系统的流程参数比较

设计了典型的CO2-NH3复叠式制冷流程和NH3两级压缩制冷流程,对流程进行了模拟计算,比较了两者的关键参数,并分析了换热器的热流分布及氨系统的参数优化。结果表明:在蒸发温度-45℃的条件下,复叠式系统的压缩机总功耗、制冷剂NH3流量小于氨系统,但氨系统具有较大规模的中温制冷量,其总制冷系数COP大于复叠式系统。复叠式系统冷凝蒸发器的两相流间换热温差较小,而氨系统中间冷却器的换热温差较大。随着低压级排气压力的上升,以及中间温度的降低,氨两级压缩机的总功耗呈下降趋势。     

直流蒸汽发生器蒸干及蒸干后传热数值分析

准确预测直流蒸汽发生器流动沸腾及蒸干对其设计、安全可靠运行极其重要。通过对B&W公司直流蒸汽发生器进行合理简化,引入两流体三流场数学模型及壁面热通量分区模型,分别进行基于常热通量和耦合传热的蒸汽发生器流动沸腾数值模拟。结果表明：蒸干发生时传热性能急剧下降,常热通量边界下壁温升高的幅度相当大（约300 K·m^-1）,而耦合传热边界下壁温飞升幅度约为25 K·m^-1,与实际情形相一致;两种热边界中预热区会发生过冷沸腾,壁面处传热由液相对流换热、淬火换热和蒸发换热3部分构成,核态沸腾区蒸发换热为主要换热方式,同时伴随着液相对流换热和淬火换热,蒸干发生时淬火换热和蒸发换热全部降到0,在蒸干后传热区域换热方式为气相对流换热。     

一种新型变截面换热管强化传热性能

针对工程中广泛存在的管内层流换热传热系数低的问题进行了强化传热研究,并在传热强化理论的指导下,开发了一种新型变截面换热管。分别建立不同参数下的新型变截面换热管和普通圆管模型,采用大型CFD分析软件FLUENT借助数值模拟的方法,研究新型变截面换热管结构对管内层流换热的影响。研究结果表明,该新型变截面换热管在层流情况下可较大程度地强化管内换热,而其流阻增加较小,具有良好的综合强化传热性能。在本文研究的范围内,变截面换热管的Nu和η均随L₁/d_i或L₂/d_i的减小而增大,且η>2.22。计算结果为强化管内层流换热提供了一定的指导和理论依据。