塔式太阳能熔盐腔体吸热器一体化光热耦合模拟研究

首先采用蒙特卡罗光线追迹与杰勃哈特方法结合的混合光学模拟方法对塔式聚光集热系统中太阳辐射传播的全过程进行了完整描述,准确获得了全镜场条件下吸热表面非均匀的能流分布.在此基础上对熔盐腔体吸热器进行了一体化光热耦合模拟,重点分析了非均匀能流分布条件下熔盐流动布置方式对吸热性能的影响,同时考察了不同时刻条件下的吸热性能,结果表明:腔体吸热器吸热表面的能流分布表现出强烈的非均匀性,在这种非均匀的能流分布条件下,熔盐的流动布置方式会对吸热器性能产生显著的影响.当熔盐从能量密度高的区域流入,温度迅速升高,整个吸热面处于较高的温度水平,热损失较大,且会在熔盐出口处会出现熔盐加热吸热管的"吸热恶化"现象;当熔盐从能量密度低的区域流入,温度缓慢升高,整个吸热面处于相对较低的温度水平,热损失较小,能够获得更多的高温熔盐.另外,反射损失随时间变化显著,热损失随时间变化不显著.     

太阳能腔式熔盐吸热器随时空变化的光-热-力耦合一体化方法、机理分析及其失效准则研究

基于本团队前期已提出的蒙特卡洛光线追迹(MCRT)与杰勃哈特(Gebhart)方法耦合的光学模型,在综合考虑了吸热器内复杂的导热-对流-辐射耦合换热过程的前提下,建立了塔式系统中熔盐吸热器的光-热-力耦合的一体化数值分析模型.基于此模型,探讨了典型工况下吸热器的太阳辐射能流、温度以及热应力的时空分布特性,并考察了不同管材导热性能、熔盐流路布置方式对吸热器的光-热-力耦合特性的影响规律;最后提出了光-热-力耦合条件下腔式熔盐吸热器应力失效的临界能流密度判定准则.结果表明:非均匀的辐射能流对吸热器的温度与热应力影响显著,温度与热应力分布也呈强烈非均匀性;辐射能流与热应力随时空变化显著,但温度变化不明显,正午时刻辐射能流与热应力峰值最高,与上午11时和下午13时相比,峰值热应力分别增加11%与10%;不同管材对热应力的影响较为显著,采用高导热性能的吸热管材可有效降低热应力,与800H管材相比,采用高导热性能的316H管材峰值热应力可降低37%;采用低能流区向高能流区的熔盐流路布置方式吸热器温度分布更均匀,有利于降低热应力峰值,与相反的流路布置相比,峰值热应力可降低20%;管材断裂韧性可作为判断熔盐吸热器应力失效的重要指标,由本文提出的应力失效的临界能流密度判定准则表明,管材断裂韧性劣化越严重,导致吸热器应力失效的临界能流密度越低,增加吸热器失效的风险.     

封面说明

正作为一种具有广阔应用前景的绿色可再生能源技术,聚光型太阳能热发电技术得到了广泛关注和快速发展.在聚光型太阳能热发电系统中,聚焦后的太阳辐射能表现出强烈的非均匀特性,这给系统的高效、安全运行带来很多挑战.针对这些挑战,诸多学者已经提出了一系列的解决措施.基于此,西安交通大学何雅玲等将对槽式、线性菲涅尔式、塔式、碟式4种太阳能热发电系统中存在的非均匀辐射能流分     

聚光集热系统统一MCRT建模与聚光特性

针对太阳能热发电站中各种聚光集热系统及其光能聚集与光热转换复杂过程,提出了一种新的统一建模方法以及与其对应的自编程统一蒙特卡罗光线追迹(MCRT)计算方法.即根据系统组成特性与光子传播简化计算原则,将其细分为由不同数量表面组成的各个子系统层次,采用统一的4阶方程与层次/表面编号形式、表面特征与光学参数变量等建立统一的系统几何模型与光学模型,设计开发具有统一求解交点、统一光学事件判断与计算、统一计算考核等通用模块的统一MCRT计算方法与程序.在此基础上,将该统一MCRT建模方法与程序应用于3种典型聚光集热系统,计算考核结果表明,该方法与程序具有较好的通用性和较高的准确性,所获得聚光特性进一步或可有效用于指导各种太阳能聚光集热系统应用选型或设计计算.     

