超临界CO2布雷登循环热电联供系统多目标优化

本文研究了以超临界CO₂布雷登循环为原动机的热电联供系统,对系统主要运行参数进行了分析,得到运行参数对于系统热力学性能和经济性能的影响规律。同时,以一次能源利用率和单位输出成本作为目标函数,采用多目标遗传算法对系统进行了优化;在优化结果的基础上,通过TOPSIS法决策出最优解,并与单目标最优解进行对比。结果表明,透平进口温度、透平进口压力和压缩机进口温度的增大有利于系统效率的提高;作为代价,成本也相应增加。在热电比0~4范围内,尽可能增大热电比能够最大程度上降低系统的单位输出成本,提高能源的利用率。     

S-CO2布雷顿循环转化效率分析

以超临界二氧化碳简单回热型布雷顿循环为研究对象,以核电站为应用背景,详细论述了系统循环模型与关键器部件的效率模型建立方法,并利用该模型初步分析了各类工程因素对布雷顿循环效率、系统体积的影响,分析结果表明,循环效率、系统体积对温度、压力、涡轮机械效率、回热器等参数的敏感性存在较大差异,其中增加透平入口温度对缩减系统总体积最为有效,需要建立完善的系统分析模型以进行S-CO₂系统的优化设计。     

基于超音速两相膨胀器的新型CO2热泵与制冷循环研究

综合性能优异的自然工质CO₂在改善环境问题方面具有重要作用。基于环保安全的CO₂,采用制冷效率较高、结构简单、无运动部件的超音速两相膨胀器作为膨胀降温装置,构建新型CO₂热泵与制冷循环,对新循环进行热力学分析和模拟计算研究。结果显示,理想的热泵循环最大热泵系数COP_h为5.83、最大制冷系数COP_c为4.90,展现出良好的制热制冷性能;空调温区工况,新型CO₂制冷循环COP_c为6.69,是现有制冷性能相对最优的CO₂跨临界制冷循环COP的1.63倍,且系统运行压力降低,安全性可靠性提高;冰箱温区工况,COP_c随STPE入口压力的增大稳定在3.5附近,相对卡诺效率保持在0.78左右。研究表明,基于超音速两相膨胀器的新型CO₂热泵与制冷循环具有一定的发展潜力,为CO₂利用提供一种可能的参考。     

水平螺旋管内超临界CO2冷却换热的数值模拟

采用RNG k-ε 湍流模型对超临界CO₂流体在内径为4 mm, 长度2000 mm, 节距为10 mm, 曲率为0.1的水平螺旋管内的冷却换热进行了数值模拟.研究了质量流量、热流量以及压力对换热系数的影响, 并和超临界CO₂在水平直管内的冷却换热进行了对比.研究结果表明, 超临界CO₂在水平螺旋管内流动产生的二次流强于水平直管内的二次流, 前者的换热系数大于后者; 换热系数随质量流量的增加而增大; 在似气体区, 换热系数随着热流量的增加而增大, 而在似液体区, 热流量对换热系数几乎没有影响; 换热系数峰值点随着压力的升高而下降, 并向高温区偏移.     

CO2混合工质冷电联合循环非设计最佳运行组分研究

本文针对耦合在冷藏车上的CO₂混合工质冷电联合循环系统,对其道路运行时的非设计性能进行分析。首先,根据道路运行参数,对内燃机的工况变化区间进行了归类划分;随后,依次建立了稳态设计模型和非设计计算模型。计算结果显示,对于整个道路工况下不同的发动机运行工况,最佳的混合工质CO₂充注比例不同;另一方面,对于整个道路运行工况下的综合性能表现,考虑非设计运行与只考虑稳态设计的系统最优混合工质CO₂充注比例相近。     

人工冰场CO2制冷及热回收系统性能分析

针对人工冰场的制冷及热回收需求,提出了一种新型的CO₂并行压缩循环,对其进行热力学分析,并与常规循环和喷射循环进行对比,结果表明,并行压缩循环的制冷系数最高,而且随着环境温度降低而升高,该循环在跨临界运行时的最佳排气压力要低于常规循环;并行压缩的热回收量最小,但是制热系数和综合COP最高,而且随着环境温度降低,热回收量和制热系数会降低而综合COP会升高;该系统在全年范围内都能提供高效的制冷以及热回收性能。     

超临界二氧化碳(S-CO2)气体箔片止推轴承动力特性研究

本文针对超临界二氧化碳(S-CO₂)气体箔片止推轴承的动态特性开展了数值研究。基于有限元分析软件ANSYS和计算流体动力学软件CFX,建立了气体箔片止推轴承动力特性的全三维非定常双向流固耦合数值预测方法,并采用不同气膜厚度下的轴承静态载荷和扭矩的实验数据验证了数值方法的有效性。计算分析了轴承受到轴向周期性扰动时,6种工质温度、5种工质压力、7种气膜厚度和6种扰动频率下的动态刚度和阻尼系数,获得了运行参数对S-CO₂气体箔片止推轴承动态性能的影响规律。     

