为应对能源需求缺口和人类对美好环境的追求,氨燃料以其零碳、能量密度大、生产运输成本低等因素,被认为是未来最具潜力的燃料之一,但纯氨燃烧仍有整体循环效率不高的问题。结合氨燃气轮机排出烟气的最高温度以及氨燃气轮机循环中最低温度液氨相变温度,匹配了再热式朗肯循环作为底循环,提出一种氨燃气轮机回热循环系统。利用热力学第一定律和热力学第二定律对系统热力学性能进行分析和评价,开展了氨燃气轮机进口温度和压力对整体循环性能影响的研究。 结果表明,在氨燃气轮机进口温度不超过1 400 ℃、进口压力低于0.5 MPa时,联合循环对氨燃气轮机循环的效率最高提升了33.38%;联合热力循环的最高效率为60.13%;联合循环有良好的热力学性质和能量回收率;在燃气轮机进口压力不超过0.5 MPa时,回热循环效率随氨燃气轮机进口温度升高和压力提升而提高。本研究为提升氨燃料的高效利用和氨燃气轮机循环实际使用提出了新的探索角度,为氨燃气轮机系统的能源利用做出前瞻性探讨。
目前卷烟厂蒸汽管线具有点多、线长、面广的特点,热力折合系数较高,蒸汽能耗占总体能耗比重较大,对蒸汽管道保温层性能开展研究对提升蒸汽使用效率、减少蒸汽管网热损失意义重大。以4种保温材料为例,基于稳态法测量不同温度下的保温层热导率,明确保温材料热导率与蒸汽温度间的关系,确定了适合应用场景的高效保温材料。通过最大允许热损失方法及经济厚度法确定了合适的保温层厚度,并对不同使用年限的保温层热导率进行测量,随保温层使用年限增加,其热导率呈线性增加趋势。将保温层性能恶化因素纳入模型中,研究了保温层运行费用与其外径及使用年数的关系。针对不同设计使用寿命的保温层,基于经济厚度法计算最优外径及运行费用,结果表明:将材料老化因素考虑在内设计保温层厚度,在设计使用年限内,其累计费用减少10.7%,当超出设计使用年限后,由于保温层老化,散热损失费用增加,考虑材料老化的运行费用高于未考虑材料老化时的费用。通过保温层设计,降低蒸汽散热损失,提升蒸汽利用率,为卷烟厂绿色低碳高质量发展提供理论指导。
超临界CO2在核能发电、太阳能发电、低温制冷、航空航天等领域有着重要应用。目前对超临界CO2管内对流换热的研究大多在临界点温区附近,而在远离临界点高温高压条件下的超临界CO2换热规律尚不明晰。在高温高压下进行了数值模拟研究,探究了质量流量、入口温度、系统压力、热流密度和管径对对流换热系数的影响,并分析了由这些工况变化引起的浮升力和流动加速效应对换热特性的影响。 结果表明: 随着质量流量、入口温度、系统压力和热流密度的增加,对流换热系数增大;在不同热流密度条件下,流体的对流换热系数差值沿流动方向逐渐扩大;对流换热系数随着管径增大而减小。相较于临界点附近的换热规律,热流密度和管径对对流换热系数的影响存在差异。总体而言,压力对对流换热系数的影响相对较小。该研究对理解和完善超临界流体换热规律、指导高效安全换热器设计具有重要意义和工程价值。
能源和环境问题日益突出,可再生能源快速发展,其存在的间歇性是制约其发展的关键性问题之一。先进绝热压缩空气储能系统(AA-CAES)是解决可再生能源间歇性的有效方法。建立了AA-CAES储能阶段的数学模型并进行了能量守恒、?平衡、各部件关键参数的动态分析和敏感性分析。结果表明,提出的数学模型遵循能量平衡和?守恒定律;压缩机的?损失大于换热器;能量和?分别主要储存在导热油和高压空气中;压缩机运行工况与设计的偏差使储能阶段效率变低;空气流速和第一级透平入口温度对运行时间的影响大于储气温度、绝热效率和储气质量。本文研究为根据实际需求调节参数和优化储能系统提供参考。
