有机朗肯循环混合工质的热力学分析

有机朗肯循环是利用低品位余热的关键技术之一,在一定程度上可有效缓解能源危机。相比于传统的纯工质,混合工质因其在换热器中具有温度滑移特性,可以更好地与热源进行耦合。因此选用混合工质可以使机组的效率得到更进一步的提升。通过采用二次迭代的方法,热源温度为120℃时,理论分析了以R245fa为参考的6种混合工质对,其混合比例对系统输出功与效率的影响。结果表明:工质吸热量一定的情况下,系统采取混合工质可以获得比纯工质更高的输出功、热效率。当吸热量为197.29 k W时,以纯R245fa为工质的系统最大输出功与热效率分别为11.98 k W与6.07%。存在最佳混合工质对R113/R245fa(质量分数0.7∶0.3),相比于纯工质R245fa,输出功与热效率分别提高了22.87%和22.89%。同时发现,无量纲积分温差ΔT~*与系统净输出功、热效率之间存在反比关系。当工质为R113/R245fa(质量分数0.7∶0.3)时,在最大净输出功工况下,6种混合工质对下的最小值ΔT~*为0.233。     

自然冷却均温板数值模拟

为实现电子设备无噪声、高均温的温度控制,设计了1种新型自然冷却均温板。在均温板内设置两相流体管路,通过管路中工质的相变换热,强化均温板的传热性能与均温特性。通过经典相变理论并结合流体体积函数方程建立自然冷却均温板的流动与传热模型,计算模拟了均温板内部的工质两相流动、传热以及气液相变的过程。模拟结果显示:均温板主要在重力的作用下运行;在充灌量为70%时,均温板的温差和热阻最小;工质R134a的换热性能明显优于工质R236fa和R245fa。     

发动机双回路朗肯循环的性能分析和参数优化

为提高发动机余热回收中双回路有机朗肯循环(DORC)的余热回收效率,通过热力学第一定律,建立包括蒸发器、涡轮、冷凝器和泵的有机朗肯循环模型。基于该模型,研究高温回路工质(R123、R245fa、R141b和水)、蒸发压力(1~7 MPa)和涡轮入口温度(480~680 K)对发动机余热回收系统性能的影响规律,以系统净输出功、热效率和效率为评判标准,找到最佳工质和热力参数。结果显示,高温回路蒸发压力的增加,对所有工质都有明显优化作用,而当工质被加热成过热气体后再进入涡轮做功,对湿工质水而言,过热度增大,系统性能提高,对干工质R245fa和等熵工质R123、R141b,过热度增大却没有明显优化甚至有恶化作用。水工质DORC表现最好,相应的净输出功、热效率和效率分别为95.44 k W、13.84%和63.20%。考虑系统的换热面积,R123是四种工质中最理想的工质,对应的单位换热面积的净功量为6.39 k W/m~2。     

氧气高炉多流体数值模拟与分析

为研究不同氧气高炉操作流程及操作参数对高炉内部过程产生的影响,预测氧气高炉流程各参数的变化规律,基于多流体理论、冶金传输原理、冶金反应动力学与热力学理论以及计算流体力学建立了普通高炉多流体模型,并在此基础上修改边界条件及内部相关参数,建立氧气高炉多流体数学模型。通过建立的模型分别对普通高炉和气化炉氧气高炉(GF-FOBF)流程中的氧气高炉进行了模拟计算,得到两种工艺流程下高炉内温度场、浓度场和速度场等典型参数的分布情况。通过对计算结果的对比,分析了氧气高炉操作条件下炉内状态的主要特征和相对于普通高炉发生的变化,发现氧气高炉内部速度场、温度场均发生变化,特别是气相组分的均匀分布问题明显。本模型可为氧气高炉流程试验及流程开发提供参考。     

蒸汽喷射器的CFD数值模拟及其性能

根据喷射器的结构特点,建立了蒸汽喷射器二维CFD模型,研究了工作参数(工作流体压力、引射流体压力和混合流体压力)和结构参数(混合室收缩段长度、等截面混合室长度和直径、扩压室长度和工作喷嘴结构等)对蒸汽喷射器性能的影响.研究表明:①等截面混合室长度和直径、工作喷嘴喉部直径以及喉管面积比φ存在使喷射系数达到最大的最佳值;②CFD不仅是预测喷射器性能的有力工具,而且使人们更加清晰地了解喷射器内流动和混合过程.     

六种高温工质统一状态方程的建立

根据中高温热泵工质物理性质、实用性和环保性指标筛选出六种高温工质R245fa、R245ca、R236ea、R600、R123和R134a作为研究对象,建立了这六种工质的RKS统一状态方程.并根据实验数据进行误差分析证明,在0℃～140℃温度范围内六种工质采用统一RKS状态方程进行热力学性质计算能够满足工程要求,并验证了六个工质采用RKS方程作为统一状态方程的可行性.     

