螺旋套管换热器大变形与热应力分析

采用“流-固”共轭传热与“热-固”单向耦合的方法,分析了螺旋套管换热器对流换热特性、热膨胀大变形以及对热应力计算的影响。结果表明:受离心力影响,螺旋管及夹层流体质点形成二次流混合强化螺旋外侧换热,螺旋内管外侧比同一截面内侧点温度更低;在高温换热工况下,在螺旋管因热膨胀而出现显著的变形,其变形量与管壁厚度处于同一数量级,高温工况下螺旋套管换热器热应力计算属于大变形问题,采用大变形有限单元非线性计算结果比小位移线性计算的热应力更大、更加符合实际。最后,以减小热应力为优化目标,对螺旋套管T型接头布置方位进行了优化,当接管径向布置时热应力比轴向布置减小约1/3。

Ni-Pt/MgAl_(2)O_(4)双金属催化剂构筑及其对不同构型烃类蒸汽重整制氢性能的影响

航空煤油成分复杂,由上百种不同构型的烃类组成,然而正构烷烃、异构烷烃、环烷烃和芳香烃这几类主要组分的构型和性质差异甚大,导致其蒸汽重整反应特性存在较大差异。本论文在前期研发Ni/MgAl_(2)O_(4)基础上,引入Pt构建Ni-Pt双金属催化剂,系统考察了该催化剂对不同构型组分重整反应性能的差异,并对不同构型组分在该催化剂上的重整反应路径进行了阐述。结果表明:液相还原法引人Pt能够使双金属催化剂具有合适的酸性和良好的金属Ni分散性,Ni-Pt两种金属协同效应,不仅能够提高单Ni催化剂活性,同时能够减少Ni烧结,优化催化剂稳定性;另外,不同构型组分在双金属催化剂上的重整性能具有显著差异,其中正癸烷重整的产气率以及H,选择性较为优异。不同构型烃类燃料的反应活性为:甲基环已烷>正癸烷>乙苯。由于甲基环已烷在反应过程中C-C键键能弱,易开环形成链状自由基与水发生重整反应,乙苯具有芳香烃结构且不易开环,重整反应所需能量较高。

金属氢化物反应器吸氢过程的热质传递特性分析

为了研究金属氢化物反应器内吸氢过程的热质传递特性,建立了圆柱形反应器的二维多物理场模型.新建立的模型考虑了换热流体流速与温度变化对反应器吸氢过程的影响,采用COM-SOL Multiphysics V3.5a软件来求解,并探讨了一些重要参数变化对反应器性能的影响.结果表明:接近换热管壁处的氢化物床的温度较低,吸氢反应更快,换热流体入口附近床层的吸氢反应比出口附近的快;减小氢化物床层与换热管壁面之间的接触热阻和增加氢化物床层有效导热系数都可以增强换热效果,从而加快吸氢反应,当接触热阻从0.002m2.K/W减小到0.000 5m2.K/W时,吸氢反应时间大约缩短了15.5%;采用强化换热措施可以减少吸氢反应时间,提高反应器平均功率.

金属氢化物高温蓄热技术的研究进展

金属氢化物高温蓄热技术在太阳能热发电、工业余热利用和电力调峰等场合具有广阔的应用前景。本文介绍了金属氢化物高温蓄热装置的各种系统形式,总结了其在试验样机、高温金属氢化物材料和理论与数值模拟研究3个方面的研究进展。最后总结了现有研究在材料开发与匹配、反应器仿真与优化设计以及蓄热系统动态分析中存在的问题,并对未来的金属氢化物高温蓄热技术研究进行了展望。

金属氢化物热泵反应器吸氢过程的温度变化特性

为了研究金属氢化物反应器的温度变化趋势与规律,搭建了反应器性能测试装置,通过实验获得了吸氢反应过程中氢化物床层和换热流体的温度变化数据。实验结果表明:床层最高温度和换热流体出口温度都随着供氢压力的增大而升高。当供氢压力从0.6MPa提高到1.0MPa时,床层最高温度从56.6℃提高到71.8℃。考虑到经济性与安全性等问题,对于镧基金属氢化物反应器其供氢压力最好限定在1.6MPa以下。换热流体流量越大则床层温度下降得越快,但其强化效果有限。流体出口温度升高幅度则随着流量增大而显著降低,但床层最高温度几乎无变化。氢气注入流量越大,反应器内氢气压力升高得越快,相应地氢化反应越快。通过改变氢气流量可以控制放热反应过程,从而更好地适应用热需求。

