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...     

微纳通道内稠密气体流动和换热的Monte Carlo模拟

使用Enskog模拟Monte Carlo法(ESMC)对稠密气体在微纳通道内的流动和换热进行了模拟, 并与直接模拟Monte Carlo法(DSMC)和一致性Boltzmann算法(CBA)所得的结果进行了对比, 对微纳通道内稠密气体流动和换热特性进行了分析. 结果表明, 当气体密度较大时, 稠密气体效应对流动和换热的影响不可忽略, 这种效应使得通道内壁面阻力系数减小, 且壁面换热特性也与不考虑稠密气体效应时有所不同.     

基于(火积)理论的船用锅炉构形优化

基于(火积)理论和构形理论,在三个主要换热部件(蒸发器、过热器和经济器)总换热面积一定的约束条件下,以第Ⅲ对流蒸发管束外径、过热器管外径和经济器管外径为优化变量,对船用锅炉进行性能优化,得到整体锅炉的最优性能和最优构形.首先,以(火积)耗散率和耗功率线性加权组成的复合函数为目标进行优化,并分析保热系数、加权系数和换热率等初始设计参数对整体锅炉构形优化结果的影响.结果表明:第Ⅲ对流蒸发管束无量纲管外径、过热器无量纲管外径和经济器无量纲管外径分别存在最佳值1.2, 1.3和1.1,使得复合函数取得三次最小值0.737.相比于初始设计点,优化后整体锅炉的复合函数最高降低26.3%,锅炉综合性能得到显著提升.其次,采用NSGA-Ⅱ算法对整体锅炉进行两目标优化得到相应的Pareto前沿和锅炉最优构形,为整体锅炉的性能优化和结构设计提供一个更为广泛的选择空间.本文研究结果可为各种锅炉的性能优化设计提供理论指导.     

封闭腔导热辐射与自然对流耦合换热的数值研究

对具有导热和表面辐射换热相互耦合的封闭腔内的自然对流进行了数值研究,计算采用层流模型,为SIMPLE算法,QUICK差分格式.计算结果表明,在自然对流的封闭腔内,辐射换热比对流换热更占主导地位.当具有固体层时,导热的效应使总的对流换热有所增长(曲线的初始部分),但当固体层的导热系数比超过一定值时(kr≥10),再增加固体的导热性能,对封闭腔内的流动和换热的影响就不明显了.从数值上证实了在实际的建筑环境中,只要外围护结构的厚度达到一定的数值就可以达到隔热保温的要求.再增加厚度并不会得到更好的效果.     

（火积）耗散极值原理在辐射换热优化中的应用

类比于导热和对流换热过程中（火积）的定义,在辐射换热中引入（火积）流和耗散的概念,由于辐射换热是不可逆过程,故在该过程中将部分被耗散.提出了辐射换热优化的（火积）耗散极值原理：对于具有一定约束条件的辐射换热过程,在给定温度边界条件的情况下,（火积）耗散最大时辐射换热过程最优（热流最大）;在给定热流边界条件的情况下,耗散最小时辐射换热过程最优（温差最小）.最后针对具体算例说明了该原理在辐射换热中的应用     

等热流圆管内潜热型功能热流体层流换热的内热源模型及应用

从对流与导热的相似性出发, 揭示了潜热型功能热流体强化换热的物理机制. 针对平均比热容模型的局限, 发展了内热源模型, 优化了其数值计算方法, 对影响速度充分发展的等壁温圆管内该类流体层流流动换热强化的各因素进行了敏感性分析, 弄清了影响换热强化的主要因素及其强化换热的机理, 提出了表征功能热流体换热强化程度的修正Nu数.     

变壁温管内对流换热场协同优化分析

采用分析方法, 求解了壁面热流呈指数变化的圆管内层流热入口段的换热. 结果表明, 换热系数与壁温沿轴向的温度梯度直接相关, 轴向壁温梯度越大, 换热就越强. 进而, 分析讨论了壁面热流不同变化情况下, 充分发展段的场协同度. 通过分析场协同度和对流换热系数的对应关系, 验证了场协同原理的正确性, 也表明优化热边界条件是提高场协同度、从而实现强化换热的途径之一.     