混合工质泄漏对有机朗肯循环发电系统性能的影响

基于有机朗肯循环系统中各部件、管道等密封导致的实际系统运行过程中不可避免地存在着循环工质的泄漏问题,结合余亥姆霍兹自由能状态方程、混合法则和等温泄漏模型,研究了非共沸混合工质R245fa/R601a（初始质量配比为0.6/0.4）在ORC发电系统蒸发器中泄漏率为0~50%时对混合工质配比以及循环性能的影响.结果表明:非共沸混合工质泄漏会造成混合工质配比及工质热物性的变化,系统循环性能也会改变,且蒸发出口段发生液相泄漏时对循环性能影响最大.随着泄漏率的增大,比净输出功减少率可达12.23%.      

齿轮箱浸油润滑流场及温度场仿真分析

为了研究浸油润滑齿轮箱的内部流场和温度场,采用RNG k-ε湍流模型、流体体积(VOF)模型和动网格模型,对齿轮箱内部流场进行动态数值模拟;应用多重参考系(MRF)模型对齿轮箱进行稳态温度场仿真,分析齿轮转速、浸油深度及滑油黏度等对齿轮温度场的影响。研究结果表明:运用动网格法可以较好地对齿轮箱中的油液分布、速度场和压力场进行仿真;MRF模型可以用于对齿轮箱稳态温度场进行分析,且齿轮转速、浸油深度和滑油黏度对齿轮啮合面的温度影响较大。     

回热式有机朗肯循环系统热力性能

膨胀机和工质泵作为有机朗肯循环系统的重要动力部件,在不同的热源温度下,合适的膨胀机及工质泵转速能够有效提高有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)系统的热效率.基于回热式ORC系统的热力学分析,选用1,1,1,3,3-五氟丙烷(R245fa)为工质研究了膨胀机转速、工质泵转速以及热源温度对系统...     

基于有机朗肯循环的低温太阳能发电系统工质的选择

有机朗肯循环系统利用低沸点的有机物作为工质推动透平做功,在低品位热能的利用方面更有优势.循环工质的选择是影响有机朗肯循环系统性能的关键因素之一.本文针对集热温度120℃,蒸发温度在100℃以下的低温太阳能有机朗肯循环系统进行了工质的研究分析,选择R245fa,R123,R236fa,R113,R245ca,R600,R601 7种工质,以工质的热效率、火用效率及系统不可逆损失为评价指标,利用Matlab和PERPROP软件对候选工质的各热力参数进行了比较.结果表明:低温太阳能有机朗肯循环发电系统的选用R123作为循环工质时具有较高的热效率和火用效率,且系统总不可逆损失较低,适合作为蒸发温度100℃以下的低温有机朗肯循环系统的循环工质.     

非共沸混合工质热泵节能特性的试验研究

本文对非共沸混合工质(以下简称NARB工质)热泵节能特性进行了试验研究,分析了温度、压力和充注浓度对热泵的性能系数、容量控制和热负荷等特性的影响。实验表明:混合工质比纯工质具有明显节能效果,这种效果随着混合工质中低沸点工质浓度的增加而加强,但受实际装置所限,存在着一个最佳浓度和压力选择问题。本文还对三元混合工质进行了实验研究,并与二元工质进行了对比分析。     

地热驱动有机朗肯-单级压缩制冷系统的热力学分析

建立了地热驱动有机朗肯-单级压缩制冷系统的热力学模型,根据热力学第一定律和第二定律,以系统性能系数和火用效率作为系统性能的评价指标,研究分别以R245fa,R123,R114,R141b作为循环工质时,地热流温度(发生温度)、凝汽温度和蒸发温度对系统性能的影响,并筛选出适用于中温地热能驱动的有机朗肯-单机压缩制冷系统最佳工质.计算结果表明,R141b综合性能最佳,根据典型工况下R141b作为循环工质时系统火用损的分布情况,在发生器和冷凝器处进行改进将大大提高系统的火用效率.     

两相流CO_2喷射器内部流场的数值模型

利用计算流体动力学模拟软件Fluent建立两相流CO_2喷射器非均相模型,基于非均相模型对CO_2喷射器的内部流场进行数值模拟,分析喷射器内部流场的相变、压力和速度变化情况,通过实验验证了模型精度;通过改变喷嘴段结构参数,探究了喷嘴设计对于喷射器性能的影响,并对喷射器结构进行优化.结果表明:喷射器喷射流量以及引射压力的模拟值与实测值的误差分别为6.5%和5.0%,即所建模型具有较高的精度;当喷射器喷嘴段出口出现激波现象时,流体的压力和速度均出现波动,并且存在明显的边界层;喷嘴发散段的长度越长,喷射流量越小,喷射速度越高;通过优化喷嘴段结构参数,可使喷射器的效率提高10.5%.     

