基于S-CO2循环和ORC耦合的燃煤发电系统烟气余热深度利用方案研究

多级压缩回热能够显著提升超临界二氧化碳(S-CO₂)循环效率,然而当其应用于燃煤发电领域时,由于回热程度的提高,锅炉尾部烟气余热吸收困难.针对这一问题,本文构建了一次再热三级压缩S-CO₂循环(TC+RH)和有机朗肯循环(R123)深度耦合的联合循环,通过优化系统与环境间的能量流动过程,逐步提高系统性能.首先通过ORC同时逐级吸收S-CO₂循环冷却器与锅炉烟气热能,降低锅炉排烟温度、提高锅炉效率.在S-CO₂循环主气参数为620°C/30 MPa时,排烟温度从132°C降低到123°C,系统发电效率从47.13%提升到47.24%.引入有机朗肯循环(ORC)构建的联合循环可以有效地吸收锅炉尾部烟道烟气余热,获得更高的锅炉效率从而使系统发电效率提高.进而在耦合ORC的基础上,充分利用S-CO₂循环冷却器变温放热特点,通过空气与R123共同吸收冷却器内高温段热量,实现系统发电效率的进一步提高(47.24%～48.90%).本文为同时实现高效吸收锅炉尾部烟道烟气余热以及回收循环冷却器...     

不可逆热容热电转换装置性能的优化分析

基于超级电容的古伊-查普曼-斯特恩(CGS)双电层模型,本文建立一类不可逆热容热电转换装置循环的新模型.应用热力学理论和系统的能量平衡方程,导出该热容循环的回热量、输出功率和能量效率的表达式.通过数值计算,揭示热容循环的一般性能特性,分析循环的电量比、充电截止电压、回热过程的时间、双层距离、电解液浓度等重要性能参数对热容热电转换系统优化性能的影响.对于一些给定的参数,确定系统运行于最大功率下循环的电量比、双层距离、充放电过程的温度的优化值,给出循环的一些重要性能参数的优化范围.结果表明,为了获得循环的最优性能,采用CGS模型除了对充放电过程的温度和循环的电量比进行优化外,还可对电容的多孔电极的孔径进行优化,当充电截止电压为2 V时,优化的最大功率密度约为4.9 kW/m~2,相应的效率可达18.5%.本文所获得的结果可为实际热容热电转换装置优化设计和运行提供理论依据.     

染料敏化电池-温差热电混合发电系统的性能研究

建立染料敏化电池一温差热电混合发电系统的理论模型,利用非平衡态热力学理论导出该混合发电系统输出功率和效率的一般表达式,分析系统的一般性能特性,确定混合发电系统在最大输出功率和效率时的优化条件,讨论了一些主要性能参数对混合发电系统性能特性的影响．结果表明使用半导体温差热电器可有效地利用染料敏化电池所产生的低品位的废热,从而提高混合发电系统整体的输出功率和效率．本文所得结果可为实际混合发电器的设计和优化运行提供理论依据．     

(火积)方法在低品位工业余热利用的换热网络优化中的应用研究

低品位工业余热的有效利用对提高能源利用效率、减少CO_2排放具有重要意义,能量系统集成和相应的换热网络优化是余热利用的有效方法.(火积)方法可以量化换热过程中的不可逆性,能够指导和评价换热网络的优化,但是(火积)方法在余热利用的换热网络优化中的实际应用案例较为缺乏.本文基于(火积)方法对某工业园区蒸汽凝水余热利用的既有换热网络进行了分析,通过减小换热过程(火积)耗散的原理进行了换热网络优化,使得高品位余热用于驱动吸收式制冷机满足当地的空调制冷需求,将高品位余热排放转换为低品位余热排放.优化的换热网络指导了实际蒸汽凝水余热利用工程改造.实验测试结果表明,采用的海水直接冷却的吸收式制冷机的制冷量达到3430 kW, COP达到0.76.蒸汽凝水换热过程的(火积)耗散降低了57.3%,蒸汽凝水余热利用的热效率和?效率分别提升了55.8%和81.1%,验证了(火积)方法在低品位余热利用换热网络优化中应用的有效性.     

