面向数据中心液冷装置余热回收的卡诺电池储能系统可行性分析

随着新一代信息技术的迅猛发展,需要全时段供电、不间断冷却的数据中心建设量急剧提高。同时,在全球可再生能源消费比重不断提高的背景下,各国普遍提出峰谷电价政策。数据中心冷却系统供冷效果差、系统能耗高,数据中心用电诉求与现行电价政策难以适配。为解决这一矛盾,将两相浸没式液冷技术与卡诺电池储能技术有机结合,构建了一种新型数据中心用冷电联供系统。为评估本系统在不同城市的可行性,选取哈尔滨、南京、广州三座城市作为应用对象,对比分析了本系统与全年采用自然冷却模式的浸没式冷却系统的能效表现及经济性。结果表明,采用新系统后,每千瓦的数据中心IT设备全年用电花费分别节省了235.52元、245.24元及281.28元。本研究给出的方案有效地提升了数据中心的用电灵活性,大幅降低了数据中心运维费用。

基于不同流动时间占比的紧凑式室温磁制冷系统实验研究

磁制冷因高效、环保、结构简单等特点,正有望成为替代传统蒸气制冷的新型室温制冷技术之一.当前针对单一影响因子对磁制冷样机的影响作用规律研究较为丰富,但对磁场-流场时序中流动时间占比工况的研究较少,且影响规律尚不明晰.本文以前期研制的紧凑型室温磁制冷系统为基础,在固定的磁场时序情况下开展不同流动时间占比的实验研究,探索制冷温跨、制冷量、压降及性能系数与流动时间占比之间的关联.以磁场时序1:4:1:4与频率0.45 Hz的工况为例,开展了固定磁场时序的不同流动时间占比(100%,80%,60%)的实验研究.结果表明:1)小利用系数和高流动时间的组合可获得较大温跨,大利用系数和高流动时间占比的组合可获得较大冷量,其中当利用系数为0.42、流动时间占比为100%时,获得最大无负荷制冷温跨26.2 K;2)对比研究了利用系数与流动时间占比对回热器压降及性能系数的影响,流动时间占比的增大和利用系数的减小均会造成流体速度的减小,会使压降进一步减小,性能系数进一步增大.本研究阐明了制冷温跨、制冷量、压降及性能系数与流动时间占比之间的影响规律,为进一步提升室温磁制冷机的性能奠定基础.

微通道内超临界LNG变物性流动传热数值模拟

跨临界LNG在临界点附近物性变化剧烈,采用数值模拟方法研究了直通道和Zigzag型微通道内超临界LNG变物性和常物性对流动传热性能,分析了LNG跨临界变物性和常物性的偏差。研究结果表明,在Re为9 816、16 956、24 164和31 390时,直通道定物性和变物性的对流传热系数偏差为1.95%、-3.37%、-6.48%和-9.11%。Zigzag通道的变物性和定物性对流传热系数偏差为-0.11%、-5.47%、-7.84%和-5.83%。Zigzag对流传热系数按节距周期性变化。靠近半圆角位置涡的增大对传热有良好的强化作用。在直通道和Zigzag通道中,变物性的压降比定物性更小,但摩擦因子f比定物性更大。在Zigzag通道中物性对摩擦因子f的影响可以忽略。

南方先进光源研究测试平台2 K超流氦真空机组控制策略

南方先进光源研究测试平台低温系统为超导腔提供100 W@2 K的垂直和水平两种测试模式。采用三套机械泵与罗茨泵组成的减压降温真空机组,通过对测试装置抽真空为超导腔提供2 K测试环境。为了保证测试装置内满足2 K@31.3 mbar±0.1 mbar要求,保持一定液位高度,设计了一套对应的减压降温真空机组控制逻辑,通过真空机组入口蝶阀可控开度、罗茨泵变频控制、旁通阀参与调节相互配合,在多轮测试中,能够在2 h内实现4 K到2 K间的转化,极大地减小了测试等待时间,稳定实现了31.3 mbar±0.1 mbar的压力波动,保证了液位的稳定,为超导腔测试提供持续稳定的测试环境,稳定运行时间单次最长720 h。

