直通式真空集热管热性能的数值模拟研究

利用Fluent软件对直通式真空集热管复杂的耦合换热过程进行了数值模拟,建立了集热管的非均匀热流边界条件下的传热模型,并将模拟结果与实验结果进行对比验证;分析得到了非均匀热流边界条件下,辐照强度、传热工质流速和入口温度对吸热管周向温度分布的影响。结果表明:吸热管轴向热流分布极不均匀,吸热管周向温差高达74.5 K。较大的温差会使集热管产生热应力,当超过集热管的屈服强度时,就会引起集热管的破坏,降低使用寿命。     

超临界变压运行直流锅炉内螺纹管螺旋管圈水冷壁的传热特性研究

在压力9~28MPa,质量流速600~1200kg/(m2s),内壁热负荷200~500kW/m2的工况范围内,研究了Φ38.1×7.5mm倾斜上升内螺纹管(倾角α=19.5o)中水的传热特性。试验结果表明:在亚临界压力区,内螺纹管传热强化作用明显,有效地抑制了膜态沸腾的发生,但在近临界压力区此传热强化作用有所减弱。超临界压力区拟临界温度附近,内螺纹管内壁面与流体之间的温差较之前有所增加,但是此增幅远没有亚临界压力区发生传热后的壁温飞升幅度大。随着系统压力接近临界压力,拟临界点附近管壁与工质的温差显著增加。在超临界压力区,不同的质量流速与热负荷比例下,在大比热区内螺纹管内流体传热可能被强化也可能被恶化。在超临界压力下,由于螺旋内槽的旋流作用减弱了自然对流的影响,倾斜上升内螺纹管内壁温度的周向分布比较均匀。在高焓值区内螺纹管的周向最大温差只有10℃左右。文中提出了在考虑大比热区工质物性剧烈变化对传热影响的情况下,倾斜上升内螺纹管顶部内壁传热系数的试验关联式。     

直通式全玻璃真空集热器热性能研究

对单根直通式全玻璃真空集热管热性能进行分析和评价,建立一维传热数学模型,借助MATLAB软件采用假设温度法迭代求解,研究集热器热性能的影响因素。结果表明:环境温度、风速及太阳直射辐射强度对集热器热性能影响较大,应充分利用气象参数提高集热器热性能;工质进口温度越高,瞬时热效率越低,而进出口温差改变较小;随工质流量增加,进出口温差先下降最终趋于平缓,因此实际应用中应选取合适的运行参数,使集热器热性能最佳。通过实验验证了模型的正确性,并以对比实验证明了直通式全玻璃真空集热管热性能优于传统式。     

泡沫金属对圆管内Al_2O_3-水纳米流体流动和传热特性的影响

实验研究了Al_2O_3-水纳米流体在泡沫金属填充管内的流动和传热特性,泡沫金属孔密度(pores per 0.0254m,PPI)为20~40,孔隙率为90%,Al_2O_3-水纳米流体的质量分数为0.1%~0.5%。实验结果表明:以压降为代价的前提下,泡沫金属与纳米流体相结合的方式总是能显著强化传热。相同工况下,更大的PPI可以提高努塞尔数。去离子水工况下,40PPI泡沫金属对流换热效果最好,努塞尔数最大提高650%。泡沫金属PPI越大,压降增加越多,40 PPI泡沫金属的压降是光管的19倍。相比20 PPI泡沫金属,30 PPI的泡沫金属使努塞尔数最多提高15%,压降增加5%;40 PPI的泡沫金属可以使努塞尔数最多提高38%,压降增加38%。纳米流体的质量分数也对流动和传热有重要影响。根据实验数据开发了适用于纳米流体在泡沫金属强化管内的传热及流动的关联式。     