光子增强热离子发射太阳能电池混合功率系统参数的优化设计

考虑实际系统中存在的多种传热损失,本文建立一类不可逆光子增强热离子发射太阳能电池与温差热电发电器组合而成的混发电系统模型.基于太阳能电池与温差热电发电器之间的能量平衡方程,导出该混合系统输出功率和效率的表达式.通过数值计算,详细分析了光增热离子太阳能电池的面积、阴极半导体材料的禁带宽度、电子亲和势以及温差热电发电器的无量纲电流对混合系统优化性能的影响,确定混合发电系统运行于最大效率下光子增强热离子太阳能电池阴极材料的禁带宽度,电子亲和势,电池面积和温差热电发电器的无量纲电流的优化值.结果表明,采用混合发电系统,太阳能转换效率与工作于相同条件下的单一光增热离子太阳能电池的效率相比可提高约10%,而光增热离子太阳能电池阴极半导体材料禁带宽度在最大效率下的优化值则比单一光增热离子太阳能电池的小.本文所得结果可为实际光子增强热离子太阳能电池混合发电系统的设计和优化运行提供理论依据.     

调制周期、比沉积温度对ZrB2/W纳米多层膜微结构和机械性能的影响

利用离子束辅助沉积方法(IBAD)在室温和400℃下制备出了单质的ZrB₂和W薄膜以及不同调制周期和调制比的ZrB₂/W纳米超晶格多层膜. 通过XRD, SEM, 表面轮廓仪及纳米力学测试系统研究了沉积温度和调制周期对纳米多层膜生长、织构、界面结构、机械性能的影响. 研究结果表明: 在室温条件下, 调制周期为13 nm时, 多层膜的硬度最高可达23.8 GPa, 而合成中提高沉积温度则有利于提高薄膜的机械性能. 在沉积温度约为400℃时合成的6.7 nm调制周期的ZrB₂/W多层膜, 其硬度和弹性模量分别达到了32.1和399.1 GPa. 同时, 临界载荷也增大到42.8 mN, 且残余应力减小到约?0.7 GPa. 沉积温度的提高不仅使具有超晶格结构的ZrB₂/W纳米多层膜界面发生原子扩散, 增强了沉积原子迁移率, 导致其真实的原子密度提高, 起到位错钉扎的作用, 同时晶粒尺度也被限制在纳米尺度, 这些均对提高薄膜的硬度起到作用.     

溶剂热法合成Sn(Pb)Te-Bi2Te3系热电材料及其性能研究

通过溶剂热-冷等静压成型-常压烧结工艺制备了准二元Sn(Pb)Te-Bi₂Te₃块体热电材料. 研究了前驱粉体的合成方法、生成机理及块体材料的显微结构和热电性能.     

基于耗散率最小的“盘点”脉管网络构形优化

以有限温差传热和流动阻力引起的最小耗散率和耗散数为优化目标,在圆盘总面积和脉管网络总体积给定的条件下,对圆盘区域内一级、二级和三级脉管网络进行构形优化,得到耗散率和耗散数最小的各级脉管网络最优构形.结果表明当参数B1?10??时,在相同无量纲质量流率M*(1?M*?102)下,耗散率最小和熵产率最小的一级脉管网络最优构形有明显区别.对于二级脉管网络,当无量纲质量流率在1?M*?102范围内时,传热耗散和流动耗散大小相当,此时脉管网络最优构形随质量流率变化显著.在相同脉管网络总体积和圆盘半径条件下,相同无量纲质量流率时,一级、二级和三级脉管网络最小耗散数性能几乎相同;当无量纲泵功率*5?10(?1,2,3)?i W i时,随着脉管级数的增大,脉管网络最小耗散数减小,此时增加脉管网络的复杂度有利于提高脉管网络的性能.此外,还以复合耗散率为优化目标对脉管性能进行优化.优化结果可从传热优化角度为脉管系统设计提供参考.     

离子束增强沉积合成ZrN/W纳米多层膜

利用离子束增强沉积方法在室温和不同能量的氮离子轰击条件下制备了不同调制周期的ZrN/W纳米多层膜. 利用XRD, AES和纳米压痕仪分析了调制周期和离子轰击能量对薄膜结构和机械性能的影响, 结果表明多层膜的机械性能基本都优于单质的ZrN或W薄膜. 和其他制备条件相比, 在300 eV能量的氮离子轰击下制备的调制周期为 8~9 nm的多层膜, 其结构中出现了强的 ZrN(111), W(110)和 ZrN(220)织构的混合, 它的硬度和弹性模量分别达到 26 和 310 GPa, 也展示了较高的耐磨性.     