冷冻剑结构对块冰机制冰性能影响的数值模拟

目的:在直冷式块冰机冰模蒸发器内部增设冷冻剑以实现快速制冰。方法:使用COMSOL模拟冷冻剑截面形状及冷冻剑倾角对制冰过程的影响。结果:随着制冰过程的持续进行,增设不同截面形状冷冻剑的冰模内部平均温度不断降低,冰模内固相体积分数也随时间而增加,但在相同时间内增设圆形截面冷冻剑的冰模内部平均温度要比三角形、矩形和菱形低0.1~0.2℃。此外,冷冻剑倾角越小制冰速率越快。结论:冷冻剑截面形状为圆形或近圆形时,制冰速率较快;且在保证便于脱冰的前提下,应尽可能减小冷冻剑倾角。

冷端管径对高压节流型涡流管性能影响分析

冷端管径(D_(c))是影响涡流管性能的重要因素之一,基于12 MPa的高压节流工况,以CH_(4)为计算工质,建立物理模型,改变D_(c)为36、38、40、42和44 mm。对比发现:随着D_(c)增大,冷端内旋气体温度逐渐下降,制冷效果提升;热端外旋气体温度先增加后下降,D_(c)=40 mm时制热效果最佳。反映出D_(c)与制冷效果呈正相关,但对制热效果存在最佳值。当D_(c)增大时,内旋气体总压下降幅度逐渐平缓,利于节流;在D_(c)≥40 mm时,外旋气体总压下降幅度变大,且变化不规律,节流时有损调节阀使用寿命。另外D_(c)=44 mm时,外旋气体速度变化规律异常。所以根据工况需求,可控制D_(c)尺寸来调节涡流管制冷制热效果。

车用液氢气瓶快充过程数值研究

车用液氢气瓶加注过程中,因加注速度快且气瓶容积小,极易造成过充现象,导致安全事故发生。针对设有气包防过充装置的车载液氢气瓶建立三维对称模型,采用CFD方法对气瓶快速加注过程开展数值仿真。分析了开孔孔径、加注速率、初始充满率和防过充装置容积对防过充装置性能的影响规律。结果表明:开孔孔径是影响防过充装置性能的主要因素,其限制了液体的流通能力;采用6 mm孔径和初始充装量为50%的状况下,充装结束后气瓶都将过充,最大充装率可达98.4%;采用大容积的防过充装置可以为气瓶预留更多的气相安全空间,但同时也会导致充装量不足等问题,当防过充装置容积为100 L时,最终充装量仅有77.2%。

室外换热器可变流路设计及试验分析

为了确定制冷与制热模式下换热器的最优流路,建立了空调室外机的蒸发器/冷凝器仿真模型,并将换热器仿真模型耦合入系统仿真中,分析了不同流路对系统换热量及系统性能的影响,以确定换热器在制冷与制热模式下所对应的最优流路。结果表明,当分路数在5~20范围内变化时,在制冷模式下整机能力及性能随着分路数增大而减小,在制热模式下整机能力及性能随着分路数增大呈现先增加后减小的趋势;制冷模式下的优选分路数为5~7路,制热模式下的优选分路数为14~16路。在此基础上,通过单向阀与电磁阀设计了制冷/制热模式下室外机运行分路数为7路/14路的可变流路方案,试验测试结果表明,各测试工况下能效均有提升且全年能源消耗能效(APF)提高5.4%,超低温为-15℃时制热量提升6.0%,性能提升2.8%。本文研究结果可为换热器设计优化领域的研究人员提供参考。