浸没燃烧蒸发技术是以高温烟气为热源与液体直接接触蒸发的换热技术,但现有研究中缺少浸没燃烧蒸发过程的热态模拟研究和蒸发器内分布盘倾角对蒸发效果的影响。基于欧拉法对分布盘型浸没燃烧蒸发器的结构参数进行热态数值模拟研究。通过气液两相流研究获得了蒸发器内部烟气分布,并探究了不同分布盘倾角对蒸发量和压力波动的影响。数值模拟结果显示,分布盘倾角影响烟气在液体中的分布效果,增加分布盘角度可以减小浸没管入口压力波动,从而提高燃烧器内背压稳定性,减小分布盘角度,增强气液间换热效果,从而提高蒸发效率。
为了克服传统吸收式制冷工质对的种种缺陷,离子液体型制冷工质对被视作理想替代品,得到了广泛的开发与应用。采用静态实验和分子动力学模拟两种方法,对[EMIM]BF4/CH3OH离子液体二元体系的气液相平衡性质展开研究。研究结果显示,[EMIM]BF4/CH3OH离子液体二元溶液具有良好的气液相平衡性质,实验测得饱和蒸气压比其他醇类离子液体二元溶液低约21%;模拟结果与实验值有相同的数量级和变化趋势,相对误差普遍小于8%。研究结果为离子液体制冷工质对的筛选和进一步的理论循环系统研究提供了物性数据基础,另一方面也为离子液体基础物性研究提供了一种模拟预测的新方法。
压缩超临界二氧化碳(sCO2)储能作为一种新型储能方式,具有储能密度大,结构紧凑,使用寿命长,负碳排放等优点,因此,在能源储存转化等方面有着广阔的应用前景。基于质量守恒和能量守恒定律,建立了压缩sCO2储能系统(SC-CCES)的动态数学模型,并完成了模型可靠性的验证;采用Matlab及Simulink软件实现了单级压缩和单级膨胀的SC-CCES系统动态特性仿真,设计工况下SC-CCES系统的储能效率为51.98%,储能密度为447.8 kWh/m3,其储能密度是传统压缩空气储能系统储能密度的20倍以上;分析了不同高压储罐入口压力对系统性能的影响,结果表明储能效率随高压储罐入口压力的增大而增大,储能密度则恰好相反。此研究为压缩二氧化碳储能的发展提供了基础。
为研究人工湖下煤炭连采连充开采后的地表移动变形规律,对连采连充工作面进行了室内力学试验和现场取芯力学试验,验证充填体的可行性;基于等价采高概率积分法,对连采连充工作面进行地表沉陷预测;通过数值模拟计算,分析导水裂缝带发育高度,并与概率积分法结果进行对比。结果表明:充填体的强度5.063 MPa超过设计强度2.0 MPa,能够确保矿井的安全开采;连采连充工作面开采后,地表倾斜值极值0.3 mm/m,地表水平变形极值-0.2 mm/m,小于砖混结构建筑I级损坏范围,周围地表沉陷平缓,无安全隐患;导水裂缝带发育高度约49.7 m,距离隔水层约160.3 m,水下采煤安全,FLAC3D数值模拟和概率积分法结果比较接近,验证连采连充技术可有效减缓地表移动变形。
传统的最大功率点跟踪(MPPT)算法在光伏阵列多峰情况下容易陷入局部最优,蝴蝶优化算法有全局优化能力,但由于收敛精度较低而没有被广泛使用。提出了一种改进蝴蝶优化算法与扰动观察法相结合的MPPT算法,引入混沌映射理论和动态切换概率改进蝴蝶优化算法。先通过蝴蝶优化算法的全局搜索能力定位最大功率点范围,后切换小步长扰动观察法精准定位最大功率点。混合算法结合了蝴蝶优化算法和扰动观察法的优点,通过Simulink仿真实验,与传统蝴蝶优化算法、粒子群算法作对比,改进后的算法能够适应复杂多变的光照环境,且在收敛精度和速度方面均有一定优势。
利用1961—2016年山东省济南市太阳年总辐射量观测数据,通过模型识别和统计检验,对比分析时间序列模型AR(5)和ARIMA((1,2,4),1,0)的拟合结果。残差检验结果表明,疏系数模型ARIMA ((1,2,4),1,0)可用于预测地表太阳年总辐射量,预测结果显示2017—2025年济南市地表太阳辐射的年际变化整体呈增长趋势。对比多元线性回归模型结果,时间序列疏系数模型误差较小,预测准确度相对较高。