梯度结构热电材料的研究进展

为了提高单体热电材料的热电性能,将几种单体热电材料连接起来制备成梯度结构的热电材料,不仅解决了材料应用温区狭窄的问题,而且能够极大地提高材料的热电转换效率。本文介绍了梯度热电材料的研究基础、设计和优化方法,对梯度热电材料研究进展进行了综合分析并指出分段式热电材料在提高热电性能方面更具发展优势。     

斯特林循环输出功率优化分析

基于有限时间热力学理论,结合理论和熵产理论,以输出功率最大为目标对斯特林循环进行了分析和优化,探讨了损失、耗散、熵产、熵产数及改进熵产数在系统参数优化方面的适用性.研究表明,当循环的热源为给定温度的无限热容热源时,系统的最大损失率对应于最大输出功率,最小熵产率和耗散率极值不与最大输出功率对应.当系统的热源为有限热容热源时,在给定高低温热源流体入口温度和热容量流的条件下,系统的最大损失率、最小熵产率、最小熵产数和最小改进熵产数均对应于系统最大输出功率,而耗散率极值不对应.随着高温热源流体热容量流增加,系统的输出功率、损失率、熵产率和耗散率均随之增加,而熵产数和改进熵产数先减小后增加.综合而言,在本文讨论的各种工况下,损失的概念用于斯特林循环输出功率优化时,其一致性优于本文讨论的其他参数.     

热电有限元模型应力分析研究现状及方法介绍

旨在分析热电模块及系统内部应力分布情况的热-电-结构耦合问题近年来得到了产业和学术界的广泛关注,该类问题以有限元模型分析为主要手段,研究内部应力云图及曲线的分布及变化情况,对设计热电模块时预防和减少应力集中提供直观有效的帮助.本文总结了国内外热电有限元模型应力分析的最新研究进展,介绍了热电有限元模型应力分析的基本原理,模型建立过程及相应部件物性参数的选择依据,利用有限元分析软件计算得到的应力分布及变化的结论,以及对热电模块结构进行优化设计的方法.     

基于热电制冷的液冷源系统设计

本文介绍了一种热电制冷的液冷源系统组成及其设计过程,阐述了应用热电制冷在小功率液冷源系统的设计思路。其控制精度高、可靠性高、体积小、重量轻等优点,使其具有一定的实用价值和推广意义。     

微型旋转摆式发动机性能影响因素分析

针对一种新型差速式、无停顿旋转摆式发动机开展研究,建立MATLAB环境下较为完善的热力学仿真模型,计算结果表明:缩短燃烧持续时间有利于提升发动机性能;泄漏和传热是影响发动机性能的两个主要因素,低频运行时泄漏影响较大,高频运行时传热因素更敏感;发动机效率及功率随间隙尺寸增大而降低,当泄漏间隙一定、频率增大时,效率及功率随之会先增加后减小.考虑泄漏、传热影响后,若泄漏间隙控制在20μm,工作频率50 Hz时发动机达到最大热效率为17.36%,工作频率100 Hz时发动机达到最大功率为2121.2 W.较之微小尺寸级的百瓦级微型热机,微型旋转摆式发动机性能优势明显.     

应用于热光伏电池的一维Si/SiO_2光子晶体滤光器研究

光谱控制方法被广泛应用于热光伏系统以提高系统的热电转换效率.针对锑化镓(GaSb)电池热光伏系统的光谱控制要求,选用Si和SiO2设计了8层一维光子晶体滤光器结构;重点结合滤光器与高温辐射源辐射光谱功率分布和GaSb电池量子效率的匹配,对设计结构加以改进优化得到最佳匹配滤光器结构;采用光学镀膜技术加工了滤光器结构,并测试其光谱特性,根据测试结果计算滤光器的光谱控制效率、系统转化效率和能量密度.最后,测试了滤光器的抗高温性能.     

