旋射流型式气波制冷机实验研究

对现有气波制冷机气体分配器改型，融入旋射流作功机理，加大出流偏角，设计制造了旋射流型式气波制冷实验机，制冷效率得到了提高。     

偏角对气波制冷机制冷效率的影响及预测

气波制冷机的偏角是影响其制冷效率的重要参数.首先通过数值方法对最优偏角对应的振荡管开启状态进行定量分析;然后,将数值结果与理论计算和实验相结合,探讨气波制冷机最优偏角的预测方法,并对偏角影响气波机制冷效率的规律进行分析.对于一个确定工况,当激波运动到振荡管右端,振荡管与高温出口喷嘴呈半开半闭状态时,对应的偏角为气波制冷机的最优偏角.实验得到的最优偏角随转速的增加而增大,符合理论分析结果,但两者的结果相差较大.数值方法确定的最优偏角与实验吻合较好,误差在1%以内.当气波机转速小于最优偏角对应的转速时,制冷效率随转速降低线性减小;当转速大于最优偏角对应的转速时,制冷效率随转速降低线性增大;其中,随转速升高和降低,制冷效率的线性拟合曲线斜率的绝对值基本相等,在0.009～0.012之间.     

焦炉煤气非催化部分氧化制合成气实验研究与数值模拟

在带有单孔喷嘴石英管反应器实验的基础上,对焦炉煤气非催化部分氧化工艺制合成气进行了研究,分析了O_2/GAS比对合成气各组分含量的影响,反应器中反应过程和温度分布及出口产品组成.实验结果表明CH4转化率随O_2/GAS比增大而增大,O_2/GAS比调节到0.22～0.26时,CH_4转化率达到95%～97%,此时合成气CH_4含量低于1%.利用CFD软件平台对转化反应器进行了数值模拟.模拟结果显示,流量一定时出口气体组分H_2与CH4分别随着进气氧气与焦炉煤气体积流量比值的增加而减少.CO和CO_2分别随着比值的增加而增加.出口气体有效组分摩尔分数随进气流量的变化不是非常明显.在壁面温度为1 100 K时转化效果最好.     

氩氦刀探针的数值模拟

为了指导氩氦刀设计,对氩氦刀低温探针的内外部传热和J-T节流过程进行了稳态模拟,采用有限差分法,考虑了轴向传热和冷端低压流体的气液两相特征,在氩氦刀端部假设与外界恒热流换热,对流体和壁面的温度分布进行了计算,对不同进气温度下氩氦刀的制冷能力进行了比较。低压流体在换热器冷端存在气液两相,高压进气温度降低有利于制冷量提高;当高压进气温度由300 K降至270 K,同时维持冷刀端部有效制冷区域外壁温度基本不变的情况下,外部热流可提高20%左右;如利用半导体模块来预冷高压进气,0.001 kg·s^-1氩气流量用4片C1206型制冷片,冷却模块尺寸约20 cm×5 cm×5 cm即可满足要求。     

制粉系统气固分配器气固两相的数值模拟

制粉系统中制粉乏气与煤粉的混合物分离由气固分配器来完成,气固分配器上、下出口的气固分配特性对锅炉的安全运行及污染物控制有很大影响。本研究使用计算流体动力学(CFD)软件对气固分配器内的气固流动进行了数值模拟,计算采用了稠密离散相模型(DDPM)和颗粒流动力学理论(KTGF)的四向耦合方法,并预测了制粉乏气和燃料颗粒在上、下出口处的质量分布。结果表明：入口气体流速v_in和颗粒直径D_p对气固分配器的气固分配特性均有重要影响。提高入口气体流速v_in和增大颗粒直径D_p,既有利于提高气固分配器的分离效率,又有利于降低气固分配器上出口乏气含粉量：在保持其他参数不变时,v_in由10 m/s提高到20 m/s,分离效率提高了23.7%,乏气含粉量降低了73.3%,D_p由10μm增大到25μm,分离效率提高了45.6%,乏气含粉量降低了98.9%;均有利于锅炉的安全运行及污染物控制。     

