蒸发器沸腾两相段熵产分析

以管内侧制冷剂,管外侧水的蒸发换热器为研究对象,基于热力学第一、第二定律建立了蒸发器沸腾两相流段的熵产计算模型,用量纲1熵产数N_s表示管内外流体因温差传热和压降损失引起的不可逆损失。分析水侧、制冷剂侧质量流量,水侧入口温度和管长尺寸对系统熵产数的影响。结果表明：系统熵产主要由制冷剂侧两相压降引起;系统熵产数随水侧质量流率的增大迅速降低并趋于稳定,随制冷剂侧质量流率的增大呈指数增长,随水侧进口温度和管长尺寸的增大而增加。     

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。     

多效蒸发海水淡化系统中CO2化学解吸的模拟

为有效降低不凝气对降膜蒸发过程的影响和优化蒸发器结构参数,建立了多效蒸发(MED)海水淡化系统中CO₂化学解吸的数学模型,通过对实际海水淡化装置的模拟,得到了系统CO₂的解吸速率及其影响因素,并通过与前人研究成果和MED海水淡化厂实际运行数据对比分析,验证了模型的正确性并且证明具有更高的精度。结果表明,蒸发温度是决定化学反应速率的关键因素,蒸发温度越高,反应速率越快,在海水加热到饱和温度阶段,海水盐度和pH值也显著影响化学反应速率;碳酸盐离子浓度因海水蒸发而增大,有助于CO₂的化学解吸;随着各效蒸发器内蒸发温度的降低,液膜中传质系数降低,CO₂解吸速率逐效降低。     

基于SOFC/GT/TCO2复合动力循环和溴化锂制冷机的冷热电联供系统性能

提出了一种新型冷热电联供系统,通过TCO₂循环和溴化锂制冷机回收SOFC/GT循环的排烟余热,实现对外供冷、供热和供电。建立了联供系统热力性能的数学模型,对系统进行了能量分析和（火用）分析,并研究了空燃比、SOFC压力、CO₂工质流率、CO₂工质分流比和TCO₂泵出口压力对系统性能的影响。研究结果表明,在额定工况下,系统的净发电效率为70.79%,系统总（火用）效率为68.29%,综合能源利用率为108.5%。增大空燃比、CO₂工质分流比或降低SOFC工作压力、CO₂工质流率和TCO₂泵出口压力可提高联供系统的综合能源利用率;增大SOFC工作压力、TCO₂泵出口压力或降低空燃比可提高联供系统的净发电效率和总（火用）效率,随CO₂工质流率和CO₂工质分流比的增大,净发电效率和总（火用）效率先降低后增大。     

回路热管微通道换热器蒸发冷却实验

采用微通道换热器作为数据中心回路热管冷却换热器,在微通道冷凝器侧进行了蒸发冷却实验。实验利用焓差平台测量了不同因素对采用蒸发冷却技术的微通道冷凝器换热影响,并分析了室内外不同温差、室外不同湿度条件下采用蒸发冷却的微通道冷凝器及蒸发器的进出口空气温差。实验结果表明：采用蒸发冷却可使冷凝器入口空气温度实现大幅温降,并增加冷凝器及蒸发器的进出口空气温度差值,喷淋后可使流经热管空气降温0.3～1.9℃,增大2%～20%的系统换热量,冷凝器换热效率得以提升,并可扩大回路热管换热器使用地区,延长回路热管年利用时间。     

微细通道内CO2沸腾换热与干涸特性

CO₂作为一种天然制冷剂在微通道内应用具有很大的换热优势,然而由于微尺度效应及其物性,在低干度区容易发生干涸,严重影响换热效果。为研究微细通道内CO₂流动沸腾换热与干涸特性,搭建了相应实验装置,对内径分别为1mm、2mm、3mm以及内表面粗糙度为16μm的不锈钢管,在CO₂制冷剂热流密度2~34kW/m²、质量流率50~1350kg/(m²·s)、饱和温度-10~15℃下进行换热性能与干涸实验对比研究。结果表明:常规管径换热特性在微细通道内不再适用;热流密度的增加对于强化核态沸腾换热具有显著影响,高于临界热流密度(critical heat flux,CHF)则发生干涸;质量流率对于核态沸腾区换热系数的影响则较小;不同饱和温度时换热特性有所不同,高饱和温度下换热系数随其升高而提高,低饱和温度下则相反;干涸过程对总换热系数的影响占34%。研究结论为CO₂微通道换热器的研究开发提供理论依据。     

