扭曲椭圆管内超临界CO2冷却换热的数值模拟

为了提高CO₂热泵的传热性能,基于Fluent的数值模拟方法研究了不同质量流量下,扭距为100 mm及无扭曲状态下的水平椭圆管管内超临界CO₂冷却换热特性及二次流的变化规律,并针对竖直椭圆管引入局部换热系数和压降,研究了长短轴比b/a及扭距对扭曲管换热性能的影响。结果表明,低质量流量下扭曲椭圆管内浮升力明显大于椭圆管扭曲结构所产生的浮升力,对于低质量流量G<200 kg/(m²·s²)下的超临界CO₂流体,椭圆管具有更大强度的浮升力所造成的二次流,强化传热更明显;对于高质量流量G>200 kg/(m²·s²)下的超临界CO₂流体时,扭曲椭圆管具有更大强度自身结构所产生的周期性二次流来强化传热;管内的传热系数及压降随着扭曲程度及压扁程度的增大而增大。为扭曲椭圆管在CO₂热泵中的应用提供了重要的理论与数据支持。     

直管套管内超临界二氧化碳热力性能研究

为了解决气冷器内不可逆损失对换热性能的影响问题,提高直管套管式气冷器的热力性能,对超临界二氧化碳套管式气冷器内二氧化碳与冷却水之间的热量传递过程进行了研究。采用Fluent数值模拟软件与熵产分析方法,通过改变操作压力、二氧化碳质量流量及冷却水的质量流量和进口温度进行数值计算,得出气冷器中二氧化碳和冷却水沿管长的温度分布情况,并依据热力学第二定律熵产分析方法,对直管套管内热力过程进行计算,得出沿管长的熵产分布情况。结果表明,随着压力的增加,沿管长方向的熵产逐渐增大;随着二氧化碳质量流量的增加,熵产逐渐减小;随着冷却水质量流量的增加,熵产增加幅度不明显;随着冷却水进口温度的增加,熵产随之减小。研究结果可为二氧化碳热泵气冷器运行参数与结构的设计以及二氧化碳热泵的工程应用提供一定的参考。     

超临界二氧化碳环境下PET聚酯的物理性能分析

 以PET(对苯二甲酸乙二醇酯)为对象,研究了超临界二氧化碳状态下体系温度和压力对原料物理性能的影响.通过TA Universal Analysal 2000热分析仪(DSC)表征样品的玻璃化转变温度(t_g),熔点(t_m)和结晶度;通过自动黏度测定仪表征样品的特征黏度();通过红外光谱仪(FT-IR)分析样品结构变化情况.结果表明,在超临界温度为130 ℃、超临界压力为20 MPa时,样品的t_g、t_m、最低,结晶度从原料的28%降到了23%,能使CO₂最大量地分析扩散进入材料中,最适宜溶胀发泡.红外表征结果表明样品分子结构没有变化,说明超临界CO₂没有与PET发生化学反应,物理参数变化由CO₂扩散进入材料分子链中引起的结晶度的变化而产生.     

偏心矩形盘旋套管式气冷器传热特性研究

为探究偏心结构对二氧化碳套管式气冷器换热性能的影响,基于Fluent软件建立同心矩形盘旋套管和偏心矩形盘旋套管式气冷器,对比相同操作条件下的温度云图、速度云图和比热容云图,分析对流换热系数、湍流动能和压力曲线。数值模拟结果显示,与同心套管式气冷器相比,偏心套管式气冷器的云图偏斜程度大于同心结构,平均对流换热系数和湍流动能分别较同心结构提升了12.99%和15.38%,最大压降增大了14.85%,偏心套管总的换热性能优于同心套管。研究结果证明了偏心套管式气冷器结构优于同心套管式气冷器,为超临界CO₂热泵中的矩形螺旋管缠绕气体式冷却器设计、运行以及热效率的提升提供了科学依据,对高效换热器的应用具有重要的实际意义。     