泡沫铝对电动汽车电池模块散热的研究

针对目前电动汽车电池组热管理系统存在的不足,提出了利用泡沫铝对锂离子电池组散热的创新模式。建立了电动汽车电池模块的散热模型,验证了利用泡沫铝对电动汽车电池组散热的有效性与可行性,且随着泡沫铝填充长度的增加,电池最高温度下降越多,最大温差先减小后增加。并发现孔隙率对电池的最高温度影响不明显,但孔隙率越小,最大温差越小,即电池间温度越均匀。     

半导体温差发电模块传热特性的数值研究

针对在光伏-温差混合发电系统中加入温差发电模块能否强化传热、降低光伏电池温度这一问题,结合温差发电的基本原理及传热学理论,采用有限容积法,研究了负载电阻、冷端对流换热系数对温差模块电学特性和传热特性的影响情况。结果表明:随着负载电阻的增加,回路中的电流逐渐减小,电压升高,输出功率会在最佳匹配电阻下达到最大值;负载电阻的增大同时也会导致温差模块传热性能降低,当电阻小于相应温差下对应的临界值时,温差模块会起到强化传热的作用;冷端对流换热系数对系统的传热性能的影响较大,当热端与环境温度之差为150 K,冷端对流换热系数为500 W/(m2·K)时,温差模块的发电效率可达到2.14%,是相同条件下对流换热系数为50 W/(m2·K)的3倍。     

泡沫金属对并联小通道流动沸腾和传热特性影响

泡沫金属由于占用空间小,散热面积大,可以极大地提升换热效率,小通道填充泡沫金属成为近几年强化换热方向的研究热点。对填充10PPI和20PPI的泡沫金属铜的并联小通道进行了流动沸腾实验研究。通过分析不同工况下的沸腾曲线,发现在相同的壁温条件下,热流密度随着质量流速的增加而增加。在相同热流密度下,填充泡沫金属通道相比空管的换热能力更强,并且PPI越高,换热效果越强。同时,在填充泡沫金属的通道中发现核态沸腾和对流沸腾2种沸腾模式。通过分析泡沫金属对换热系数的影响,发现在相同质量流速下,填充泡沫金属通道的换热系数相比空管都有所增加。通过比较可知,不同PPI泡沫金属虽然对换热系数的影响趋势不完全一致,但是对流动沸腾换热都具有明显的增强作用。最后分析了各工况下换热系数变化情况,基于数据拟合建立了填充10PPI和20PPI泡沫金属的换热系数预测模型,结果表明2个模型均具有良好的预测精度。     

槽式太阳能集热管传热特性的研究

以槽式太阳能集热管为研究对象,根据传热特性建立一维稳态传热模型;利用模型分析影响集热管热损失的因素,研究集热管出口参数受工质入口压力、流量和光照强度等因素的影响规律;并将模拟结果和文献的三维模型作对比。结果表明:发射率是影响集热管热损失的重要因素;压力越小或者流量和光照强度越大,集热管的效率就越高;一维模型虽然有所简化,但模拟的流体出口温度与三维模型的平均绝对误差只有0.68K,且模拟的吸热量和试验值更加吻合。     

超临界压力下二氧化碳在套管换热器内传热特性数值模拟

在超临界二氧化碳布雷顿循环等热质循环输运过程中，存在超临界压力下冷热2股二氧化碳间的流动传热过程，其传热特性是影响相应系统性能的关键。本文以套管换热器为原型，对超临界压力下的冷热二氧化碳间的传热特性开展了数值模拟研究，分析了热流体入口温度、冷热流体入口流量对于传热特性的影响和周向的传热特性分布。结果表明:随着热流体入口温度的变化，热侧和冷侧的局部换热系数产生相应的变化和波动，同时冷侧局部换热系数在主流温度接近拟临界温度时，会出现明显的传热强化现象；另外，热侧二氧化碳质量流量的上升，会使得热侧换热系数提高，冷侧换热系数峰值减小且向冷流体入口处移动，而随着冷侧质量流量的上升，冷侧换热系数峰值增大且向冷流体出口处移动。这是由于套管换热器为水平布置，传热特性在周向上产生了明显的不均匀现象，其与流体密度变化在重力作用下的局部湍流效应增强和削弱有关。本研究对新型二氧化碳布雷顿循环等热质循环输运过程的开发和设计具有指导意义。     