基于品位耦合的光煤互补发电系统集成理论分析

光煤互补发电系统是一种将聚光太阳能与化石燃料化学能相结合的互补发电系统.已有光煤互补发电系统研究多为针对具体互补形式或具体光煤互补电站的案例研究,目前尚缺乏统一性的理论.本研究摆脱具体互补形式的限制,基于品位耦合思想,对光煤互补发电系统整体建模并进行统一性理论分析,提出了更为合理的光煤互补发电系统统一评价标准——节煤系数,并获得了适用于各类互补形式的统一理论表达式.该表达式指出了不同光煤互补发电系统间的联系与区别,揭示了节煤系数的"叠加效应".通过对表达式的详尽分析,明确了太阳能投入份额和太阳能集热品位同工质品位的匹配程度为节煤系数的主要影响因素.研究结果对于光煤互补电站设计以及各类燃煤电站的光煤互补改造均具有重要的理论指导意义.     

太阳能CO_2煤气化反应器玻璃窗清洁度的数值模拟

太阳能二氧化碳煤气化拥有减少CO_2排放,清洁、节能地制取高品质高纯度气体燃料的优点.作为太阳能热化学制备清洁燃料的核心部件,旋风流反应器便于输运、液态排渣、效率高、易实现,然而直接式反应器的一个主要问题是煤颗粒会沾染反应器玻璃窗口,影响反应器效率和安全性.针对三维直接辐照旋流太阳热化学反应器,并考虑能流椭球型分布及聚光边界条件,本文采用欧拉-拉格朗日方法建立了气固两相流数学模型并耦合煤颗粒、气体的参与性介质辐射和化学反应动力学模型.与苏黎世联邦理工学院的实验结果对比验证之后,研究了CO_2进气质量流量配比和煤颗粒质量流量对石英玻璃窗表面沉积煤颗粒的影响规律.计算结果表明,保持玻璃窗口清洁主要取决于进气质量流量配比,当CO_2与煤颗粒的摩尔比在1.3～1.8的范围内,腔体、清扫玻璃和输送煤颗粒气体质量流量分别占总CO_2进气质量流量的范围为71.9%～78.2%,15.7%～20.7%和5%～10%,玻璃窗口清洁度最优.煤颗粒质量流量对石英玻璃窗表面沉积煤颗粒的影响不大,但会显著影响煤颗粒运动轨迹.     

平板太阳能集热器传热性能的(火积)理论优化

平板太阳能集热器是太阳能热利用系统中常见的核心部件, 其传热性能的优化对于提高能源利用效率具有重要意义. 现有平板集热器大多采用厚度均匀的金属吸热板来吸收太阳辐射, 将相似文献   

“源-网-荷-储”式异质能流复合供能系统的研究现状及发展趋势

发展新一代“源-网-荷-储”式异质能流复合供能系统是能源行业高质量发展和提高可再生能源消纳水平的必然需求,加快其发展对构建多能互补、灵活、智慧的能源系统具有重要意义.目前,我国能源系统转型与升级进程加快,能源系统多能流交织、多品位分布、多时空尺度等特征愈发突出,给能源的高效利用带来新的理论和技术挑战.为实现异质能流系统的协同发展,还需要突破单一能流系统能量转换分析的局限,从能质、能量品位的角度,解释不同能源系统间的耦合逻辑并指导能源结构优化和能量管控,解决异质能流多尺度协同响应难等问题.因此,本文以“源-网-荷-储”式异质能流复合供能系统的构成和特征为切入,明晰了异质能流系统基础架构及各层间的关系,阐明了按质用能思想和能量品位相匹配对构建高效能量梯级利用系统、实现能量有序按需转化的重要性,总结了异质能流系统动态响应特性与协同调控、结构优化和能量管控等研究现状和挑战,并对未来能源系统的发展提出了一些建议.     