内螺旋管金属氢化物反应器吸氢过程数值分析及优化

针对金属氢化物反应器传热性能较差的问题,采用田口方法对内置螺旋换热管的氢化物反应器进行了优化研究。建立金属氢化物反应器的3维多物理场耦合模型并采用COMSOL Multiphysics V4.4软件来求解。采用田口方法安排出具有代表性的螺旋结构参数组合,通过反应器模型计算得到各个组合的性能。结果表明:螺旋管的换热系数和换热面积都较大,因此内置螺旋管的氢化物反应器的性能较理想;随着螺旋数N和螺旋管直径do的增加,反应器的单位重量蓄热功率GHSR大大提高,而螺旋线直径D对反应器性能影响很小;最优的螺旋管参数组合为:D=32 mm、N=6和do=8 mm,相应的GHSR达到62.90 W/kg。

基于金属氢化物的太阳能热电站高温蓄热系统经济性分析

高温蓄热系统是太阳能热电站的关键子系统。基于金属氢化物的高温蓄热系统具有能量储存密度大、腐蚀性低和反应易于控制等优点,是很有发展潜力的蓄热技术。建立了金属氢化物高温蓄热系统的经济性分析模型,分析了不同类型的太阳能高温蓄热系统的成本,并计算得到了能量平均成本。初步估计,"蓄热反应器+储氢罐"金属氢化物蓄热系统的单位蓄热成本只有两熔盐罐蓄热系统的四分之一左右。大汉电站采用此种蓄热装置后,其能量平均成本降低了0.25元/kW.h。

金属氢化物储氢反应器放氢特性的数值模拟

为了研究金属氢化物储氢反应器放氢过程的热质传递特性,建立了金属氢化物反应器的2维轴对称数学模型。此反应器内装填了Ti_(0.95)Zr_(0.05)Mn_(1.55)V_(0.45)Fe_(0.09)储氢合金和膨胀石墨组成的复合压块。通过与文献中实验数据的对比验证了所建立模型的有效性。考察了换热流体温度、流体平均流速和氢气排出压力变化对金属氢化物反应器放氢过程的影响,比较了优化操作参数和基准操作参数下的放氢性能。并对优化操作参数下放氢反应过程特征进行了分析。模拟结果表明:换热管附近床层区域的换热效果更好,放氢反应进行得更快。当换热流体温度从313.15 K升高到353.15 K时,放氢时间从17100 s降低到了6700 s。虽然提高换热流体平均流速可以缩短反应器的放氢反应时间,但其强化效果是很有限的。当换热流体流速超过3 m/s时,氢化物床与换热管壁之间的接触热阻成为整个传热过程的主要热阻,增加流速的强化效果已不明显。优化后的操作参数为:氢气排出压力为0.3 MPa、换热流体温度为353.15 K、换热流体平均流速为3 m/s。与基准操作参数相比,放氢反应时间缩短了约56%,对操作参数的优化能够显著地提高反应器的放氢速率。Ti_(0.95)Zr_(0.05)Mn_(1.55)V_(0.45)Fe_(0.09)合金的放氢反应过程仅仅在前4 s内主要受氢气压力的控制,而随后的反应过程主要是受传热过程控制。

机械合金化Mg_2Ni储氢材料的吸氢动力学实验研究

为了研究压力和温度对Mg2Ni储氢合金动力学性能的影响以及吸氢反应机理,采用机械合金化的方法制备了Mg2Ni储氢合金。利用P-C-T测试仪进行活化并测试其吸氢动力学特性,并在实验的基础上结合3种常用的动力学模型分析了Mg2Ni合金吸氢反应的控速步骤。结果表明:Mg2Ni合金在673K、7.4MPa条件下活化3次就能够基本活化完全,吸收1mol氢气所需活化能为43.47kJ;温度对其动力学性能影响不明显,相反压力的影响比较大,吸氢反应速率和吸氢量都随压力的升高而增加;实验结果与JDM和JMA动力学模型比较吻合;金属氢化物形核长大与氢原子在产物层中的扩散过程是Mg2Ni合金吸氢反应的混合控速步骤。

金属氢化物氢化/脱氢反应动力学模型研究进展

从一般气固反应过程开始,介绍了金属氢化物的氢化/脱氢反应特性及其控制机理。通过从表观模型到微观模型的相关进展分析,对动力学模型的研究工作进行了总结。并概述了测定金属氢化物氢化/脱氢反应动力学常用的实验技术以及相关的数据处理和分析。最后对现有模型存在的不足作出了总结,并对未来的金属氢化物氢化/脱氢反应动力学模型研究进行了展望。