不同几何参数竖直蛇形管内超临界压力CO2流动与换热数值模拟

作为一种环境友好型自然工质, CO_2被越来越多地应用于热泵系统。该文通过模拟超临界压力CO_2在竖直蛇形管中的流动和传热过程,分析了蛇形管几何参数对其换热性能的影响,并探究超临界压力CO_2在不同尺寸蛇形管中流动的强化传热机制。建立了12种不同内径和曲率直径组合的蛇形管模型,以探究在给定质量流率条件下,不同内径和曲率直径对超临界压力CO_2流动换热性能的影响。结果表明:曲率直径或内径的增大,均会导致传热系数降低;蛇形管内径越大,外壁面温升及温度波动幅度均越大;蛇形管曲率直径越大,外壁温度越高。最后,研究了流动方向对传热性能的影响,发现当内径大于1 mm时,蛇形管换热性能在工质向下流动时优于在工质向上流动时。本文可以为相关换热器的优化设计提供参考,从而提高换热效率和系统性能。     

CY-700型填料塔中乙醇胺水溶液捕集CO2性能研究

为了提高填料塔的传质性能,对比研究新型CO₂吸收剂,在CY-700型不锈钢规整填料中试吸收和解吸塔内,研究了不同操作条件下乙醇胺（MEA）水溶液吸收CO₂的总体积传质系数K_Ga_v和捕集率,并对连续捕集CO₂工艺的再生能耗进行了分析。结果表明,K_Ga_v随液体流量的增大而增大,随溶液CO₂负载和CO₂分压的增大而减小,但是气体流量的增加对K_Ga_v有不利影响;中试连续循环运行结果表明,液气比和塔顶溶剂回流量对体系操作循环负载和再生能耗均有较大影响,在目标CO₂吸收率≥90%、吸收剂流量为5 L/h、气体流量为0.48 m³/h的操作条件下,捕集CO₂再生能耗约为8.5 MJ/kg,循环负载约为0.67 mol/kg。研究结果验证了装置运行的稳定性和可重复性,CY-700填料塔的传质性能较好,为下一阶段探索新型贫水有机胺吸收剂捕集CO₂的性能提供重要的对比参考数据。     

纤维素基多孔碳的制备及其CO2吸附性能研究

以甲基纤维素为原料,改变水热碳化温度得到不同水热产物,随后对其进行化学活化得到多孔碳样品。研究水热温度对多孔碳样品形貌和孔结构的影响,测试了样品在不同压力下的CO₂吸附性能。结果表明,水热温度对纤维素基多孔碳的孔结构影响较大。随着水热温度的升高,其比表面积、孔容、微孔比表面积、微孔孔容均呈现出先增大后减小的趋势,平均孔径则先减小后增大。CO₂吸附量也先增加后减小。样品ACe-270在纤维素基多孔碳中吸附性能最优,在温度为25 ℃、压力分别为0.1、0.2、0.3、0.4 MPa的条件下,其CO₂吸附量分别为0.65、1.92、3.76、5.23 mmol·g^-1。     

自然工质CO2在风冷热泵复合冷凝系统中换热特性的时间序列分析

为研究自然工质CO₂在风冷热泵复合冷凝系统中的热力学特性,引入有限时间热力学与分析方法,采用MATLAB/SIMULINK进行仿真,建立了自然工质CO₂在风冷热泵复合冷凝系统的时间序列模型,模拟和测试了自然工质CO₂在风冷热泵复合冷凝系统中的热力学特性,并与自然工质CO₂单制冷系统及原风冷热泵复合冷凝系统的性能做了对比。结果表明:制热水模式下,两个风冷热泵复合冷凝系统的效率都随用户要求的卫生热水水温温度升高而降低;达到用户需要水温53 ℃时,自然工质CO₂风冷热泵复合冷凝系统卫生热水机组运行约需18 min,而R22风冷热泵复合冷凝系统约为30 min。复合冷凝模式下自然工质CO₂风冷热泵系统的COP(coefficient of performance)为4.7左右,比R22风冷热泵系统略高。     