基于非线性温-焓对应关系的非共沸制冷剂评价

为了评价空调工况下非共沸制冷剂的循环特性, 揭示非共沸制冷剂在冷凝器和蒸发器中与换热流体间传热温差的沿程分布规律, 在制冷剂相变过程中非线性温-焓对应关系的基础上展开了相应的理论研究. 首先, 建立了制冷剂的冷凝和蒸发换热模型, 并根据标准空调工况确定了制冷剂相变时的状态参数. 然后, 利用制冷剂状态方程得到了15种非共沸制冷剂相变过程中温度与焓值的对应关系, 在一定假设的基础上计算出制冷剂和换热流体在相变过程中的传热温差. 通过归纳换热器沿程各位置的温差变化, 得到了它们的分布规律. 最后, 在对比了不同制冷剂由于传热温差的变化而引起的附加可用能损失后, 给出了这15种制冷剂的性能评价.     

底部加热长方体腔内空气自然对流的稳定结构及三维特性的研究

采用具有QUICK差分格式的SIMPLE算法对底部加热长方体腔内空气的自然对流进行了实验研究和数值计算.1）当四周壁面绝热时,腔内流体形成平行于短轴方向的多个长条状涡卷,而平行于长轴方向没有形成涡卷.当Rayleigh数较小时,腔内流动表现出明显的二维特性,沿短轴各个截面的涡卷流动基本一致,三维模型平行于短轴的各截面平均Nusselt数除了边壁处差别较大,中间大部分区域均与二维模型平均Nusselt数比较接近,腔内的空气流动在长轴方向除了边壁附近差别较大,中间大部分区域均呈现明显的二维特性,二维与三维模型计算结果一致,且与实验结果吻合.随着Rayleigh数的增加,涡卷数量与形状都会发生改变,在腔内出现多边形的涡卷,腔内的流动表现出明显的三维特性,此时采用三维模型才能取得与实验一致的计算结果.2）侧壁绝热或者传热量较小时,长高比为16时,三维模型计算得到与实验一致的结果,形成平行于短轴的10个长条状涡卷.当侧壁面有传热时,方腔内流动形成了平行于长轴方向的涡卷,并且热流方向相反时涡卷的旋转方向也相反.3）底部加热长方体腔内空气的自然对流换热,低Rayleigh数时流动和换热处于稳态,当Rayleigh数超过某一临界值时,流动和换热就会发生非线性振荡.随着Rayleigh数的增加,流动的情况基本分成四个区域：稳定区域、单倍周期区域、多倍周期区域和混沌区域.     

纳米材料增强的潜热型功能热流体的对流换热特性

由于在相变过程中相变材料微胶囊能够吸收/释放大量的潜热,使得潜热型功能热流体具有较大的表观比热.然而近年来有学者研究发现,由于潜热型功能热流体热导率较低,其对流换热能力受到了削弱,甚至在某些条件下要低于水的换热性能.本文针对潜热型功能热流体的热导率较低的问题,研制了纳米材料增强的潜热型功能热流体,并且进行了管内强制对流换热实验研究,结果表明：添加0.5%TiO2纳米颗粒使得潜热型功能热流体的对流换热性能得到了明显改善,且相变材料微胶囊的浓度越高,纳米材料对换热性能的改善幅度越大,可使平均壁面温度降低达18.9%.     

恒壁温边界条件下不可压缩气流在微通道内的二维层流换热

基于贴壁层概念和已经求得的贴壁层内气体黏度和导热系数变化规律,求解了等壁温边界条件下微通道内气体完全发展的二维层流换热,分别得到了平行平板微槽道和微圆管内温度分布和对流换热系数.     