一种冷热电联供和CO2捕集的联合动力循环

针对液化天然气(LNG)的冷能利用、天然气燃烧生成烟气的余热回收和烟气中CO₂的捕集问题，提出了一种冷热电联供的CO₂回热朗肯循环和三级有机朗肯循环联合动力循环(CO₂RRC-TORC)。采用Aspen HYSYS软件对系统进行模拟，分析了CO₂回热朗肯循环透平入口压力、三级ORC透平入口温度和压缩机出口压力对热力学性能的影响。结果表明：在CO₂质量流量为3.2 kg/s,透平等熵效率为75%时，系统净输出功可达2 425.57 kW,热效率为64.76%,冷■回收率为44.78%,■效率为42.57%,年度净资产为3 503 736.70美元。相较于CO₂回热朗肯循环和单级有机朗肯循环联合动力循环(CO₂RRC-SORC),CO₂RRC-TORC系统在热力学和经济性方面均具有更大优势。     

填料吸收塔内乙醇胺溶液吸收CO2增强因子

醇胺溶液吸收CO₂是沼气提纯领域重要的研究课题。在实验填料吸收塔中,以NaOH水溶液吸收低浓度CO₂的实验结果估算了填料的有效相界面积,建立了乙醇胺（MEA）溶液吸收高浓度CO₂增强因子的数学模型,并从数学模型和实验的角度研究了MEA浓度、进气流率、CO₂浓度等工艺参数对MEA吸收CO₂增强因子的影响。结果表明,增强因子数学模型计算值与实验值能够良好吻合,MEA吸收CO₂化学反应增强因子随进气CO₂浓度增加而降低,随MEA浓度增加而增加,随进气流率增加而减小。     

CO2在醚酯溶剂中的溶解度测定及热力学计算

采用恒定容积法,在温度353.15、363.15、373.15 K下,测定了CO₂在丙二醇甲醚醋酸酯(PMA)、二丙二醇甲醚醋酸酯(DPMA)、乙二醇丁醚醋酸酯(BAC)以及乙二醇苯醚醋酸酯(EPA)中的溶解度数据,压力最高可达11.73 MPa。结果表明CO₂在醚酯体系中溶解度受温度、压强的影响较大,压强一定时,CO₂在醚酯中溶解度随温度升高而减小;温度一定时,随着压强增大而增大;相同条件下,CO₂在四种醚酯中溶解度大小为PMA＜ EPA＜BAC＜DPMA。通过变形Clausius - Clapeyron方程,计算得到CO₂在醚酯溶剂中的Gibbs自由能Δ_sol G,溶解焓变Δ_sol H和熵变 Δ_sol S等热力学性质,从宏观热运动角度进一步解释了CO₂的溶解机理,为开发新型CO₂物理吸收剂提供理论支撑。     

不同流型下离子液体-MEA复合工质降膜吸收CO2特性

以氨基酸离子液体和乙醇胺混合水溶液为吸收剂研究逆流气体对竖直平板降膜流型转换的影响,考察了3种流型下液体流量和入口温度、气体流量和进口CO₂浓度对CO₂吸收性能的影响。结果表明:随着液体流量的增加,液膜呈现溪流、片状流和完整流3种流型,降膜流型转换临界流量随逆流气体流量增大而增加;溪流和片状流时CO₂吸收速率随液体流量的增加而增加,但在完整流条件下基本不变;完整流下具有较高的CO₂吸收速率,然而溪流下的液相传质系数最高。     