超轻多孔泡沫金属平板热管的传热性能研究

以水、乙醇和丙酮为工质,以超轻多孔泡沫金属为毛细吸液芯构造了新型的平板热管,并对其传热性能进行了实验研究。研究了填充工质、充液比、热管放置角度及加热功率等因素对平板热管传热性能的影响。结果表明以超轻多孔泡沫金属为毛细吸液芯可以显著强化平板热管的传热能力,具有优异的均温性能,扩展了平板热管承载高热流密度的能力,可达200W/cm2以上,并减小了平板热管的热阻,热阻最小可达0.09℃/W。在3种工质中,水为最佳工质选择,且当充液比为30%时具有较好的换热效果。     

考虑热辐射效应的泡沫金属有效导热系数数值分析

有效导热系数是泡沫金属工程应用中传热相关设计的一个重要参数。该文基于简化元胞结构模型,通过直接求解样品内部导热微分方程和辐射传递方程,研究FeCrAlY开孔泡沫金属的有效导热系数。比较了基于剖球模型与传统等截面支架搭接模型的计算结果,分析剖球模型下孔隙单元尺寸、孔隙率、样品平均温度等因素对有效导热系数的影响。研究结果表明,孔隙单元结构对有效导热系数的影响很大,不能仅通过孔隙率和孔隙数密度来研究有效导热系数的变化规律。高温下辐射传热占主导,孔隙率越高,孔隙越大,有效导热系数对温度越敏感。增大孔隙率、减小孔隙尺寸、降低工作温度等会减小泡沫金属的有效导热系数。基于简化几何模型的直接数值模拟可以作获得泡沫金属有效导热系数的一种行之有效的方法。     

TP347H钢600及650℃长时持久性能评估

本文利用日本国立材料研究所（NIMS）提供的不同批次、相同规格TP347H钢管持久断裂数据,对其在600 ℃及650 ℃长时持久性能进行分析,研究TP347H钢管持久断裂数据分散性及LM法常数项数值对评估可靠性的影响,其中,温度测试范围为600~750 ℃,最长断裂时间超过21万h。结果表明:与其他奥氏体耐热钢相比,TP347H钢持久试验数据点分布存在明显的分散性,同一测试条件对应的持久寿命可相差一个数量级及以上,相邻温区持久数据点部分重叠,因此对TP347H钢持久性能评估时需分批次进行;在使用LM法进行长时持久性能外推时,与通过数据拟合优化得到的C值相比,根据定义获得的C值在很大程度上可以降低对长时持久性能的过高估计。     

翅片管外有机工质TFE凝结换热特性研究

翅片管外有机工质换热特性（凝结换热系数及液膜热阻）影响冷凝器的换热性能。理论模型基于努谢尔修正膜理论,为提高计算精度,将翅片管沿管周向划分有限个微元角,建立各个微元角内翅片侧壁和翅片间基管处的层流膜状凝结换热模型,迭代求解各个微元角内的壁面温度,根据各微元角壁面与饱和蒸汽温差,推导翅壁面及翅间基管上的液膜热阻和换热量,最后求解管子平均换热系数。管壁温度随圆周角θ增大而减小;翅壁及基管上液膜热阻随圆周角θ增大而增大;基管上液膜热阻大于壁面上液膜热阻。与实验值比较,理论模型计算精度高于积分解法计算值。     

环境侧风与湿式冷却塔塔内通风量关系的实验研究

基于相似原理,通过热态模型实验,研究环境侧风下自然通风湿式冷却塔底部周向进风变化规律。研究表明:环境侧风破坏了冷却塔底部周向进风的轴对称分布规律,环境风速大于0.2 m/s时各处进风的不均匀性更加明显。与无风工况相比,当环境风速为0.4 m/s左右时,迎风面进风口风速为无风时的1.875倍,而背风面进风口风速仅为无风时的30%。同时分析了环境侧风下塔内漩涡分布规律,由进风口风速分布及塔内漩涡的分布规律可知,环境侧风严重影响了塔内通风量,恶化了塔内的传热传质性能。通过热态模型实验数据进行非线性回归,得到了塔内通风量(用空气重量风速表示)与环境侧风的关系,并通过140MW机组现场测试,验证了环境侧风与塔内通风量关系的准确性。     

