超导直流能源管道的研究进展

将超导输电技术与液化天然气(LNG)管道输送技术相结合,形成能同时输送LNG与电力的能源管道,不仅可以节约能源通道,还可以利用LNG冷却超导电缆,提高能源输送效率和经济性,是一种极具前景的能源输送方式。在国家"智能电网与装备"重点研发计划的支持下,开展了超导直流能源管道的基础研究。该文主要介绍超导直流能源管道的基础研究项目近一年多的进展情况,主要包括:LNG混合工质的低温液固转变机理及传热流动特性,电力/LNG一体化输送动态稳定性判据,为安全性与故障演化分析而搭建的实验平台及初步实验结果,以及10m/10kV超导直流能源管道原理样机的研制与实验情况。

流体汽液相平衡混合规则研究进展

混合工质汽液相平衡学术内涵丰富且应用广泛,而混合规则是决定混合物性描述准确与否的关键因素。综述了具有代表性的混合规则,包括原始的二次型、非二次型、密度型、状态方程-超额自由能型等混合规则,评价了其在流体汽液相平衡的描述能力,辅以数学推导介绍了其发展的动机及存在的优劣,以期对将来混合规则发展提供思路。

大功率半导体激光器热沉结构的数值模拟

为了提高激光器的冷却效果,设计了3种具有不同扩展结构的热沉,包括矩形平行肋、菱形肋片和30°矩形斜肋,模拟计算3种结构对应的热沉芯片的最高温度、器件热阻和水泵功耗。结果表明30°矩形斜肋布置方式可以增强不同流道内流体的扰动,破坏热边界层,提高对流传热系数,换热性能最好;然而,由于倾斜角的存在增加了流动阻力,需要以更高的功耗为代价。综合考虑器件热阻与水泵功耗,矩形平行肋片综合性能最好。

基于流型的R290水平管内流动沸腾压降实验研究

丙烷(R290)作为一种性能优异的自然制冷剂,其两相流动压降特性在换热器设计及制冷系统优化等方面起到重要作用,而且目前对于低质量流率以及低饱和压力条件下的压降分析相对较少,且仅有少数研究结合流型进行分析。因此,开展了R290在内径6 mm的水平光管内压降特性实验研究。在如下实验工况范围内,质量流率70~190 kg·m^(-2)·s^(-1),热通量10.6~73.0 kW·m^(-2),饱和压力0.215~0.415 MPa,干度0~1,获取了压降实验数据,并进一步基于实验工况以及流型分析了加速压降、两相摩擦压降的变化趋势。对比了现有的摩擦压降关联式并基于Friedel模型,使用Rev/Rel和液相Froude数Fr表征气液相相互作用,获取了一个新的基于流型的两相摩擦压降关联式。新模型可以很好地预测R290实验数据,预测结果的平均相对偏差(ARD)为-0.2%,平均绝对相对偏差(AARD)为5.2%,λ_(30%)为97.9%。对比文献中的实验数据,10组数据预测结果的ARD为10.0%,AARD为19.3%,λ_(30%)为80.3%,由此可见新模型具有一定的预测精度和适用性。

甲烷二元体系的固液相平衡预测

超导能源管道是以液化天然气(LNG)冷却超导电缆,实现两种能源同时输送的前瞻性能源输送技术。超导能源管道的经济运行温度一般在77~100 K,而在此温区LNG有凝固风险,因此必须研究LNG主要成分的固液相平衡特性。为此,针对甲烷+乙烯、甲烷+乙烷、甲烷+丙烷、甲烷+正丁烷、甲烷+正戊烷5种二元混合物,借助以PR-vdW为代表的状态方程法,以NRTL、WILSON、UNIQUAC等模型为代表的活度系数法,基于所研究体系的二元汽液相平衡数据,回归二元相互作用参数,预测其二元固液相平衡,预测结果与文献数据进行了比较。结果表明,PR-vdW方程对5种甲烷二元体系的固液平衡预测结果最好。进而研究了PR-vdW方程中二元相互作用参数对甲烷二元体系汽液平衡及固液平衡计算结果的影响,分析了模型对温度的依赖关系。