大滑移温度CO_(2)非共沸工质余热回收热泵热水系统实验研究

通过热泵技术将生产/生活中的低品位余热提质增效具有广泛的应用潜力。其中,非共沸工质能够实现热泵循环换热过程中的温度匹配,实现余热资源的深度利用。基于水源热泵热水实验台对基于大滑移温度的CO_(2)/R1234yf、CO_(2)/R290、CO_(2)/R600a和CO_(2)/R32非共沸工质进行实验分析,并以R290工质作为对照,研究蒸发器与冷凝器同时满足大温差情况下的热泵性能表现。结果表明:非共沸工质充注量主要影响循环过冷度,进而影响系统COP,当CO_(2)/R1234yf的质量分数为15%/85%时,循环存在最优充注量,在实验工况(热源进水温度25℃,出水温度5℃;热汇进水温度15℃,出水温度45℃)下最优充注量对应的COP为7.66。同时,在实验工况下,相较于R290单工质,CO_(2)/R290工质对最优COP提升了75.2%,对应q v(单位容积制热量)提升了107.7%;CO_(2)/R1234yf工质对最优COP提升了27.7%,对应q v提升了92.0%;CO_(2)/R32工质对最优COP提升了15.0%;而CO_(2)/R600a工质对最优COP仅提升1.7%,应用潜力较低。

R290整体式新风空调器制冷工况下泄漏安全的模拟与实验研究

泄漏安全是R290空调推广使用所面临的最重要的问题,而换气通风是提高整体式空调器安全性的一种有效方式。利用CFD模拟和实验相结合的模式研究了制冷工况下整体式新风空调器发生泄漏后的浓度分布规律,并对泄漏安全性进行了评估。研究结果表明,由于送风气流的稀释,制冷工况下发生泄漏后室内制冷剂浓度最高处(即出风口处),未监测到高于爆炸下限(low flammability limit, LFL)的情况,但室内机壳体内部可能存在高于爆炸下限的情况。新风可以显著降低泄漏后制冷剂的浓度,对于250 g充灌量的空调最高制冷剂浓度降低速率可以达到15.6%LFL/h。因此,整体式空调器泄漏安全的研究重点应该放在机组内部点火源的防范上。本研究为可燃制冷剂作为工质的整体式新风机泄漏安全的研究和设计提供了参考。

冷凝器面积对空气源热泵制热性能的影响研究

目的研究低温条件下空气源热泵的烘干性能。方法论文主要采用焓差法研究在换热面积和室外温度(温度为7、−12、−20℃,相对湿度为65%)不同时,空气源热泵的制热量、输入功率、能效等性能。结果在7℃环境中,增加室内侧换热器面积,热泵的制热量提高了19%,系统能效提升了14%,但输入功率增加了5%;在−12~−20℃环境中,增加室内侧换热器面积,热泵的制热量提升了5%,系统能效提升明显,最大可提升27%,输入功率最大降低为17%。结论增加室内侧换热器面积,系统焓差降低,但是能提高系统在低温下的循环风量,制热性能更加优异。

R32热泵系统稳定性与变工况特性实验研究

实验研究了变热源进口温度工况和变热水进口温度工况下膨胀阀开度对R32热泵系统稳定性和系统性能的影响规律。结果表明:不同工况下系统存在不同的过热度振荡区间,且热源进口温度对起始振荡过热度的影响较显著,而热水进口温度对其影响则不明显;变热源进口温度(15~25℃)工况下,制热量随着过热度的变化呈现不同的变化规律,而其COP则呈现相同的变化规律,且系统均在过热度振荡区间内获得最大COP;变热水进口温度(30~40℃)工况下,制热量和COP均随着过热度的变化呈现相同的变化趋势,且两者均在过热度振荡区间内取得最大值;热源进口温度的升高和热水进口温度的降低均可使系统获得的最大制热量和最大COP增大,且两者在热源进口温度为25℃时分别为9.287 kW和4.646,而在热水进口温度为30℃时则分别为9.148 kW和5.665。