流道布置对方形锂电池组温度场的影响

锂电池被广泛应用于新能源电动汽车,但其使用性能受温度影响较大。提出一种液冷式锂电池组散热结构,并用Fluent分析了液冷流道数量、流道间距、流道进出口排布方式对电池组在3C放电倍率下温度场的影响。结果表明随着液冷流道数量的增加,电池组的最高温度和温差均显著下降,且合适的流道间距能有效改善电池组的散热情况,此外,合理布置流道的进出口可以明显降低电池组温差。     

高压电缆缓冲层的设计与工艺研究

高压与超高压交联电缆金属护套与电缆缆芯之间的缓冲层是电缆的重要组成部分,对电缆的机械、热性能具有重要的影响。为研究缓冲层对电缆性能的影响,分析了不同的阻水带的热阻特性与工艺特点,对国产两种同型号不同厂家的电缆进行了对比温升试验,最后讨论和分析了现在国内外高压交联电缆缓冲层的结构与工艺特点。研究表明,具有不同结构与材料的缓冲层,对电缆本体的热阻有显著影响,也对电缆载流量有着很大的影响。在此基础上,对国产电缆的缓冲层设计与工艺提出了一些建议。     

单工质低温余热发电循环性能分析

为了提高能源利用的高效性和经济性,推进有机朗肯循环系统在低温余热发电领域的应用。通过建立热力学模型,并用Matlab软件进行编程,调用NIST Refprop数据库,选取六氟丙烷作为循环工质,模拟分析有机朗肯循环系统各方面性能。在采用循环输出功率、㶲效率和热效率等热力学指标研究系统热力性能的基础上,分别采用换热面积和CO₂年减排量作为评价系统经济性能和环保性能的指标。研究结果表明：单变量时,在冷凝压力为150 kPa时能保证系统性能达到最佳。多变量时,热源温度提高会使经济性能大幅度降低,而系统的热力性能和环保性能有所提高,综合考虑可取热源温度为155 ℃~185 ℃;当系统各性能分别保证最佳时,蒸发压力随热源温度呈现不同形式的变化,但始终不超过3350 kPa。     

太阳电池组件户外性能测试

为了研究在户外工作条件下太阳电池组件的实际工作性能,在一天过程中的太阳电池组件V-I特性、组件温度、环境温度和太阳辐照度被测试。结果发现:影响太阳电池最大输出功率的主要因素是太阳辐照度;工作温度对电池组件的效率影响较大,同时高的工作温度还会使最大功率电压降低很多;太阳光谱对太阳电池组件的输出性能也有一定的影响,当辐照主要以散射为主时,太阳电池组件有更高的转化效率。     

燃机与锅炉耦合系统提高电厂供电效率的研究

为提高火力发电厂的供电效率,提出燃机与锅炉机组的耦合系统,并建立该耦合系统性能计算模型。经过对耦合系统性能的预测分析可知:排烟温度对系统的性能影响较大,在设定的130℃排烟温度条件下,耦合了燃机的电厂效率提高,供电煤耗降低。在一定的最高燃机工作温度条件下,进入锅炉机组总风量与流经燃机的空气流量与之间的比值有最佳值。以燃机最高工作温度700℃为例,耦合系统可以提高机组效率0.5%以上,其发出的功率可以增加电厂供电量超过4%,在考虑了机组热效率以及低温腐蚀等因素以后,除了抵消风机电耗以外,最佳的供电量增加幅度为1.64%,此时对应着最佳的锅炉机组总风量与流经燃机空气流量的比值,其大小为4.29。