超临界天然气在蛇形盘管内流动与传热的数值模拟

为了更好地研究LNG浸没燃烧式气化器管内流体的流动传热特性,建立了浸没燃烧式气化器管内高压天然气升温跨临界流动传热过程的数值模型,对其轴向与环向的流动传热特性及操作参数的影响进行相关研究,并将模拟结果与现有管内超临界流体传热的关联式进行对比。发现管内传热系数随换热管长先增大后减小,在拟临界点位置达到峰值,且弯头处出现局部传热强化;提高管内质量流量能够显著强化管内传热,但流体跨临界位置也会相对延后;提高管程入口温度和水浴温度均使流体跨临界位置提前,而较高的水浴温度会使传热系数峰值偏低;模拟结果与现有传热关联式的对比结果发现,JacksonHall公式更能准确预测超临界天然气在蛇形盘管内的传热特性,但不能体现弯头处的局部传热强化。研究结果为浸没燃烧式气化器的设计工作提供了依据。     

基于均匀设计和BP神经网络的花生油SFE-CO2萃取预测

利用均匀设计和BP神经网络相结合的方法,研究了SFE-CO₂萃取花生油工艺。以半烘烤并粉碎之后的花生为原料,针对萃取压力、温度、时间和CO₂流量4个因素,每个因素10个水平安排实验,利用均匀设计的实验数据作为网络训练样本,构造花生油SFE-CO₂萃取的BP神经网络预测模型,对萃取过程进行预测,分析各实验因素与出油率之间的关系,确定较优的工艺条件。最后确定4-9-1的BP神经网络模型,利用该模型所得出油率的预测值与实验值相接近,相对误差(绝对值)小于2%;构造的BP神经网络模型能较好地预测萃取过程中各参数影响下花生出油率的变化趋势。结果显示,当萃取压力30MPa,温度40.5℃,时间125min,CO₂流量187L/(h·kg)时花生出油率可达期望值47.5%。该方法为实现预测与控制SFE-CO₂萃取花生油过程奠定了可靠的理论基础。     

CO2微通道气冷器的流场分解模拟及实验验证

为了研究CO₂流量分配不均匀度对气冷器流动特性和传热特性的影响,建立了跨临界CO₂制冷系统的微通道气冷器分解模型. 实验结果表明：随着CO₂制冷剂质量流量由110 kg/h增大到470 kg/h,扁平管内最大流量不均匀度由97% 降低到18%,流量是影响不均匀度的重要因素;流量分配不均度对CO2微通道气冷器的流动特性影响明显,而对传热特性影响较小. 比较了不同工况下相应的模拟结果与实验数据,平均换热系数误差为4.82%~38.25%,摩擦系数误差为6.09%~26.65%.     

多孔介质中超临界压力CO2对流换热的实验研究

对超临界压力下CO2在颗粒直径为0．2～0．28mm的竖直烧结多孔介质圆管中的对流换热进行了实验研究．对热流密度、质量流量、入口压力及流动方向对对流换热规律的影响进行了研究，结果发现：准临界点附近CO2强烈的物性参数变化，尤其是定压比热的变化对对流换热的影响很大；对流换热系数随着流体局部平均温度的升高在准临界点附近达到最大；随着热流密度的增加，对流换热系数出现先增大后减小的趋势；质量流量越大，对流换热越强；流动方向对对流换热的影响不大；随着压力靠近临界压力，CO2的物性参数变化越来越剧烈，对流换热系数在准临界点附近也越来越大，但随着流体温度远离准临界点，压力对对流换热的影响逐渐减小．     