胜利油田进入特高含水期,开采难度加大,采油成本上升,节能已成为采油厂成本控制的主要因素,采用燃气轮机或燃气内燃机发电、烟气驱动热泵回收污水余热和加热原油等工艺相结合,可以构建基于天然气的分布式能源系统。通过对传统联合站以及联合站分布式能源系统进行夹点分析,从而实现能流分析优化。基于燃气内燃机变工况能流模型,通过热力模拟进行燃气内燃机的燃烧计算,对水套加热炉加热原油的传统联合站进行夹点分析。基于烟气余热驱动的溴化锂吸收式热泵能流模型,对联合站分布式能源系统进行夹点分析。对联合站分布式能源系统与传统联合站进行了对比分析,联合站分布式能源系统节能潜力达24%,为实现“双碳”目标做出了贡献。
设计了一种基于太阳能制氢和高温质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统,运用Matlab软件搭建了该联供系统的数学模型,分析了该系统在额定工况下的运行情况。重点研究了变压吸附分离率、高温质子交换膜燃料电池电流密度、工作温度等关键参数对系统?效率和一次能源利用率以及系统输出的冷热电负荷的影响。研究结果表明:在额定输入甲醇流率下,该联供系统白天制氢的6 h期间输出功率为236.68 kW,同时还可为工厂提供1 180.30 kW的热负荷及165.14 kW的冷负荷; 24 h内可输出电功2.30×107 kJ,输出热负荷2.55×107 kJ,冷负荷1.43×107 kJ,联供系统24 h的?效率为69.18%,一次能源利用率为91.69%;联供系统中?损最大的设备依次是燃烧室、换热器3和太阳能重整器。
针对高含硫气田天然气含湿含硫且井口压力不断降低的特点,利用高压气井的富余压力通过喷射器增压输送低压天然气。采用Fluent软件对喷射器内单相和气液两相含湿含硫天然气的沿程温度、压力进行了数值模拟,应用天然气水合物生成预测模型ZahediⅠ对天然气喷射器内部天然气水合物生成区域进行了预测分析,预测了工作流体入口温度、含硫量、含湿量对天然气水合物生成的影响。工作流体入口温度增加,喷射器内天然气水合物生成区域范围减小,硫化氢含量越高,天然气水合物生成区域范围越大,工作流体含水滴,喷射器内天然气水合物生成区域小于单相工质下的天然气水合物生成区域,进而提出了消除含湿含硫天然气喷射器内形成水合物的措施。
目前对电厂疏水管道阀门泄漏多采用基于传热原理的内漏自动检测计算方法,但是已有研究尚未对阀门泄漏时管道内流体的流动和传热进行分析,且对温度测点如何布置以及温度测量的精度要求也缺乏研究。针对以上问题,采用计算流体力学仿真的方法,研究了阀门泄漏时管道内传热和流动情况,分析了不同的管道直径和保温材料对所测温差和泄漏量的影响。研究结果为实时监测阀门附近流量的动态变化,进行工程现场诊断疏水阀门的泄漏故障提供了模型方法和参考。
在深水钻井的过程中,及早准确地监测到气侵的发生对于钻井安全至关重要。在哈格多恩和布朗方法的基础上建立了深水钻井气侵发生后气体上升速度模型,针对井斜角对气体流型划分原则的影响及气体滑脱速度的改变进行了修正,结合气侵后井筒气液流动规律,实现了气侵发生后气体到达海底井口时间的实时计算,所得结果能够有效反映深水斜井钻遇气侵后井筒环空的流动规律,对于气侵及井控的监测具有重要意义。
开发了一种基于电容探针的稠密气固两相流中异质颗粒混合特性测试新方法。研究了鼓泡流化床内异质颗粒混合过程中微观混合比的变化规律,分析了流化床一系列位置处对流与扩散机制对于混合过程的作用规律及其微观机理。结果表明:随着流化床床层高度的增加,对流机制对于颗粒混合的作用先增大后减小;壁面处微观混合比随着混合时间出现小幅波动,主要表现出扩散混合行为;不同高度处颗粒达到混合平衡所需时间无明显差异,而壁面处颗粒达到混合平衡所需时间是轴线处颗粒混合时间的2倍左右;混合平衡状态下最终微观混合指数相近。