R32/R134a自复叠热泵变组分浓度实验分析

为缓解热泵大温度跨度运行时容积制热量衰减严重的问题,提出一种新型变组分浓度调控自复叠热泵实验装置,采用非共沸混合制冷剂R32/R134a为工作介质,通过动态监测系统组分浓度分布、制热量、性能系数(COP)等关键性能参数,探究混合工质浓度变化对自复叠热泵循环性能的影响规律。结果表明:冷凝器出水温度或第一级节流阀开度增加,主路低沸点组分质量分数降低2.5%~8.1%。而随着充注量增加,主路低沸点组分质量分数逐渐增加,排气温度逐渐降低;当充注量增至2.8 kg,出水温度为65℃时,COP达2.22,压缩机排气温度仅为80℃。当低沸点组分质量分数从0.3增加至0.5,排气温度最高可降低25.4%。与单级蒸气压缩系统(SVC)相比,自复叠热泵系统排气温度降低31.2%,以上自复叠热泵组分浓度分布及性能变化规律表明该热泵系统在大温度跨度时具有较明显的性能优势,对于系统长期稳定运行以及节能效应具有显著作用。

电动汽车CO_(2)热泵空调系统优化及制冷性能分析

为提升电动汽车CO_(2)热泵空调系统的制冷性能,文章构建了中间补气+回热器的跨临界CO_(2)系统,通过仿真研究了气体冷却器出口温度(T_(go))、气体冷却器压力(P_(g))、中间补气压力(P_(m))、相对补气量(β)、回热器过热度(ΔT)对系统制冷系数(EER)、制冷量(Q_(e))和压缩机排气温度(Tco)的影响及中间补气对回热器优化能力的提升。研究表明:存在最佳气体冷却器压力和最佳中间补气压力使得EER达到最大值,并得到两者与气体冷却器出口温度的关系式;气体冷却器出口温度上升会使系统性能下降,中间补气量和回热器过热度的增加能提升系统性能,EER提升了15.64%和6.07%,制冷量提升了27.88%和4.78%;回热器过热度的增加会导致压缩机排气温度上升,中间补气可降低压缩机排气温度,当限定压缩机排气温度时,中间补气可使回热器对EER和制冷量的优化能力分别提升了203%和173.87%;相对于基础跨临界CO_(2)系统,文章构建的优化系统在所研究工况内可使系统EER和制冷量分别提升18.38%和35.03%。

基于遗传算法的双压氢液化流程性能优化研究

由于液氢具有储氢密度高等显著优势,因此氢液化技术是实现氢大规模化应用的关键技术之一。构建了双压Claude循环的氢膨胀制冷氢液化循环流程,调用Refprop软件物性库确保物性数据的准确性,利用遗传算法以总比功耗为优化目标,开展了氢液化流程热力参数设计与优化。优化后流程氢液化率达到6.5 t/d,液氢产品仲氢含量95%,总比功耗为10.53 kW·h/kg,流程(火用)效率为35.72%。给出了低温各部件(除却压缩机和水冷器部分)的(火用)损失分布和各部件(火用)损失占比;可为大型工业级氢液化装置研制提供参考。

课程思政视域下空调用热泵技术及应用课程教学改革探索

高校承载着人才培养的重任,是大学生思想政治教育的重要阵地。推进课程思政建设是将价值观教育与知识传授和能力培养融合,帮助大学生塑造正确的世界观、人生观和价值观,是落实立德树人根本任务的重要举措。如何在知识传授中实现价值引领,避免课程思政教育与专业教育“两张皮”的问题,是目前课程思政教育中的关键问题之一。基于建筑环境与能源应用工程专业的空调用热泵技术及应用课程特点以及新时代背景下的人才要求,对课程内容蕴含的思政元素进行了初步探索,并对教学模式等进行了讨论,推进课程思政建设融合,打造高质量思政课堂。