双开口气波制冷机振荡管内流动机理实验研究

搭建了双开口制冷整机实验平台,采集不同转速下振荡管内动态压力,对气波制冷整机内部波系关系对制冷的影响进行机理研究。首先,应用基于CFD的数值计算方法对本实验进行模拟,验证了该计算方法具有较高精度;其次,根据不同转速下管内实测压力绘制波系关系图,得到在最大制冷温降时,反向压缩波最弱,波系匹配最为合理;最后,分析压缩波振荡现象的原因及影响,转速越接近最佳转速,压缩波携带能量越小,对低温气影响越少。     

气液搅拌釜中不同因素对混合时间的影响

在液体石蜡中通入氮气的气液搅拌釜中,通过光差法确定特定混合状态和达到该状态的混合时间,研究了多种因素对气液混合时间的影响。进气流量较小时,随进气流量增加,混合时间明显缩短;但当进气流量达一定值时,混合时间变化很小。比较了12个搅拌桨,转速和进气流量均相同时,6叶大圆盘涡轮桨混合时间最短;列出了4种桨型混合时间的长短顺序。转速和进气流量一定时,用4挡板替换3挡板,混合时间略有缩短。     

气波管内波系影响因素的实验研究与数值模拟

建立了一套气波单管机实验装置,系统地研究了不同实验条件下接受管端部加入一种特制的蓄冷填料后入射气体与反射激波强度的变化,考察了削弱激波能量对制冷效率的影响程度。利用这种方法对现有气波制冷机进行改造比较简单,制冷效率提高幅度可达5%左右。建立了管内非定常流动与管壁传热数学模型,对接受管内激波的流动进行了数值模拟,计算结果与实验测量值趋势相同,可为气波制冷机的改造、设计及优化提供理论上的指导。     

进料组成对双效精馏节能效果的影响

以乙醇-水为物系,通过模拟计算,研究了进料组成对平流双效精馏、顺流双效精馏和逆流双效精馏节能效果的影响。结果表明,平流双效精馏和逆流双效精馏的节能率随进料中易挥发组分质量分数的增加而增大,节能率均在40%以上。而顺流双效HGL精馏节能率随进料中易挥发组分质量分数的增加而略有降低,节能率近50%。因此,当进料中轻、重组分质量分数差不多,或轻组分质量分数较多时,选用平流双效精馏和逆流双效精馏节能效果较好,当进料中重组分质量分数较多时,顺流双效精馏节能效果较好。     

一种新型板翅式换热器气液分配器分配特性的敏感性分析

两相流动分配不均是影响板翅式换热器换热效率的主要因素。传统的"先混合,后分配"方法不能解决在导流翅片中流向突变时气液分离引起的气液两相流体分配不均问题,因此采用"先分配,后混合"的理念提出了一种新型的气液分配器,气体和液体分别从各自的通道进入分配器,在分配器内均匀混合后进入换热器的翅片换热通道进行换热。通过对分配器内部流场的数值模拟,发现:分配器的气液分配不均匀度随流量的增加而增加,且不均匀度受液相流量的影响比气相大。该气液分配器的气液分配不均匀度相比传统封头结构降低了一个数量级,能够有效改善板翅式换热器层间通道的气液分配特性,提高板翅式换热器的换热效率。     

基于热力学第二定律的ORC蒸气发生器性能优化

为了更深入地研究低温余热驱动ORC系统的设计与优化,建立了有机朗肯循环蒸气发生器主要热力性能计算模型,基于热力学第二定律,以蒸气发生器单位换热面积工质?升作为性能优化目标函数,选取了R245fa作为循环工质,在给定烟气进口温度以及保证循环工质在蒸气发生器出口为饱和蒸气条件下,对不同工况下的工质质量流速进行优化,并分析了在一系列换热管管径下,烟气入口温度、工质入口压力、管外对流传热系数、单根换热管烟气质量流量对目标函数及工质最优质量流速的影响。结果表明：工质入口压力与管外对流传热系数对最优工质质量流速影响显著,随着工质入口压力与管外对流传热系数的增大,最优工质质量流速增大,对应的换热管径减小;而烟气入口温度、单根换热管烟气质量流量对最优工质质量流速影响甚微。     