太阳能驱动的高温辐射供冷

太阳能作为目前最重要的可再生能源之一在能源领域被广泛利用, 除了日渐成熟的太阳能发电和太阳能热水技术之外, 由于太阳辐照强度与建筑空调负荷有较好的同步性, 所以太阳能空调系统也同样具有较大应用价值, 并且相关的研究在近年来得到迅速发展. 目前的研究主要集中在与太阳能空调相匹配的集热器技术以及热驱动制冷技术上, 而对于冷量输运过程少有关注, 缺乏与太阳能空调系统相匹配的末端形式方面的研究, 这些因素限制了太阳能空调系统的实际应用. 本文针对高温辐射供冷这种末端形式, 研究了它在太阳能空调系统中的作用机制及匹配特性. 通过对辐射供冷末端建立物理数学模型进行理论分析, 结果表明采用辐射末端的太阳能空调, 与常规的空调形式相比, 能够大大增强向室内空间的冷量输送, 并获得更好的热舒适. 通过对实际的太阳能空调系统的实验测试, 表明采用辐射供冷末端之后, 冷机COP(制冷性能系数)和系统供冷量分别提高了17%和50%. 理论和实验结果都验证了高温辐射供冷在太阳能空调系统中的适用性, 可以为今后的系统设计及推广提供有益的参考.     

异丙醇-丙酮-氢气化学热泵放热反应器内丙酮催化加氢:颗粒内热质传递的影响

颗粒内传热传质对IAH-CHP固定床放热反应器性能具有重要影响.本文建立了管径和催化剂颗粒直径之比n=4的圆柱形放热反应器120°的三维局部模型,使用Fluent商业软件对模型内流场、组分和温度分布进行了模拟研究.重点研究了颗粒内传热传质特性对组分分布、温度分布、异丙醇产量及选择性的影响,并给出了最优的催化剂颗粒直径dp和催化剂内部微孔直径d0值.模拟结果表明,颗粒内温度分布较均匀,对反应影响不明显;大的dp值和小的d0值会显著增大催化剂颗粒内部的反应物浓度和反应速率梯度,降低催化剂的使用效率,降低异丙醇选择性.优化模拟结果说明,对于丙酮高温加氢放热反应,球形催化剂颗粒应选择催化剂颗粒直径1 mm,微孔直径10 nm.     

非均匀热流下R245fa/R134a两相流型及换热特性

针对有机工质在非均匀热流边界条件下的气液相变问题,基于质量分数配比为0.7:0.3的非共沸工质R245fa/R134a,建立了非均匀热流下10 mm内径水平管内的两相流动沸腾换热实验系统.实验工况为质量通量175～373kg/(m~2s),热流密度9.95～47.57 kW/m~2.利用高速摄像仪和图像处理技术,对观察到的泡状流、塞状流、分层流和环状流4种流型进行了灰度值分析,并分别绘制了非均匀加热和均匀加热时的流型图.基于流型分析了干度、质量通量、热流密度和饱和温度对两相换热系数的影响,并将实验数据与4种现有关联式进行对比.结果表明,在相同的加热量下,相比于均匀加热条件,非均匀加热条件下流型由间歇流转变为环状流时的初始干度更低;换热系数在低干度区随干度变化较小,而在干度较高的环状流区域随干度增大而增大.此外,换热系数随质量通量、热流密度增大而增大,而饱和温度对对流沸腾区换热系数的影响不大,对核态沸腾区有一定影响.在非环状流区域4种换热关联式的预测能力都表现较差,而在环状流区域SunMishima关联式的预测精度相对最高.     