跨临界CO2快速膨胀过程中非平衡冷凝和闪蒸机理的数值研究

跨临界CO₂在高速膨胀时,压力和温度剧烈下降,会发生非平衡相变。其中在天然气超声速分离设备和超临界CO₂离心压缩机中CO₂会发生非平衡冷凝相变;在引射膨胀制冷系统中,跨临界CO₂在引射器主动喷嘴中发生非平衡闪蒸相变。为解决跨临界CO₂在膨胀过程中物性变化剧烈,非平衡相变模拟困难的问题,构建了新型非平衡相变CFD模型,以研究跨临界CO₂在超声速缩放喷嘴中的非平衡冷凝和非平衡闪蒸的相变过程和膨胀机理,模型耦合了温度驱动的蒸发-冷凝相变机制和压力驱动的空化-冷凝相变机制,并用文献中的试验结果验证了模型的准确性。研究结果表明,在冷凝相变过程中,由压力驱动的冷凝传质具有主要影响,压力驱动的冷凝传质主要存在于喷嘴喉部与内流区域,温度驱动的冷凝传质主要存在于喷嘴渐扩段壁面。冷凝传质速率随着进口压力的增加和进口温度的降低而增加,从而使冷凝的非平衡程度和喷嘴内的干度降低,喷嘴渐扩段内达到声速的位置也相应延后。在闪蒸相变过程中,由温度驱动的蒸发传质占据主导,蒸发相变主要发生在喷嘴喉部附近,空化相变主要发生在喷嘴渐扩段,两相CO₂在喷嘴的渐扩段达到声速。随着喷嘴进口压力的增加和进口温度的降低,闪蒸的非平衡程度增加,使喷嘴内的干度减小。本研究有助于厘清跨临界CO₂快速膨胀中的非平衡闪蒸和冷凝相变机理,并为跨临界CO₂膨胀设备的分析和优化设计提供参考。     

跨临界CO2快速膨胀过程中非平衡冷凝和闪蒸机理的数值研究

跨临界CO₂在高速膨胀时,压力和温度剧烈下降,会发生非平衡相变。其中在天然气超声速分离设备和超临界CO₂离心压缩机中CO₂会发生非平衡冷凝相变;在引射膨胀制冷系统中,跨临界CO₂在引射器主动喷嘴中发生非平衡闪蒸相变。为解决跨临界CO₂在膨胀过程中物性变化剧烈,非平衡相变模拟困难的问题,构建了新型非平衡相变CFD模型,以研究跨临界CO₂在超声速缩放喷嘴中的非平衡冷凝和非平衡闪蒸的相变过程和膨胀机理,模型耦合了温度驱动的蒸发-冷凝相变机制和压力驱动的空化-冷凝相变机制,并用文献中的试验结果验证了模型的准确性。研究结果表明,在冷凝相变过程中,由压力驱动的冷凝传质具有主要影响,压力驱动的冷凝传质主要存在于喷嘴喉部与内流区域,温度驱动的冷凝传质主要存在于喷嘴渐扩段壁面。冷凝传质速率随着进口压力的增加和进口温度的降低而增加,从而使冷凝的非平衡程度和喷嘴内的干度降低,喷嘴渐扩段内达到声速的位置也相应延后。在闪蒸相变过程中,由温度驱动的蒸发传质占据主导,蒸发相变主要发生在喷嘴喉部附近,空化相变主要发生在喷嘴渐扩段,两相CO₂在喷嘴的渐扩段达到声速。随着喷嘴进口压力的增加和进口温度的降低,闪蒸的非平衡程度增加,使喷嘴内的干度减小。本研究有助于厘清跨临界CO₂快速膨胀中的非平衡闪蒸和冷凝相变机理,并为跨临界CO₂膨胀设备的分析和优化设计提供参考。     

二氧化碳微通道蒸发器压降特性的模拟验证

分析二氧化碳微通道蒸发器的物理结构及二氧化碳两相段及过热段的流动特性,基于有限元分析法,采用分段研究的方法建立微通道二维分布参数模型。研究各参数对二氧化碳在微通道中流动特性的影响,根据模拟结果可得压降主要发生在蒸发器入口经集流管进入扁管处,二氧化碳在过热段压降远小于两相段压降。蒸发压力对扁管内的压降影响很小,随着二氧化碳质量流率增大,压降增大,两相区与过热区分界线右移。对比分析模拟与实验结果,误差在10%之内,验证所建立数学模型的合理性。     

方形微通道内超临界CO2流动换热特性研究

采用SST k-ω湍流模型对加热条件下超临界CO₂在方形微通道内的流动换热特性进行了数值模拟。通过对比三种壁面平均传热系数、浮升力参数和二次流强度的沿程变化研究了管型、热通量、质量流量和倾斜角度对微通道内流动换热性能的影响。结果表明：水平方形微通道的整体换热性能优于相同水力直径的半圆形微通道。流体域典型截面的温度分布、速度分布和湍动能分布等信息可以很好地解释水平方向流动时上、下壁面传热差异的现象。减小热通量、增大质量流量或减小流体流动方向与重力方向之间的夹角,可提高方形微通道的整体换热水平。该模拟结果对以超临界CO₂为工质的微通道换热器的设计和优化具有一定的理论指导意义。     