超临界二氧化碳干气密封相态分布规律与密封性能研究

以超临界二氧化碳干气密封为研究对象,分别以维里方程、Lucas方程描述二氧化碳真实气体效应、黏度的变化,在考虑阻塞流效应的同时,采用有限差分法对考虑离心惯性力效应的Reynolds方程与能量控制方程进行耦合求解,分析讨论了工况参数与槽形结构参数对其相态分布规律与密封性能的影响。研究表明：S-CO₂从密封端面进口至出口的流动过程中,如果工况参数设置合理,将由超临界态逐渐转变为气态,并不会出现液态;较低的进口压力、进口温度以及转速,均会容易导致潜在的凝结流动发生;相比于工况参数对相态分布的影响,槽形参数对相态分布的影响较小,近乎可以忽略;开启力除了随进口温度的升高而减小外,均随进口压力、转速、槽深、螺旋角的增大而增大;泄漏率随进口温度和转速的增大而减小,但其随进口压力、槽深、螺旋角的增大而增大。这些结果为进一步研究超临界二氧化碳干气密封提供了一定的支撑。     

微通道反应器氯磷酸单丁酯与正丁醇酯化反应数值模拟

基于微通道反应器内氯磷酸单丁酯（MCP）与正丁醇（n-BuOH）酯化反应的实验结果,确定了有限速率（finite-rate）模型所需的反应动力学参数（活化能和指前因子）,进而通过此模型,采用数值模拟方法讨论了微通道几何尺寸及反应物进口流速对整个反应体系的影响。研究结果表明：在相同停留时间的前提下,管径减小使反应器出口位置的转化率升高,最高可达73%,并且反应器内物质分布的均匀性和一致性得到提升;在物料进口流速不变的条件下,随着反应器管长增加,出口位置反应物转化率有所提高,最高可达64%,但在实验条件的停留时间下,出口位置反应物转化率并没有达到峰值,峰值所在位置与出口位置相距约0.89m,存在一定的滞后现象;减小反应物进口流速会提高反应物的轴向转化率,但同时也会降低产品的质量流率。     

沼气调峰用LNG混空装置的设计与测试

针对沼气产气量不稳定的问题,提出了采用LNG气化掺混空气作为沼气调峰气源的解决方案,设计并加工了一种LNG引射空气混合器,模拟生产实际对引射混合器的运行特性进行了实验研究。结果表明在引射器出口压力一定时,混气比(空气:天然气)随着进口压力的增加而显著提升;进口压力一定时,混气比随着出口压力的增加而逐渐减小;考虑进出口压力对混气比的共同作用时,提高进口压力,混气比随出口压力升高而降低的趋势减缓;提高出口压力,混气比随进口压力升高而上升的趋势加剧。为获得与沼气发酵罐相同的出口压力,引射器进口压力应为0.25 MPa。     

丙烷脱氢Cr_2O_3/Al_2O_3催化剂烧焦再生过程的模型化与模拟(英文)

A heterogeneous model is developed for the regeneration of the Cr2O3/Al2O3 catalyst for the propane dehydrogenation process by considering the internal mass transfer and external mass/heat transfer during the coke combustion. Simulation shows that under practical operating conditions, multi-steady states exist for the catalyst pellets and the catalyst temperature is sensitive to gas temperature. However, at increased mass flow rate or lowered oxygen concentration, multi-steady states will not appear. Under the strong influences of film diffusion, the coke in the packed bed reactor will first be exhausted at the inlet, while if the film diffusion resistance is decreased, the position of first coke exhaustion moves toward the outlet of the reactor.     