金属氢化物热压缩机吸放氢传热传质的对称性研究

针对金属氢化物热压缩机(MHTC)在实际应用过程中存在的吸放氢非对称性限制,开展了MHTC传热传质对称性的研究和优化。根据局部热平衡模型,以2D圆环剖面为计算区域,对MHTC多管束反应器实施了模拟,并对模拟过程中的参数及结构进行了优化。优化结果表明:以4层管的多管束反应器为基准,改变吸放氢反应条件能改善反应过程的不对称性特征,即吸、放氢压力分别为2、0.05MPa,温度为293、393K,传热系数为1 000 W/(m2·K)时,吸氢反应分率由0.1上升到0.9;放氢反应分率由0.9降至0.1时,所用时间分别为350和360s,温度变化幅度分别为40和43K,显示出明显的对称性。在反应前20s内,放氢过程中平衡压力的变化剧烈,占平衡压力总变化量的50%以上,为反应过程中的高效反应阶段。

基于储氢合金的太阳能制冷系统理论研究

结合金属氢化物的特点,提出了一种新型太阳能吸附式制冷循环系统;具体介绍了系统结构形式,建立了系统能量转换与分析模型,并对构成系统的各部件进行了分析;根据具体算例,计算了系统各部件的效率与损失,结果表明,系统具有较好的节能效果,且系统优化应以太阳能辐射量为基准,以提高金属氢化物系统中的氢气转化率为目标进行。系统优化的另一方向在于发展与其他太阳能利用技术相结合的复合式系统。

S型管内超临界航空煤油的裂解与结焦研究

再生主动冷却是超燃冲压发动机热防护的关键技术之一。为了探究冷却通道中弯管结构产生的二次流对碳氢燃料裂解与结焦特性的影响,使用S型圆管实验段进行了RP-3航空煤油超临界裂解结焦实验。重点考察了沿程壁温、产气率、气相产物分布以及S型管结焦沿程分布特征。实验结果表明:由于S型管的结构特点,沿程壁温和结焦分布均呈现出与直管相迥异的特征。在两个弯道区域,离心力产生的二次流加剧湍流混合,强化了局部换热,导致壁温下降。结焦率在弯道结构处出现小幅度局部峰值,在出口温度为700℃时,第二个弯道处平均结焦率比中间直管段提高了101%~170%。此外,还发现S型管产气率比直管更高,在出口温度为700℃时提高了10.2%~14.9%。而S型管的特殊结构对裂解的反应路径无明显影响,因此气相产物分布与直管并无明显差异。

膨胀石墨压块的制备及其导热性能研究

为探索和优化微波法制备膨胀石墨及石墨压块成型工艺,利用激光粒度仪、扫描电镜对膨胀石墨及其压块的形貌、孔隙结构等微观结构进行表征,并进行正交试验分析研究了微波功率、微波时间、膨胀石墨粒径、压块成型压力、单次膨胀量等因素对压块导热性能的影响。结果表明,微波功率和微波时间对压块导热性能有显著影响,功率过低和时间过短会导致石墨膨胀不充分,而功率过高和时间过长则会导致石墨蠕虫被过度灼烧而断裂,膨胀石墨粒径、压块成型压力、单次膨胀量对压块导热率无显著影响。依据实验和分析,以压块导热系数为目标确定了膨胀石墨压块最优制备条件:微波功率为700W、微波时间为70s、膨胀石墨粒径为80~100目、单次膨胀量为6.0g、压块成型压力为200MPa,该条件下压块导热系数达到5.78W/(m·K)。

等热流密度条件下碳氢燃料裂解特性研究

碳氢燃料在主动冷却通道中的裂解吸热是热管理的一个重要手段。为了研究碳氢燃料在裂解通道各处的裂解特性变化,本文采用电加热反应器和密度在线测量装置串联的方式,在等热流密度条件下,通过改变加热管长,结合实验所得裂解停留时间、产气及热沉结果探究了燃料的裂解特性。结果表明,受压力和管径影响,燃料裂解停留时间随压力升高或管径增大而增长;油温在700℃前,裂解反应受停留时间影响较大,压力高管径大有利于产气和热沉的提高,而在750℃后,裂解反应受温度控制,而且在高温时由于缩聚反应的发生,管径增大,压力升高,而引起的停留时间增加,都使得缩聚反应进一步深入,燃料的产气率和化学热沉增长都相应减缓,此时增大压力或管径都不利于燃料产气率和热沉的提高,其中压力影响尤为显著。