低温氮气/液氮射流冷凝振荡特性实验研究

为了探索火箭低频振动特征及其机理,以液氮为工质开展气液掺混射流冷凝的可视化低温实验研究,通过高速相机成功捕捉到了直管段内的低频振荡流型,且利用低温高频动态压力传感器成功测量到了低频压力脉动特性,为火箭低频振动问题提供了事实依据。通过逐帧图像处理技术发现,氮气/液氮相界面以16 Hz的频率周期性波动,与压力脉动主频一致。射流冷凝振荡表现出3种不同流型:间歇回流、过渡流和气羽振荡流。间歇回流频率随着气体流量和液体质量通量的增加而增加,冷凝振荡频率随气体流量的增大而增大,随液体质量通量的增大而减小。整体上间歇回流频率为0.8—2.8 Hz范围,冷凝振荡频率为16.6—17.8 Hz范围,皆表现为典型的低频特性,为低温液体燃料火箭低频振动问题提供了理论基础和技术支撑。

不同温比下自由活塞斯特林发电机的数值研究

为提高自由活塞斯特林动力系统的输出功率和热电转换效率,通过Sage软件对斯特林机的关键参数进行模拟研究,探讨关键参数在不同温比下对发电机输出功率和热电转换效率的影响。研究结果表明在不同温比下,相位角分别为80°和50°时对应输出功率和热电转换效率最高,充气压力的增大对输出功率的增大效果显著,但对热电转换效率的影响较小;同温比下,提高冷端温度对输出功率和热电转换效率的影响大于提高热端温度的影响,但当温比为2.5时,冷端温度高于430 K后,热电转换效率反而降低。

航空机载液氢储罐绝热性能及轻量化研究

对航空机载液氢储罐进行绝热结构的绝热性能及轻量化综合研究是提高飞机续航能力的关键解决路径。本文以液氢储量为1450kg的液氢储罐为例,对泡沫/冷屏复合绝热结构(SOFI/VCS)及变密度多层真空夹套绝热结构(VD-MLI真空夹套)进行绝热及轻量化对比研究。当两种绝热结构的绝热性能一致,储罐日蒸发率≤4%时,VD-MLI真空夹套绝热结构重量相较于SOFI/VCS复合绝热结构减轻50%,此时适合采用双胆储罐结构;当储罐日蒸发率增大到6%左右时,两种绝热结构的重量相差较小,SOFI/VCS复合绝热结构仅比VD-MLI真空夹套绝热结构重约50kg;而当储罐的日蒸发率>7%时,SOFI/VCS复合绝热结构在轻量化方面更具优势,此时储罐宜采用单壁结构,且日蒸发率越大,单壁储罐轻量化优势越明显。本文通过探究两种绝热结构绝热性能与重量的对应变化规律,为航空机载液氢储罐绝热结构及轻量化的方案设计提供理论依据,同时为液氢的高效长时间存储技术发展奠定一定的基础。

5 t/d氢液化装置的研制

氢液化装置对于推动氢的大规模应用至关重要。介绍了中国首个5 t/d氢液化装置的技术特点及研发进程。该装置直接利用氢气作为制冷工质,采用带LN2预冷的双压克劳德氢气制冷循环来液化氢气,正-仲氢转化方式为80 K液氮温度下的等温转化结合80 K以下温区的连续正-仲氢转化,具有氢液化循环效率高、能耗低、正-仲氢转化效率高的优点。主要设备包括两个串级使用往复式无油氢压缩机、一个真空绝热冷箱(直径为3.2 m、长为11 m)及液氢储罐。其中真空绝热冷箱内的主要设备包括4台串联使用的氢气透平膨胀机、多级低温换热器、多级正仲氢转化器、低温控制阀门等。通过流程优化设计,该装置的氢液化能力为5 t/d,比能耗设计值为11 kW·h/kg。目前氢压缩机、氢液化冷箱已完成制造,即将进行系统调试及运行。