碳酸钾生产中除氨新工艺实验研究

现有碳酸钾生产工艺中采用蒸发除氨,由于除氨不彻底,导致蒸发二次蒸汽中含有大量氨气和二氧化碳,使蒸发器的传热系数大大降低,从而增加了蒸发能耗;另一方面,挥发出的氨气和二氧化碳又难以集中回收,造成资源浪费,且增加原料成本费用。采用解吸法除氨,对料液温度、气液比、喷淋密度、气提时间、初始浓度等因素进行研究。实验结果表明,对于定量的处理料液,料液温度、气液比、喷淋密度、气提时间对碳酸氢铵分解影响较大,初始浓度对其影响较小。最佳工艺参数：料液温度为85 ℃、气液体积比为30∶1、喷淋密度为55 m³/（m²·h）,汽提时间为2.5 h,此时除氨率为95.48%。     

HD低温蒸发系统中填料蒸发器传质传热的分析

通过研究系统中填料蒸发器的蒸发传质传热过程以及两相流动特性，采用计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）中离散相与连续相耦合的方法来模拟规整填料内部通道的蒸发传质传热过程，实现了填料蒸发器中两相传质传热的过程以及液滴流动的可视化，为研究气液两相在规整填料内的流动提供了一种模拟方法。通过与实验结果的比较，最终选用RNG k-ε湍流模型来分析规整填料内部气液两相传质传热以及流动情况。数值模拟研究了规整填料板间距对填料内部气液两相传质传热以及液滴运动影响，发现随着板间距的增大，填料内部压力降逐渐降低，出口空气中水蒸气的含量不断减小，液滴蒸发速率降低，液滴进出口质量差减小，气相出口温度逐渐降低，蒸发传质传热效率降低。随着气速的增大，出口空气中水蒸气的含量不断减小，液滴蒸发速率增加，气相出口温度降低，气液两相传质传热效率降低。     

阵列凸起微通道内气液两相传质特性研究

研究了阵列凸起微通道内N-甲基二乙醇胺（MDEA）吸收CO₂过程的气液两相传质特性。在弹状流型下,考察了气液两相流量、MDEA浓度对体积传质系数、CO₂吸收效率、压力降以及能量损耗的影响。弹状气泡受到阵列凸起的挤压作用发生形变,促进了气液两相间的传质。与平滑通道相比,阵列凸起微通道在实验条件下具有更好CO₂吸收效率。在相同的能量损耗时,阵列凸起微通道具有更大的体积传质系数。     

传热模型对近临界工况CO2干气密封温压分布和稳态性能影响

干气密封流体膜与密封环间传热模型的合理选取对于准确求解密封温压分布和稳态性能至关重要。在CO₂近临界工况下,对比研究了密封环等温模型、绝热模型和共轭热传递模型对超临界CO₂干气密封端面温度、压力分布和开启力、泄漏率等稳态性能的影响,探讨了不同膜厚和转速条件下密封环等温模型和绝热模型的适用性,并基于共轭热传递模型研究了超临界CO₂和空气介质干气密封的温压分布和稳态性能差异。结果表明：以共轭热传递模型计算结果为基准,密封环等温模型假设适用于小膜厚低速流动工况,不过开启力偏低而泄漏率偏高,绝热模型假设适用于大膜厚高速流动工况;相较于空气介质干气密封,超临界CO₂干气密封在小膜厚下的温度分布和大膜厚下的压力分布基本接近,不过小膜厚下的温度更低,而在大膜厚下的压力更高。     

微通道内CO2吸收与传质及资源化利用的研究进展

由于在流体流动、传质、传热及反应等方面良好的调控能力,微化工技术成为化工学科重要的发展领域。综述了近年来以CO₂应用为背景的微化工系统中的多相流与传质的研究进展。从流体流动和传质机理出发,分别介绍了物理吸收和化学吸收过程的传质规律。总结了二氧化碳资源化利用的应用进展。展望了微化工技术在二氧化碳吸收与传质方面的发展前景。