航空发动机“空-空-油”螺旋套管换热器夹层传热数值模拟

作为一种新开发的航空发动机涡轮叶片冷却装置,双层螺旋套管具有结构紧凑、传热高效、耐压和抗热冲的优异性能。对夹层特殊通道和内螺旋管的流动与传热进行了耦合数值模拟研究,获得了夹层通道的速度/温度分布及变化特点。结果表明,相较于螺旋结构,曲率与夹层厚度(以外内径之比表征)对传热有显著影响,螺距的影响可忽略不计。鉴于现有经验公式不足以预测螺旋夹层换热系数,根据模拟结果拟合得到了螺旋套管夹层的换热系数关联式,为螺旋套管热力设计提供了参考依据。

金属氢化物反应器的传热性能与反应特性分析

建立内置螺旋换热管的金属氢化物反应器的3维数学模型,其特点是耦合了螺旋管内载热流体温度变化对反应过程的影响。根据所建模型并采用多物理场软件对反应器传热及反应过程进行数值模拟,分析了不同操作参数下反应器的传热性能与吸氢反应特性。结果表明:吸氢反应过程可划分为3个阶段,第1阶段主要受氢气压力影响,第3阶段主要受传热过程控制,其间为过渡段;氢气压力的减小能降低反应速率和床层平均温度,当其低至0.6 MPa时,反应速率显著降低;载热流体温度的升高使传热温差减小,从而导致反应速率降低,当其高至323 K时,反应已不能彻底进行;床层中,靠近螺旋管壁处温度较低,反应更为充分,但远离管壁的区域换热性能较差,反应较缓慢,由此指出了换热结构的改进方向。

亚临界压力下碳氢燃料在不同长度通道中反应特性研究

研究了亚临界压力条件下碳氢燃料在主动冷却通道中随管长变化的反应特性,结合裂解产物、产气率、热沉以及结焦等确定了适合燃料裂解的温度与管长。结果表明,管长变化引起的停留时间改变对燃料反应特性影响明显。管长增加可以有效提高550~750℃温度段的产气率与热沉,管长达到8 m时反应趋于平衡。温度高于800℃后,燃料放热反应加剧,升高温度或增加管长都不利于产气率与热沉的提高。产气组分特性表明,烯烃含量随管长的增加而降低,烷烃变化趋势则与之相反。高温条件下,壁面热流是影响碳氢燃料结焦的关键因素,该条件下碳氢燃料最低结焦对应管长约为1 m。

内置双螺旋结构换热管金属氢化物反应器的传热性能

针对金属氢化物反应器传热性能较差的问题,提出了更紧凑高效的单进–出口的双螺旋结构换热管。建立了内置螺旋管的金属氢化物反应器的3维数学模型,并采用COMSOL Multiphysics 5.2a软件进行求解。首先,通过热阻分析发现,在不同换热流体入口平均流速(0.5~3.0 m/s)下,导程为15 mm的单螺旋换热管管内对流传热热阻占总热阻的百分比为8.5%~45.2%,这表明管内对流传热热阻对反应器的传热性能有很大影响。然后,研究了换热流体入口平均流速对反应器传热性能的影响,确定了模拟中换热流体入口平均流速的范围,对比分析了单、双螺旋结构对反应器性能的影响。结果表明:当换热流体入口平均流速大于0.5 m/s时,能达到较好的换热效果,换热流体的平均真实温升趋于稳定。减小螺旋导程可以明显提高换热流体的平均真实温升及反应器的传热和输出性能。对于导程为60 mm的单、双螺旋结构管,床层平均温度降至300 K所用时间分别为7000 s和3000 s。导程为30 mm的双螺旋结构管的单位重量输出㶲功率比导程为15 mm的单螺旋结构管更高,可见双螺旋结构管反应器的传热和输出性能均优于单螺旋结构管反应器。双螺旋结构管具有更大的换热面积,在反应器床层内的位置分布更加均匀,从而提升了反应器的传热和输出性能。

梯度填充膨胀石墨的金属氢化物反应器吸氢过程数值分析

为了研究金属氢化物床层中膨胀石墨(Expanded natural graphite,ENG)的填充方式对反应器性能的影响,建立了镁基金属氢化物(MgH_2)反应器的二维多物理场耦合模型并采用COMSOL Multiphysics V5.3软件求解。所研究反应器内装填了MgH_2与ENG混合制作的复合压片。分别研究了在金属氢化物床层中不同ENG含量以及ENG梯度填充对吸氢反应的影响,证明了ENG梯度填充方式的优越性。计算结果表明:随着反应床ENG含量的增加,床层温度下降速率加快,吸氢反应速率得到提升;与ENG均匀填充方式相比,沿着床层热流密度增大方向增加ENG含量的梯度填充方式可以使反应床温度分布更均匀,强化换热效果更好,反应器的单位质量蓄热功率更高。