热力系统整体分析和优化的热量流法

热力系统的性能优化对提高能源利用效率具有重要意义,但传统分析方法难以满足复杂系统高效分析的需求.近年来基于理论发展的热量流法及相应的求解算法为热力系统的分析与优化提供了一种新的解决方案.本文首先介绍热力系统热量流模型的规范化构建方法,并以余热回收朗肯循环为例说明了模型构建的具体流程.随后,结合系统中工质的流动约束及物性,提出了热力系统整体数学模型的规范化构建方法,能够分离系统约束中线性、非线性显式和非线性隐式约束,最少化需要迭代求解约束的数量.利用上述约束分离特性提出了热力系统整体数学模型的分层-分治求解算法,能够大幅降低计算复杂度,并显著提高计算鲁棒性.最后,以三压蒸汽发电系统为例,阐明了热量流模型及分层-分治算法与传统求解方法相比在求解时间、所需初值数量等方面的优势.     

基于微喷射流的高功率LED散热方案的数值和实验研究

提出了一种基于封闭微喷射流的高功率LED主动散热方案, 系统采用一个微泵来驱动, 依靠封闭微喷系统实现大功率发光二极管(LED)芯片组的高效散热. 对没有采取数值优化情形下设计的上述散热系统开展了实验研究, 对比实验表明: 在不采用上述系统和完全依靠自然对流散热情形下, 对2×2 LED芯片组输入16.4 W的电功率, 运行10 min后, 芯片表面平均温度为112.2℃, 但采用上述冷却方案后芯片表面测量温度仅仅为44.2℃. 实验中改变微泵的流量, 结果表明: 微泵的流量增加将提高散热效率, 但将相应增大消耗功率. 对微喷散热实验系统同时开展了数值研究, 计算结果发现: 对2×2芯片组输入4 W电功率的情形, 稳态数值计算下芯片表面平均温度为34℃, 与实验测得的接近稳态下的温度32.8℃相当, 这表明该模型可以用于数值优化. 数值计算结果还表明: 实验用微喷射流器件需要开展参数优化.     

固体氧化物燃料电池-斯特林热机混合动力系统的性能优化

应用电化学、非平衡态热力学和有限时间热力学等理论,建立包含多种不可逆损失的固体氧化物燃料电池与斯特林热机组合而成的混合动力循环系统理论模型,导出混合系统的输出功率和效率的表达式,确定混合系统的最大输出功率和最大效率及其工作在最大输出功率或工作在最大效率时的运行条件,给出系统的优化工作区域,详细讨论了热力学循环过程的不可逆性对混合系统优化性能的影响,探讨了固体氧化物燃料电池与斯特林热机之间的最佳匹配关系.所得结果可为实际混合动力系统的设计和优化运行提供理论依据.     

基于平板热管技术的电池热管理系统实验研究

温度是影响锂离子动力电池性能的关键因素,本文采用平板热管作为电池热管理的传热部件,实验研究了平板热管在不同电池产热功率条件下的传热性能和均温性,理论计算了平板热管扩散热阻及导热系数.研究表明,在25 W产热条件下,平板热管扩散热阻为0.044℃W-1,等效导热系数650 W K-1,随着电池产热功率的增大,平板热管的扩散热阻降低,等效导热系数显著增大.在多热源条件下,平板热管表面最大温差低于4℃,表明其较好的均温性,在电池热管理系统中具有较好的应用前景.     

基于理想共振隧穿的三端量子点热机

由两个单能级量子点、一个腔和两个电子库耦合形成三端量子点热机模型.通过Landauer公式导出了热机的输出功率以及效率表达式,数值模拟出该热机功率与效率之间的性能特征图,确定了热机性能的优化范围.之后,在最大功率与最大效率作为优化目标下,分析了热漏和能级宽度对热机性能的影响.最后,讨论了在最大功率下对应的效率随卡诺效率变化的关系并且与CA效率进行了比较.研究表明:由于能级宽度和热漏的存在,该热机为一个不可逆热机,热机的效率和功率的特性为一个闭合曲线;由于存在热漏,热机效率和能级宽度的特性为非单调曲线;不考虑热漏和能级宽度,最大功率下的效率将大于CA效率.