水在螺旋盘管内的换热及压降特性研究

螺旋盘管及螺旋套管换热器因其优越的结构特性和高效的换热效率,在制冷、空调、热泵、化工等领域内都得到了广泛应用,研究水在这类换热器中的对流换热与压降具有重要的实用价值。文中对水在4种不同结构参数的螺旋盘管换热器内的换热及压降特性进行实验研究,工况范围:Re为4 000~9 000,水的体积流量为200~350 L/h,加热功率为80~350 W.实验结果表明:水的平均换热系数与压降均随Re的增加而增大,相同Re时,最大平均换热系数出现在SC型螺旋盘管中,这是因其最小的弯曲半径所致;水在BE型螺旋盘管内的压降最大,SC型次之,这是因管长与弯曲半径共同影响所致。平均换热系数随加热功率的增加而增大,相同加热功率时,水在SC型螺旋盘管中的换热系数最大,BE型始终大于SE型,而BC型随水流量的不同而异。实验结果与计算结果的比较表明:螺旋盘管的换热强化作用随Re增大而逐渐减弱,在4种螺旋盘管中,SC型具有最佳的换热强化效果,这一结果与实验结果相吻合。研究结论为螺旋盘管及螺旋套管换热器在诸多领域内的应用提供了参考依据。     

超临界甲烷在竖直圆管内加热的数值模拟

在超临界压力下甲烷的相变现象消失,并且物性变化非常剧烈,换热过程变得相当复杂.通过数值模拟软件FLUENT导入制冷剂物性软件REFPROP中超临界甲烷的材料模型,在准确反映超临界甲烷的热力性能和传输物性变化的情况下,采用数值模拟的方法对竖直加热圆管内超临界压力下甲烷的传热特性进行了研究.在分析不同工况下超临界甲烷换热情况的基础上,重点研究了浮升力对换热的影响,并得出了适用于甲烷的浮升力影响判别标准.结果表明:换热系数随着压力的减小而增加;当流体平均温度接近临界温度,壁面温度大于临界温度时有利于换热;在高热流密度,低质量流量的条件下容易造成传热恶化;浮升力改变了径向速度分布曲线,抑制了湍动能的产生,削弱了换热.     

超临界压力下水在垂直加热管内传热特性的实验研究

采用均匀全周电加热方法，对内径为12mm的垂直上升管内水在超临界压力区中的传热特性进行了实验研究．分析了质量流速、热流密度以及压力对传热特性的影响，发现由于超临界压力下边界层内流体物性的剧烈变化，使拟临界温度附近的传热得到显著强化，传热强化的程度随质量流速的增加而提高，随壁面热流密度和压力的增大而降低．根据实验数据，给出了超临界压力下水在垂直加热管内对流换热的经验关联式，其平均相对误差为11．8％．     

带膨胀机CO2跨临界热泵系统的模拟计算与实验

为了分析带膨胀机CO2跨临界热泵系统的性能和运行特性,对该系统建立数学模型,将模拟计算结果与实验数据进行了比较,它们的最大偏差不超过25%.然后,利用所建模型分析了冷却水进口温度和流量,以及冷冻水进口温度和流量对系统性能系数的影响.结果表明,对冷却水来说,降低进口温度和增加其流量不仅有利于提高系统的性能系数,而且能够降低最佳高压侧压力,使系统能够在更加安全高效的工况下运行.对冷冻水来说,增加冷冻水的进口温度和流量对提高系统的性能系数非常有利,而对最佳高压侧压力的影响并不是太大.通过对系统的性能进行模拟计算,可为系统的优化设计和操作运行提供理论依据和指导.     

波壁管式换热器内壳侧流体流动与换热特性

传统的直壁管式换热器的换热效率不高,为了增强换热器内流体的换热效率。采用数值模拟的方法对<1-2>型波壁管式换热器内流体的流动与换热特性进行了分析研究,重点探讨了雷诺数Re与波壁管半径比i对换热器内流体的流动特性、阻力特性、换热特性以及综合换热性能的影响。结果发现,与直壁管式换热器相比,波壁管式换热器内流体的流动状态能够得到较大的改善。波壁管式换热器壳程流体的进出口平均压降比直壁管式换热器低,平均压降最大可降低11.01%,且发现随着Re的增加,平均压降明显增大,随着i的增加,平均压降略有增大。波壁管式换热器壳程内流体的对流换热系数hs明显大于直壁管式换热器,hs最大可增加14.17%。hs随着Re的增大逐渐增加,而i对hs的影响不明显。同时发现波壁管式换热器的综合换热性能与雷诺数Re成正相关,而与半径比i成负相关。与直壁管式换热器相比,波壁管式换热器的综合换热性能更强。