在热传递技术的被动改进中,在管中使用插入物是当今一种非常普遍并且具有很大实际作用的改进技术。内插中心斜杆换热管可以使管内实现类似于优化流场的多纵向涡旋流,使换热管在流动阻力增幅不大的情况下换热性能得到有效提升。利用数值模拟方法对内插中心斜杆的换热管进行研究,探求斜杆数目、节距、直径等参数的变化对换热、阻力特性的影响。结果发现:内插中心斜杆换热管的换热性能远优于光管的综合换热性能;内插中心斜杆换热管的努塞尔数随着斜杆数量的增多而在一定范围提高,压降随着斜杆数量的增多而增大,斜杆数量为3时,内插中心斜杆换热管的综合换热性能较好;努塞尔数和压降随着节距的增大而减小,斜杆节距为20 mm时,内插中心斜杆换热管的综合换热性能较好;努塞尔数和压降随着斜杆直径的增大而增加,斜杆直径为2.0 mm时,内插中心斜杆换热管的综合换热性能较好。
对集油管线输运、单井储油罐拉油两种生产模式进行建模并实现动态模拟,进一步探究了两种模式的加热负荷变化规律及最优加热参数的确定。分别设计了单井集油管线输运及储油罐拉油两种生产模式的分布式能源系统方案,包含水套加热炉、电伴热、太阳能集热装置、太阳能蓄热装置、空气源热泵。对5种热源进行热力计算,在此基础上建立两种分布式能源系统目标函数及约束条件,对两种分布式能源系统进行优化,给出不同模式、不同季节、不同时刻所需电伴热占比,可达到对热源的合理利用,使得投资费用与运行费用最小,同时对几种分布式热源进行了经济性分析。
为了改善东北燃煤机组深度调峰运行期间电动给水泵的节流损失,提高电能、煤耗的利用率,以某电厂600 MW电动给水泵组为例,采用变频改造方案,通过分析不同工况(100%、92%、83%、67%、60%、53%、50%额定负荷)下,给水单双泵的工变频情况,得出流量、负荷与电效率、电机有功功率之间的关系。试验结果表明:变频后,流量越低,电效率、电机有功功率提升的越多,最多可达30%、33%;变频改造适用于该机组且能使厂用电率降低0.45%~0.87%,节电率达21%~33%。变频拖动对机组深调峰的节能效果十分显著,为同类型机组的改造提供了借鉴。
闪蒸是液体经历压力突降时的快速汽化现象,在高耗能行业余热回收领域具有广阔的应用前景。针对闪蒸余热发电系统喷嘴内部流动与相变现象研究相对缺乏的问题,以典型的双S型旋流片喷嘴为研究对象,展开内部闪蒸问题的数值研究。基于耦合的流体体积函数模型与降压相变模型构建喷嘴内部闪蒸流动的数学描述,并利用CFD软件进行数值求解。结果表明,流体流经S型旋流片时开始旋转加速,在旋流片下游呈现中间旋转程度低、周围旋转程度高,随后经流道收缩段加速喷出。旋流片下游压力降低引发内部闪蒸现象,流体最终以气液混合物状态离开喷嘴。此外,从改善雾化效果、减轻积垢、增加通流能力的角度提出一种改进的喷嘴结构,能够促进喷雾闪蒸充分快速进行,有助于进一步提升闪蒸余热发电系统效率。
考虑到不同类型电源的出力特性及其之间的互补性和矛盾性,以系统成本最低、污染排放最少和清洁能源利用率最大为目标,建立了风电接入的水火风储联合发电系统的多目标优化调度模型,并将蒙特卡洛模拟与遗传算法结合,采用改进的39节点系统验证了所建立模型的有效性,水电和储能系统在不同情况下都能充分发挥其调节作用,平抑风电波动,并且减少了污染排放和弃风现象,较好地实现了各类资源的优化配置。
针对普光气田高含硫且井口压力不断降低的特点，提出了使用喷射器来将低压天然气增压输送的方案。高含硫天然气在引射增压过程中由于温度压力的变化，在喷射器内可能出现硫析出，单质硫的沉积会造成堵塞，还会加剧设备的腐蚀。建立了高含硫天然气引射增压数学模型，数值模拟了喷射器中天然气的压力、温度、速度分布特征。分析了引射系数的影响因素及引射增压过程中的硫析出的可能性.研究发现温度对喷射器内硫析出有重要的影响，所以可以提高工作流体入口温度来提高喷射器内的整体温度，从而减少硫的析出。