喷射器内流场数值分析

为了增加对喷射器内部流场的系统认识,同时为喷射器数学模型的建立和设计提供参考,采用数值分析的方法,研究了喷射器的运行特性及内部流场。研究结果表明,当混合流场中涡的卷吸作用主导混合时,混合层边界可用于表征相的分布范围;可以通过分析湍动能和涡耗散率定性描述喷射器内流场混合层内涡的特性;当压力不匹配度小于1时,高速蒸汽的可压缩性对涡卷起的抑制作用,需要较长的混合区均衡流场,但可压缩性对混合层发展的影响有上限;当压力不匹配度大于1时,喷管出口处的激波可使混合层增长速度变大,使流场在较短的距离内便达到均衡状态,有效缩短喷射器长度。     

斯特林发动机气缸内部工质流场特性的数值模拟

运用计算流体力学(CFD)方法对斯特林发动机气缸内部工质的流场进行了数值模拟.应用FLUENT软件,采用标准的κ-ε模型、使用动网格模拟发动机活塞的往复运动.计算结果表明:发动机气缸内部流场极其复杂,膨胀腔和压缩腔内的速度场、压力场以及温度场随活塞运动动态变化,回热器内温度和速度呈线性分布.该方法为气缸结构的优化设计提供了理论依据.     

一种新的喷射器模型及其实验验证

根据喷射器内的湍流流动特征,引入临界圆的概念,即引射流体在混合腔入口处马赫数为1的位置;依据管内流动的速度分布特点,定义了一个二维速度分布函数来近似喷射器内的实际速度分布;利用喷射器的进出口能量平衡方程,建立了一种新的喷射器模型.模型的计算过程非常简单,不需要迭代计算.相比于现有的一维喷射器模型,采用二维速度分布函数的新模型具有较高的精度,同时它只含有8个代数方程,有结构简单和便于应用的优点.采用低沸点的R141B作为工质,建立了一个喷射制冷循环的实验平台.实验验证结果显示,新模型预测引射系数的最大误差仅为一6.03%,因此可以用于对喷射器的性能进行仿真和预测.     

高炉冲渣水有机朗肯循环波纹板式冷凝器传热特性

针对90 ℃左右的高炉冲渣水有机朗肯循环（ORC）发电系统,建立了R245fa在波纹板式冷凝器中的冷凝传热数值模型,并验证了模型的正确性。借助冷凝传热数值模型,探讨了蒸汽过热度、壁面过冷度、蒸汽干度对传热系数、压降和综合传热性能的影响,拟合了适用于以R245fa为工质的ORC发电系统中波纹板式冷凝器的传热关联式。针对冷凝器冷凝液相体积分数沿板长方向的变化情况,探讨了冷凝器中间排液的可能性,并就液相体积分数给出了合适的中间排液范围。     

天然气喷射压力计算方法与应用分析

天然气喷射引流技术是利用高压气井的能量提高低压气井压力,实现低压气井正常稳定生产,延迟增压开采时间。目前在现场得到了一定应用,但存在喷射压力的理论与应用分析缺乏。为提高喷射引流技术的应用效果,优化设计喷射器参数,本文结合长庆气田某输气站气体喷射器的实际工作情况,以喷射器内部气体流动特征和气体动力学理论为基础,建立了混合压力及特性曲线的计算模型,并进一步分析了其影响因素。结果表明：混合压力随高、低压天然气压力的增加而增加;高、低压气的温度对混合压力的影响不明显;混合压力随喷射器结构参数混合腔喉部面积与一次气喷嘴喉部面积之比的增加而减小,结合可达到喷射系数计算曲线可确定出气体喷射器的最佳状态参数;结构参数一次气喷嘴出口面积与一次气喷嘴喉部面积之比对混合压力有较为复杂的影响,且该参数存在最优范围。分析结果对于喷射引流技术的应用推广具有指导意义。     

螺杆膨胀机双循环低温余热回收系统分析

针对100℃以下流体的余热回收,建立了采用低沸点工质的双循环螺杆膨胀机余热回收系统优化模型,根据工质在蒸发器出口的热力状态不同,对不同膨胀过程求解,并分析了影响系统性能的主要因素.结果表明:对于工质蒸发温度的选择,当可以忽略蒸发侧泵耗时,宜采用以机组效率最大为目标进行优化设计,当必须考虑蒸发侧泵耗时,宜采用以系统效率最大为目标进行优化设计;对于螺杆膨胀机膨胀比的选择,当余热温度<100℃时,工质R245fa的最佳膨胀比为4,丁烷的最佳膨胀比为3,当余热温度>100℃时,最佳膨胀比的值增大;对于循环工质的选择,应考虑单位质量做功能力强、蒸发压力低和最佳膨胀比小的有机物等.     

两相喷射器的压缩/喷射制冷系统性能分析

研究了两相喷射器中流体的流动过程,并应用质量守恒、动量守恒、能量守恒对两相喷射器建立了热力学模型,以R134a/R1234yf为工质,分析了喷射器结构参数以及工况参数对压缩/喷射制冷系统性能的影响。计算结果表明:喷射器存在最佳喷嘴出口面积和最佳喉部面积比使压缩/喷射制冷系统的性能最佳;性能系数(COP)随蒸发温度升高和冷凝温度降低而升高,而性能系数提高率(COPi)随着蒸发温度降低和冷凝温度升高而升高;相同工况下,以R134a为工质的系统性能系数、制冷量均高于R1234yf;当系统以R1234yf为工质,蒸发温度为5℃,冷凝温度为55℃时,压缩/喷射制冷系统的COP值较传统压缩制冷系统的COP值可提高26%。