太阳能热发电站中熔融盐冻堵管道的熔化过程

熔融盐工质沸点高、低蒸汽压及良好的传热储热特性使塔式电站是最具商业前景的太阳能热发电技术之一.但是熔融盐的凝固点高,导致采用熔融盐作为吸热传热工质的太阳能热发电站中有可能发生熔融盐在管道内凝固,使得冻堵管道的解冻成为一个棘手的问题.在利用电伴热熔化管道内熔融盐的过程中,最关键的问题在于熔融盐的固液相变,本文利用焓法模拟了水平管道内熔融盐的熔化过程,发现由于自然对流的存在使得先熔化的熔融盐聚集到管道的上端.研究发现,电伴热的安装位置影响熔化过程的不均匀性以及管内熔融盐完全熔化所需时间.电伴热功率与完全熔化所需的时间呈非线性关系.随着电伴热功率的逐渐增大,缩短熔融盐完全熔化所需时间的效果减弱.     

疏水链长和温度对阳离子单链和Gemini表面活性剂的自组装以及与牛血清蛋白相互作用的影响

利用等温滴定微量热方法研究了疏水链长和温度对六亚甲基-1,6-双(烷基二甲基溴化铵)(C_nC_6C_nBr_2)和烷基三甲基溴化铵(C_nTAB)这两个系列表面活性剂的自组装以及与牛血清蛋白(BSA)相互作用的影响.结果表明,随着疏水链增长,表面活性剂胶束化焓值(DH_(mic))变得更负,胶束化自由能(DG_(mic))的变化主要来自于胶束化熵变(DS_(mic)).温度对表面活性剂的临界胶束浓度(CMC)影响不大,但对DH_(mic)影响较大,在所研究的温度区间内的DH_(mic)都是负的,而TDS_(mic)是正的,并且TDS_(mic)的绝对值明显大于DH_(mic)的绝对值,证明这些表面活性剂的胶束化过程都是熵驱动为主的.随温度升高,焓对胶束化过程的贡献越来越大,而熵贡献越来越小.多数表面活性剂与BSA相互作用的量热曲线呈现两个吸热过程和两个放热过程.疏水链长的变化会显著影响第二个吸热过程和第二个放热过程.温度会显著影响第二个吸热最大值的出现和强度.相比于单链表面活性剂与BSA之间的相互作用,疏水链长和温度对Gemini表面活性剂与BSA之间相互作用的影响更显著.     

航空煤油火蔓延特性分析

为了揭示航空煤油火蔓延过程中的火焰传播特性和油面温升规律, 在自行研制液体火蔓延实验台的基础上, 运用纹影摄像系统实时记录火蔓延的整个过程, 分析了表面流和闪火焰出现的成因, 探讨了不同燃油初温条件下表面流速度和火蔓延速度的变化规律. 结合微细热电偶和红外热像测试技术, 测量火焰前方未燃油面各点与中心线上的温度分布, 揭示了在火蔓延过程中油面的温升规律, 并发现燃油初温的升高使得表面流预热作用减弱.     

基于(火积)守恒方程的可逆热力循环(火积)分析及其应用

将(火积)分析应用于热力循环性能的分析和优化中.首先在可逆热力过程和热力循环的分析中提出了热(火积)流和功热(火积)流的概念,并建立了相应的(火积)守恒方程.其次通过对可逆热机热泵联合循环中(火积)守恒的分析表明,与通常的热泵循环不同,热机-热泵联合循环的功能类似于电学中的变压器(电压变换器),因此可把此类联合循环称之为变温器或温度变换器.此外,取决于联合循环热源的温度,在某些条件下联合循环必须向环境输出功热(火积)流,从而降低联合循环的性能;而在另外一些条件下则可以从环境吸收功热(火积)流,从而提高联合循环的性能.最后,基于热质理论指出了热(火积)实际上是热质能的简化表达式,因而热(火积)流和功热(火积)流则分别是热质能流和功热质能流的简化表达式,它们实际上都是相对性能量.因此,类似于电压变换器中电能与磁能满足能量守恒定律,热机热泵联合循环中不仅热量和功量满足能量守恒定律,热(火积)流和功热(火积)流还满足相对性能量守恒定律,从而(火积)分析方法可用于分析可逆热力循环的性能,而熵分析及?分析方法则无法分析可逆热力循环的性能.最后,本文以两种典型的热机-热泵联合循环为例分析了联合循环的性能评价方法.     