微柱群通道内的流动特性是设计与优化其散热结构的基础。采用显微粒子测速技术（Micro-PIV）对绕流微柱群流动进行研究，测定了不同Re下的绕流流场，分析了绕流微柱群的速度场以及Re对涡结构及回流长度的影响。结果表明，随着Re的增大，微圆柱尾流区出现涡结构，回流长度逐渐增大，微尺度下柱体绕流过程中边界层分离现象相对于宏观尺度具有一定的滞后性。
以去离子水为工质，在质量流速G=292.8~412.2 kg/(m2·s)，入口温度Tin=50.6~81.5 °C，热流密度q"=10.1~87.1 W/cm2的条件下，对圆形、菱形和椭圆形微肋阵通道内沸腾起始点特性进行了实验研究。对微肋阵通道内单相对流传热和两相沸腾传热过程的分析结果表明，壁温和压降曲线的变化趋势均可作为沸腾起始点的判定依据。通过分析各实验参数对沸腾起始点热流密度的影响趋势，发现微肋阵通道内沸腾起始点热流密度随质量流速的增大而增大，但是随着入口温度的增大而减小；在相同工况条件下，圆形、菱形和椭圆形微肋阵通道沸腾起始点热流密度依次减小。
以辽河、克拉玛依常压渣油为原料，研究了渣油热反应过程中相分离状况及生焦粒度的变化，并考察了添加剂对相分离过程和焦炭粒度的影响。结果表明，辽河常压渣油中加入十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、十二烷基苯磺酸（DBA）能够明显改变热反应过程中相分离的过程，体系的容焦、悬焦能力增加，焦的粒度明显减小；加入DBA后克拉玛依常压渣油热反应生焦量明显下降。在热反应过程中DBA等与沥青质胶粒的极性官能团作用，抑制超分子胶束缔合，体系的相分离得到延迟；由于DBA的加入开始生成的焦比较细小，但焦碳中心数量较多，这样在生焦总量相似的情况下，焦炭粒度会明显减小。
为了探讨多孔挤压铝扁管构成的新型微小通道热沉的换热特性，建立了三维共轭传热数值模型并通过实验验证了该模型的可靠性。模拟分析了在0.03 W的泵功消耗下，不同孔道高宽比、宽度比、孔道数目对热沉传热性能的影响，并详细计算导热热阻、对流热阻和热容热阻。讨论了不同内翅片的宽度及高度对强化传热系数 PEC的影响，提出了最佳的翅片宽度。该研究为此类型热沉的设计提供了参考依据。
针对长度为10 cm、翅片数量为18、翅片厚度为0.7 mm、翅片高度为14 mm的太阳花散热器，建立了数值模拟模型，并通过实验对模拟进行了验证，发现两者误差在3.5%以内，证明了模拟结果的可靠性。在此基础上，采用数值模拟研究了散热器长度、翅片数量、翅片高度、翅片厚度与翅片温度和传热系数的定量关系。研究结果表明，在相同散热量下，翅片温度与传热系数均随着散热器长度的增加而降低，而翅片温度随着翅片数量的增多先降低后升高，因而存在最佳翅片数量使散热能力最强；翅片温度随着高度的增加而降低，翅片厚度对翅片温度的影响不大。
本文对一种化学链燃烧所用赤铁矿氧载体进行了本征还原反应动力学研究。氧载体颗粒的比表面积及孔径分布测试显示此种氧载体的孔隙率为0.031，表明此种氧载体结构致密，孔隙结构不发达。热重反应器上进行的程序升温还原实验结果显示氧载体的还原反应分阶段进行，并确定第一还原阶段的温度测试窗口为400~650 °C。在排除了氧载体颗粒内外扩散的影响后，批次流化床实验分析确定反应的本征活化能为138.55 kJ/mol，指前因子为6.8×1013 s-1。通过对内外扩散因素的分析，加深了对此种氧载体颗粒与CO的宏观反应特性的认识。本研究结论与前人关于缩核模型、外扩散控制以及较小的表观活化能的研究结论具有良好的相容性。
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