一种比定容热容测量装置

比定容热容是基础状态方程建立和工程计算的基础热数据。基于绝热量热法研制了一种比定容热容测量装置,使用混合工质节流制冷机实现大温跨制冷并提供稳定的冷量;通过设置双层被动式控温防辐射屏并自主设计PID控温程序,在整个测量过程中样品容器与防辐射内屏的温差小于0.2K,有效减小了辐射漏热;温度计内置于样品容器,减小了温度梯度,测温更加准确。通过测量异丁烷在279.10~323.68K温区的压缩液体比定容热容对实验装置的可靠性进行验证。异丁烷的实验数据与文献数据具有较好的一致性,且与REFPROP9.1的计算值对比最大绝对偏差为1.63%,平均绝对偏差为0.88%。

10 t/d级氢液化装置流程热力分析与优化

针对10 t/d级氢液化装置研制要求,构建了液氮预冷的连续转化型双压Claude氢液化流程,并开展了氢物性计算方法筛选、连续转化热模型构建以及流程热力设计与参数优化,分析了膨胀机等熵效率、换热器窄点温差以及原料氢沿程阻力等因素对流程参数的影响,给出了不同工况下的流程性能及各关键部件的热力设计参数范围,可为膨胀机、换热器的研制提供设计热力输入参数。该氢液化流程在基础工况下(考虑较恶劣膨胀机运行条件)的最大理论液氢产量12.96 t/d,液氢产品仲氢含量97%;理论总氢液化比功耗为10.50 kWh/kg LH_(2)(不含原料氢增压),对应的流程[火用]效率为35.06%;可为连续转化式大型氢膨胀液化装置的研制提供参考。

高温吸热管内超临界CO2传热特性的数值模拟

研究超临界CO2在高温吸热管内的传热特性是将其应用于聚光太阳能热发电技术中的基础.本文对此进行了数值模拟研究,分析了流体温度、流动方向、系统压力、质量流率和热流密度对对流传热系数和Nu数的影响.结果表明:高温区(800—1050 K)的对流传热系数和Nu数受流动方向和系统压力的影响均很小,但都随着质量流率的增大以及热流密度的减小而明显增大;而随着流体温度的升高,对流传热系数近似线性增大,Nu数则近似线性减小.另外,本文研究发现在高温区可忽略浮升力对传热的影响,而由高热流密度引起的流动加速效应会明显恶化传热.最后,选取了八种管内超临界流体传热关联式与模拟结果进行对比,发现使用基于热物性修正的关联式对高温区传热数据预测的结果优于使用基于无量纲数修正的关联式得到的结果,且其中预测效果最优的关联式得到的计算结果与模拟结果之间的平均绝对相对偏差为8.1%.

一种低温可视化相平衡实验装置

混合工质的相平衡数据是相关工艺和流程设计的基础,然而在低温区实验数据匮乏,导致设计低温焦耳-汤姆逊节流制冷循环、优化空气液化流程、开发甲烷混合推进剂等重要应用缺乏数据支撑。本文搭建了一台低温可视化相平衡实验装置,可以测量温度40~300 K、压力0~5 MPa范围内的相平衡数据。基于装置内置低温电机实现待测工质的无轴搅拌,同时加快恒温浴内氦气的循环流动,为相平衡实验提供可靠的恒温环境。装置通过温度-时间曲线法实现工质固液相平衡特性的测量,实验的温度、压力最大不确定度分别不超过0.6 K和20 Pa。此外装置可以拓展功能,基于静态法可以测量流体的气液、液液相平衡特性,通过光学手段测量流体的迁移物性(如热扩散率、表面张力等)。

气相低温高压储氢密度和能耗的理论分析及比较

如何安全、高效、经济地储存氢气已成为氢能利用进一步发展的瓶颈.传统储氢手段,如室温高压储氢、液化储氢、金属氢化物储氢等存在或储氢密度低、或液化功率高、或需高温加热再生释氢等问题.为此,本文提出一种在氢气临界压力之上的低温高压储氢方式,可在压力不必太高,温度不必太低的情况下实现储氢释氢过程.分析发现,综合储氢密度及储氢能耗, 3种物理储氢方法优劣为:低温高压储氢>室温70 MPa储氢>液化储氢;在储氢压力10 MPa以上存在单位储氢能耗下的储氢密度极大值.本文推荐低温高压储氢参数为:50 MPa,100 K;45 MPa,100 K;40 MPa, 90 K;35 MPa, 80 K;30 MPa, 70 K,其储氢密度在62.3~65.3 kg/m^3之间.