跨临界CO2热泵循环能效、经济性与环境性分析

为研究不同循环初始投资成本、生命周期成本及环境影响因子的区别,以及不同循环在不同运行工况下的性能。建立单级CO₂热泵循环(SSHP)、带回热器的单级CO₂热泵循环(SSICHP)、双级CO₂热泵循环(TSHP)、带回热器的双级CO₂热泵循环(TSICHP)的热力学、经济性和环境性模型,并建立多目标综合评价体系。结果表明：SSICHP、TSHP、TSICHP的热力学性能及环境影响因子较SSHP有所提升,双级压缩的能效比较单级压缩提高15%以上,但初始投资成本增加;在SSHP和TSHP中加入回热器后,初始投资成本分别降低2%、6.6%,生命周期成本分别降低5%、11.2%;SSICHP的经济性较好,TSICHP的能效比及环境性较好。     

预热型S-CO2循环生态学函数分析与优化

预热型超临界二氧化碳(Supercritical CO₂,简称S-CO₂)布雷顿循环可进一步利用高温热源余热,在燃气轮机余热回收应用领域中具有较高的发展潜力。本文以存在有限温差传热、不可逆压缩、不可逆膨胀等不可逆因素的预热型S-CO₂布雷顿循环为研究对象,考虑生态学函数为目标,首先分析了工质质量流率、压比、透平效率和压缩机效率的影响,然后在总热导率一定的条件下,以生态学函数最大目标分别对压比、质量流率、预热器、加热器、冷却器和回热器热导率分配比进行优化。结果表明：在质量流率较小时,可通过增大压比、分流系数、加热器热导率分配比的方式来提高生态学函数;在质量流率较大时,则需要适当减小压比、分流系数,增大预热器热导率分配比来提高生态学函数;经优化,循环生态学函数最大可提高150.98%。     

基于Aspen的超临界CO2布雷顿循环性能研究

超临界二氧化碳(SCO_2)布雷顿循环发电系统与传统火力发电系统相比,具有系统尺寸小、循环效率高、工质易获取等优势。本文首先采用Aspen HYSYS与Aspen Plus软件分别建立了三种循环模型:简单循环、再压缩循环和分流再压缩循环;并使用三种物性方法对每种循环进行了模拟;对比实验室的数据,研究了不同物性方法的模拟精确度,数据表明Aspen Plus软件下的REFPROP物性计算方法精确度较高。然后在不同的工况参数下,使用该物性方法计算对比了三种循环在相同工况下的循环效率,结果证实:为获得高效率,回热尤为重要。最后,以再压缩循环模型为基础,在不同的回热条件下,研究了循环中五个主要参数对循环效率的影响。本文结论可为SCO_2的再压缩循环模型设计提供参考。     

O2/CO2气氛下循环流化床煤燃烧SO2排放

在热输入功率50 kW的循环流化床O₂/CO₂燃烧试验装置上研究燃煤SO₂排放特性及石灰石脱硫机理。结果发现,未添加石灰石时,O₂/CO₂气氛下SO₂排放量比相同O₂浓度的空气气氛下低;随着O₂浓度的升高,排放量升高。相同钙硫摩尔比下,O₂/CO₂气氛下石灰石的脱硫机理以直接脱硫为主,脱硫效率比空气气氛下高;随着O₂浓度的增加,石灰石脱硫效率提高。     

TEA CO2激光器预电离结构电极系统的电场研究

高功率气体激光器的非对称复杂电极系统中,电极参数的变化以及预电离结构的引入将会使所设计的均匀电场发生具体的改变。采用高精度有限元方法,对这类复杂电极系统进行建模并且计算其电场分布,根据分析结果更合理地指导激光器设计。对一种典型的非对称复杂电极系统TEA CO2激光器,应用该方法并结合了预电离过程,研究了引入预电离器导体和变化电极形状对电极表面的电场强度起伏和放电空间的均匀电场面积产生的影响。结果表明:通过这种预先模拟,合理选择电极构型参数和预电离结构安装位置,可以产生性质较好的均匀电场以及效率较高的激光输出。     

超临界压力CO2在深部咸水层中运移规律研究

本文以深部咸水层二氧化碳地质封存为背景,针对超临界压力二氧化碳和水在岩心中的驱替过程和运移规律进行了可视化研究。本文主要通过实验方法,利用核磁共振设备,得到了岩心的孔隙率、岩心中超临界压力二氧化碳-水相对渗透率随饱和度变化曲线及不同时刻岩心中水的分布特征等。研究表明,用核磁测量得到的岩心孔隙率具有很高精确度,利用核磁共振得到横向弛豫时间T₂图谱,可以有效分析有效孔隙率和可流动流体所占比例。通过观察不同注入比例时的切层图像,发现在注入比例为CO₂:H₂O=3:1（体积比）时在入口处出现了较显著的浮升力作用。     

超声场强化超临界CO2萃取除虫菊酯的初步研究

本文以除虫菊花中的除虫菊酯萃取为对象,研究用超临界CO2对其萃取时,施加超声场对萃取物降解及萃取速率的影响.结果表明,在实验范围内施加超声场(200kHz,200W电功率)没有引起超临界CO2流体"空化",从而没有使易分解组分除虫菊酯降解;施加超声场可以提高除虫菊酯的萃取速率,且对萃取速率的影响比用水为共溶剂强,在实验范围内,萃取优化工艺条件为萃取压力(20MPa);施加超声场(200kHz,200W电功率);萃取温度(40℃);添加共溶剂水(0.5ml水/g干花);CO2流量(2.0L·min-1).     