回转筒颗粒表面流的分子动力学模拟和连续理论

在考虑颗粒非弹性接触、滑动摩擦和滚动摩擦基础上发展了分子动力学模拟的算法, 实现了中高速(Fr = 0.1~0.2)回转筒内颗粒流的离散模拟. 回转筒内颗粒流由表面活性层和下部柱塞流区组成, 颗粒在活性层的停留时间约为柱塞流区的1/3~1/2, 对称线上活性层和柱塞流区的厚度比为0.57~0.61, 因而推断颗粒流动处于Rolling-Cascading过渡模式. 对称线上MD模拟的速度分布与正电子放射性测量实验结果十分吻合. 在模拟和实验结果基础上发展了连续理论: 柱塞流区内颗粒运动并非完全随着筒壁刚体转动, 而是存在着塑性蠕变, 这种速度变化过程符合指数函数规律; 而活性层内颗粒流动则符合简单的Couette切变流动分布. 最后探讨了颗粒温度和颗粒相对浓度分布的内在机理.     

Π类非临界相位匹配LBO腔内倍频LD泵浦Nd:YVO4 671 nm激光器

报道了激光二极管泵浦的Nd:YVO4腔内倍频红光激光器. 利用Π类非临界相位匹配的LBO晶体,在吸收泵浦功率5.16W时,获得404 mW的671 nm激光输出, 光-光转换效率约7.8%. 在温度匹配处,温度波动±0.5℃,红光输出波动小于5%.     

膜式热湿调控原理与技术进展

基于膜的热湿传递过程作为一种新型的温度、湿度处理技术,在建筑环境节能高效控制领域取得了积极进展.膜技术具有高效紧凑的特点,并且它可以选择性地只允许水蒸气通过膜表面,从而避免了液体除湿过程中溶液小液滴对新风的污染.近年来,该技术从热湿传递原理到实际应用都取得了新进展.本文介绍了目前应用的选择性透湿膜材料,分析了平板膜全热交换器、板翅式膜全热交换器、交叉三角形波纹板全热交换器和中空纤维膜组件等膜设备的传热传质过程.它们的传热传质分析,同时考虑了膜两侧热湿耦合的自然边界条件、流体在组件内流动的不均匀性、管束随机分布等实际运行因素对传热传质的影响.这些研究工作对膜组件的设计和膜系统的优化提供了理论基础.此外,还介绍了各种新型膜式除湿系统,当它们与热泵或太阳能等系统联合应用时,可以扩大系统的热湿负荷适应范围,增加系统的能量利用效率.今后,随着新型膜材料、内冷型膜组件、多级除湿系统以及瞬态动态参数模拟技术的出现,膜式热湿传递技术将会在实际工程中发挥更大作用.     

Π类非临界相位匹配LBO腔内倍频LD泵浦Nd∶YVO4 671nm激光器

报道了激光二极管泵浦的Nd:YVO4腔内倍频红光激光器. 利用Π类非临界相位匹配的LBO晶体,在吸收泵浦功率5.16W时,获得404 mW的671 nm激光输出, 光-光转换效率约7.8%. 在温度匹配处,温度波动±0.5℃,红光输出波动小于5%.     

Π类非临界相位匹配LBO腔内倍频LD泵浦Nd∶YVO_4 671nm激光器

报道了激光二极管泵浦的Nd∶YVO4腔内倍频红光激光器 .利用Π类非临界相位匹配的LBO晶体 ,在吸收泵浦功率 5 1 6W时 ,获得 40 4mW的 6 71nm激光输出 ,光 光转换效率约7 8% .在温度匹配处 ,温度波动± 0 .5℃ ,红光输出波动小于 5 % .