微量有机化合物催化燃烧反应器数学模拟

建立了甲苯、二甲苯、环己烷催化燃烧反应器的一维拟均相数学模型 ,在MnCuOx/Al2 O3 催化剂上催化燃烧反应动力学采用Langmuir双曲型动力学方程。模拟计算了废气处理量、废气中有机化合物的浓度、床层入口温度对净化率的影响     

壁面润湿性对微细通道内R141b流动沸腾不稳定性的影响

为了探究壁面润湿性对制冷剂R141b流动沸腾不稳定性的影响，设计微细通道流动沸腾实验平台，制备3种不同润湿性的矩形微细通道，其壁面接触角分别为62.3°、接近0°和158.7°。以R141b为实验工质，在截面宽×高为1mm×2mm的矩形微细通道内进行流动沸腾换热实验，研究了沿程测点压力波动情况以及影响进出口总压降波动的因素，最后对总压降波动信号进行Hurst指数分析，结果表明：微细通道沿程测点波动方差最大的位置正处于沸腾起始点（ONB）附近，热流密度的减小以及质量通量的增大均会使沸腾起始点推后；进出口总压降波动受热流密度、质量通量和壁面润湿性的影响，相同工况下，热流密度增大和质量通量的减小都会引起系统不稳定性增强，超疏水表面微细通道的总压降波动方差均比其他两种表面的大，是波动方差最小的超亲水表面的1.35～1.84倍；利用Hurst指数分析，表明系统具有混沌现象，超疏水表面微细通道的Hurst指数最大，表现出更强烈的不稳定性。     

转化过程气体换热器的副线调节性能——温度的影响

对转化过程采用圆缺形折流板和双圆缺形管束排列的气体换热器 ,推导出操作气量负荷率、管壳程副线率以及换热面积富裕系数与换热器管壳程进出口温度变化值之间的定量解析关系式 ,它们仅是换热器管壳程进出口温度设计值的函数。管壳程进出口温度变化共有 58种组合形式。最小换热面积富裕系数为温度变化引起换热量变化及换热器平均温差变化两部分的乘积。     

基于湍流模型的S-CO2干气密封流场与稳态性能分析

为探究湍流效应对S-CO₂干气密封性能的影响规律,以螺旋槽干气密封为研究对象,引用考虑离心惯性力效应的湍流Reynolds方程,选择Ng-Pan湍流系数表达式,采用物性软件REFPROP对CO₂真实物性进行计算。之后,根据普适能量方程,通过引入包含湍流效应、离心惯性力效应的平均速度,建立了可压缩流体简化能量方程。通过对湍流Reynolds方程与简化能量方程进行耦合求解,分析讨论了不同工况参数与平均膜厚下湍流效应对密封性能的影响。研究表明：湍流效应使得气膜流场内压力与温度分布发生显著变化,流场计算时不可忽略;在不同进口压力、进口温度下,湍流下的开启力和泄漏率显示出与层流一致的变化趋势;在不同平均膜厚下,考虑湍流效应后的开启力呈现出与层流不同的变化规律,而泄漏率表现出与层流相同的变化趋势;在不同进口压力、进口温度、平均膜厚下,湍流下的开启力和泄漏率均比层流下的低,且在两种流态下的这种差异随着进口压力、进口温度、平均膜厚的增大而逐渐增大;在不同转速下,开启力和泄漏率在湍流下分别表现出与层流不同的变化趋势。这些结果为进一步研究湍流效应对S-CO₂干气密封的影响提供了支撑。     

Dynamic modeling and simulations of the behavior of a fixed‐bed reactor‐exchanger used for CO2 methanation

A multidimensional heterogeneous and dynamic model of a fixed‐bed heat exchanger reactor used for CO₂ methanation has been developed in this work that is based on mass, energy and momentum balances in the gas phase and mass and energy balances for the catalyst phase. The dynamic behavior of this reactor is simulated for transient variations in inlet gas temperature, cooling temperature, gas inlet flow rate, and outlet pressure. Simulation results showed that wrong‐way behaviors can occur for any abrupt temperature changes. Conversely, temperature ramp changes enable to attenuate and even fade the wrong‐way behavior. Traveling hot spots appear only when the change of an operating condition shifts the reactor from an ignited steady state to a non‐ignited one. Inlet gas flow rate variations reveal overshoots and undershoots of the reactor maximum temperature. © 2017 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 64: 468–480, 2018