TEA CO2激光器预电离结构电极系统的电场研究

 高功率气体激光器的非对称复杂电极系统中,电极参数的变化以及预电离结构的引入将会使所设计的均匀电场发生具体的改变。采用高精度有限元方法,对这类复杂电极系统进行建模并且计算其电场分布,根据分析结果更合理地指导激光器设计。对一种典型的非对称复杂电极系统TEA CO₂激光器,应用该方法并结合了预电离过程,研究了引入预电离器导体和变化电极形状对电极表面的电场强度起伏和放电空间的均匀电场面积产生的影响。结果表明:通过这种预先模拟,合理选择电极构型参数和预电离结构安装位置,可以产生性质较好的均匀电场以及效率较高的激光输出。     

管状预电离可调谐TEA CO2激光器

研制了一种新型的预电离结构——管状预电离器,并将其应用于可调谐TEA CO2激光器。利用光栅选线方案,采用光栅谐振腔,实现了激光的调谐输出。在输出耦合率为50%、气压为40 kPa的条件下,10P(20),10R(20),9P(20),9R(20)四条谱线获得的最高电光转换效率,分别为9.5%,9.7%,9.8%,9.8%。实现了激光器的高重复频率可调谐输出运转,测量了上述4条谱线激光输出的脉冲能量及平均功率,在输出耦合率为50%、气压为30 kPa的条件下,重复频率最高可达190 Hz, 此时的10P(20),10R(20),9P(20),9R(20)四线的平均功率分别为322,321,340,338 W。     

超临界CO2在螺旋槽管式换热器中的冷却换热

为了研究超临界CO₂(SCO₂)在螺旋槽管式换热器中的冷却换热特性,采用数值模拟方法对比研究了不同热流密度下,SCO₂在不同通道内流动时冷却换热系数和湍流动能。为了更合理地评价各工况下冷却换热的综合性能,从压降和传热系数角度,提出一个综合评价因子EF。研究结果表明：在SCO₂进行冷却换热时,其换热系数主要受定压比热容和湍流动能的影响。当SCO₂在内管通道内流动时,换热系数低,但压降更小,故综合评价因子EF较大。同时,在所研究工况中,存在最佳热流密度值为-40 000 W/m²,使EF达到最大值2.001 26,此时SCO₂冷却换热综合性能最优。     

基于循环拆分法的S-CO2燃煤发电优化研究

对于S-CO₂燃煤发电系统,系统复杂难以横向比较,拆分法通过对循环流量分配,能够梳理循环回热过程并进行循环间的比较,应用循环拆分法有助于对复杂燃煤发电系统的性能进行分析。本文以再压缩循环(RC)为例,构建了集成冷却器热量回收(CHR)和烟气冷却器法(FGC)的S-CO₂燃煤发电系统(RC+LFGC+CHR),论证了拆分法在分析燃煤发电系统中的优势。当主气参数为620?C/28 MPa时,应用拆分法分析,RC+FGC+CHR可等效为在热效率49.21%的RC基础上,叠加热效率为57.49%的子循环(SSC+LFGC+CHR),故RC+FGC+CHR效率(49.80%)高于RC(49.21%)。     

基于PC-SAFT的CO2混合工质相平衡计算

统计缔合流体理论(PC-SAFT)能够应用于CO₂动力循环中CO₂混合工质物性的预测。PC-SAFT状态方程在计算CO₂混合工质气液相平衡时,其收敛性较差。本文介绍一种利用基于基团贡献法的蒸气压估算方法为PC-SAFT状态方程提供初值,从基团角度来预测CO₂混合工质气液平衡的方法。该方法在很多情况下的准确度高于Refprop 9.0计算结果,尤其在较高的CO₂比例下。对于温度滑移较大的CO₂混合工质计算中,该方法不会计算出Refprop 9.0中不平滑的尖点,避免了在一些情况下出现反常的计算结果,是一种稳定可靠的计算方法。     

超临界CO2发电和跨临界喷射制冷复合系统研究

冷热电联产系统具有潜在的能源、环境和经济效益,受到人们广泛关注。本文提出了一个由超临界压力CO_2布雷顿循环和热驱动跨临界喷射制冷循环组成的冷电联产系统,建立了系统的热力学能量和拥分析模型,获得了主要运行参数对系统性能的影响规律。当制冷剂为R1234ze时,系统最高热效率0.60,■效率0.51。■损最大的四个部件依次是回热器、喷射器、压缩机和透平,而喷射器、冷凝器和蒸发器■效率较低。研究表明增大透平入口压力和减小透平出口压力均可增大系统冷电输出和提高热、■效率;循环泵出口压力对冷量和耗功产生共同影响,系统存在最优循环泵出口压力。