微三角形槽道内非均匀定热流加热下的滑移流动换热

针对微三角形槽道, 利用正交函数法求解了滑移流区内带温度跳跃边界条件的能量方程, 理论分析了多种不同非均匀定热流密度加热条件下不可压缩气体在微三角形槽道内热充分发展滑移流动的换热特性, 获得了相应的温度分布及平均Nusselt数的计算式. 讨论了Knudsen数、微槽高宽比及不同加热边界条件对平均Nusselt数的影响. 计算结果表明: 正交函数法适用于微三角形槽道内滑移流动换热特性的分析计算; 在滑移流区, 微三角形槽道内的平均Nusselt数随Kn数的增加而减小, 但减小的幅度随微槽的高宽比和加热边界条件的不同而不同. 对微正三角形槽道而言, 相比单独底边加热条件, 两斜边加热条件下的换热性能在小Kn数时下降较缓, 在大Kn数时下降较大. 最后得到了非均匀加热边界条件下微正三角形槽道内平均Nusselt数的计算关联式.     

两流体换热器内粘性热对两流体（火积）的影响

以水和橄榄油为例研究了两流体换热器内只考虑传热引起的（火积）耗散的情况下,粘性热对换热过程中两流体（火积）的影响.结果表明,对于动力粘度较大的流体粘性热对两流体（火积）损耗的影响不能忽略.粘性热效应维持了流体的传热能力,使换热过程的（火积）的损耗幅度相对减小;粘性热效应增加了导热引起的熵产,使换热过程的可用能损失相对增加.对于动力粘度较大的流体,在换热面积固定的条件下当流体质量流率增加到一定程度时,粘性热效应对（火积）的贡献幅度甚至大于传热引起的（火积）的耗散幅度,从而使换热器内损耗的幅度随着质量流率的增加而减小.在其他条件相同的情况下,选择冷流体为较小热容流率的流体时传递单位热量下的传热（火积）损耗率和熵产率要小于选择热流体为较小热容流率的流体时传递单位热量的传热（火积）损耗率和熵产率.     

微通道稀薄气体流动换热特性的研究

用直接模拟Monte Carlo方法对处于Kn = 0.05~1.0范围下的微通道内气体的换热特性进行了分析研究, 结果给出了不同Kn数、不同横纵比下通道内气体温度、壁面热流密度的变化曲线以及同一工况下壁面总的热流密度与局部热流密度随进口流速的变化曲线. 结果表明, 微通道内的换热主要集中在进出口处, 中间部分的换热很微弱, 其换热特性与Kn数及通道的横纵比有很大的关系, 进口流速对总的换热量影响不大, 但却改变了局部热流密度的分布.     

基于(火积)耗散理论的新翼型换热器优化方法研究

基于(火积)的分布匹配以协同强化的思路对新翼型换热器进行结构优化,提出两种不均匀的翅片分布结构,在给定热流边界条件下以超临界CO_2为工质,对多种翼形肋分布结构进行传热流动性能的数值研究.结果表明,针对超临界流体物性剧烈变化导致的换热参数分布极不均匀的特点,在总换热面积不变的条件下通过相应改变新翼型肋片分布方式,改善了流体(火积)与壁面热流(火积)的分布匹配性,进而改善了流道内局部(火积)耗散率的分布均匀性,使流道内总(火积)耗散率减小,换热性能提高.比拟两流体耦合换热过程中变热流边界条件下的数值研究表明,在换热器两流体耦合换热中依据换热参数分布特性相应改变新翼型肋的分布方式,在总换热面积不变的条件下同样改善冷热流体(火积)的分布匹配性,进而使局部(火积)耗散率沿换热区域分布更为均匀,减小总的(火积)耗散率.(火积)的分布匹配原则为换热器结构优化和改进提供了新的思路和方法,具有重要的理论和工程意义.     

过程参数描述的等热流和等壁温平板间层流对流换热特性区别

应用对流换热过程参数描述, 对平行平板间层流对流换热特性在不同热边界条件下的区别进行分析. 结果表明: 发展段壁面上, 在等热流边界条件下壁面法向方向的热通量是以对流方式传递的, 虽速度为零, 但速度梯度对该热通量的传输有贡献, 等热流边界条件时最大速度梯度项对法向热通量的传输有贡献; 在等壁温边界条件下壁面法向方向的热通量是以扩散方式传递的; 在发展段流体内部, 不同热边界条件下主流方向的热通量和垂直壁面的热通量均是以对流方式传输的, 速度和速度梯度对主流方向和垂直壁面热通量传输的贡献与边界条件相关; 在充分发展段壁面上, 等热流边界条件时壁面法向方向的热通量是以对流方式传递的, 速度梯度对该热通量的传输有贡献, 但等壁温边界条件时是以扩散方式传递的; 在充分发展段流体内部, 等壁温边界条件时主流方向的热通量和垂直壁面的热通量均以对流方式传输, 速度对主流方向热通量的传输有贡献, 等热流边界条件时主流方向的热通量和垂直壁面的热通量均以对流方式传输, 主流方向热通量的传输是一没有净换热的对流过程, 速度梯度对垂直壁面热通量的传输有贡献; 正是由于等热流边界条件时壁面上最大速度梯度项对法向热通量传输的贡献和等壁温边界条件时壁面上最大速度梯度项对法向热通量传输没有贡献, 使得等热流边界条件对流换热强度高于等壁温边界条件的换热强度.     

倾斜圆管内超临界压力CO_2流动换热数值分析

对超临界压力CO_2在内径为10 mm、加热长度为2000 mm、倾斜角度α=45°的倾斜光管内向上和向下两个方向的流动与传热行为进行数值计算.采用SST k-ω低雷诺数湍流模型,通过超临界压力CO_2在垂直光管内向上流动传热的实验数据验证了计算模型的可靠性和准确性,分析了倾斜圆管内壁温度T_(w,i)和对流换热系数h沿圆管轴向和周向的变化规律.基于超临界压力CO_2在类临界温度T_(pc)处发生类气-类液"相变"的"类沸腾"假设,研究了超临界CO_2在倾斜圆管内不同方向流动时顶母线壁温分布产生差异的原因,通过获取圆管横截面内速度分布、物性分布和湍流分布等详细信息,重点分析了产生这一差异的传热机理.计算结果确定了类气膜厚度、轴向速度u、湍动能k和黏性底层厚度δ_(y+=5)是影响不同流动方向时顶母线壁温分布差异的主要因素.     

强化单相对流换热的一般理论指导原则

分析了强化单相对流换热的主要方法, 阐述了强化换热与能量损耗之间矛盾的统一性, 建立了换热(或火用)效率与换热过程动力及其与过程能耗的热力学关系, 导出了强化对流换热的一般理论指导原则——相对温度梯度场分布和速度场与温度梯度场的协同关系式. 温度梯度场分布与速度场分布相互制约, 当二者协调并满足该原则时, 则强化对流换热达到最优的换热效率.若温度梯度场与流速场协同程度确定, 则要求温度梯度场分布相对均匀性, 反之, 若相对温度梯度场的分布确定, 则确定了温度梯度场与流速场协同程度. 该原则也给出了相对温度梯度分布与流速、比热及其导热系数的依赖关系. 这一理论原则可为对流换热强化及其优化设计提供一般理论指导.     

两级密封式斯特林可逆热机

介绍一种两级密封式斯特林可逆热机。该机按斯特林循环正向运行，将热能转变成电能；按斯特林循环逆向运行，将电能转变成热能，突破了现代斯特林发动机、斯特林制冷机都不能逆向运行的技术难关。通过两级密封技术、工质自动均衡技术、螺旋逆流换热技术的综合应用，彻底清除了斯特林热机发展的两大障碍：一是结构复杂．二是密封困难，提供一种结构简单、密封可靠、使用方便、运行平稳、节能环保、造价低廉的斯特林可逆热机，可广泛应用于发动机、制冷机、热泵等三大技术领域。尤其是在低温制冷和高温制热这两方面，较现有技术更具优势．     

(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.