混合规则在含氨体系相平衡中的应用研究

研究氨+烷烃/氢氟烃体系的相平衡有望解决氨的毒性、可燃性以及与廉价的矿物润滑油的相容性问题,从而拓展氨在制冷领域的应用。本文基于文献数据研究10种混合规则在氨+烷烃/氢氟烃混合物中汽液相平衡的应用,混合规则包括状态方程型混合规则以及活度系数模型与状态方程结合的混合规则,其中简单的VDW混合规则在所有体系中均不能复现实验数据,其它状态方程型混合规则在R.717+R125体系中有较好的拟合和预测效果,而在R717+R1270体系以及R717+R600体系中描述能力都较差。在状态方程与与活度系数模型结合的混合规则中,基于Gibbs自由能、零压力参考态的MHV1、MHV2取得了最好的效果,其中,MHV1在所有研究的体系中均取得最优效果。

液化天然气长距离低温管网运输与冷能梯级利用

液化天然气(LNG)将成为中国天然气市场的主力军,对保障国家“碳达峰、碳中和”目标顺利实现起到重要作用。LNG长距离低温管网输送有助于实现LNG蕴含冷能的高效转移与梯级利用,并可与冷网、天然气管网深度耦合,有利于促进LNG、冷能、天然气等能源综合输送跨越式发展。文章系统总结了LNG长距离低温管网输送技术、长距离管网输送LNG冷能梯级利用技术、LNG长距离低温管网调控技术和LNG长距离低温管网与多网系统的融合技术发展现状,分析了相关技术在能源安全新战略驱动下面临的关键挑战,并对未来趋势进行展望,以期为后续中国LNG长距离低温输送与多网系统融合技术应用和提升提供科学思路和技术发展方向。

含氨共沸混合物制冷性能模拟

氨是性能优良的天然制冷剂,其臭氧消耗潜能值和全球变暖潜能值均为零,但存在毒性和可燃性的潜在危害,除此之外,氨还存在溶油性差的问题。在氨中添加烷烃、氢氟烃等形成混合物,尤其是共沸混合物,有望解决氨的这些问题,形成容积制冷量更高的环保制冷剂,并减少氨的充注量。基于此,本文基于共沸压力极值特征,建立三元共沸预测模型,并预测到3种含氨三元共沸物,对这些制冷剂以及部分商用制冷剂进行制冷性能模拟,发现含氨混合物在容积制冷量、制冷效率以及排气温度方面均具有明显优势。

R1234ze(Z)在243.152～373.150 K内的饱和蒸汽压实验测量及拟合

顺式-四氟丙烯(cis-1,3,3,3-Tetrafluoropropene,R1234ze(Z))作为环境友好(温室效应潜能值GWP<1,臭氧消耗潜能值ODP=0),热力性能优异的新型工质在制冷、热泵及有机朗肯循环等领域受到越来越多的关注.本文采用两套高精度汽液相平衡装置测量了R1234ze(Z)在243.152~373.150 K内的63组饱和蒸汽压数据,本文的实验数据与Wagner方程拟合偏差均小于0.001 MPa,与REFPROP对比最大绝对偏差为0.0016 MPa,最大相对偏差为1.07%.结合文献数据采用Antoine方程、Wagner方程以及亥姆霍兹方程进行拟合,并对计算值和实验值的偏差进行分析,发现亥姆霍兹方程中起主导作用的是第2项,并由此建立对比温度和对比压力的近似线性关系,采用Wagner方程和最优项数为5项的亥姆霍兹方程拟合的平均绝对相对偏差分别为0.3105%和0.2813%,后者较前者拟合精度提高11.4%.

环保混合工质R290+R1234ze(E)/R1234yf的亥姆霍兹模型

本文建立了R290+R1234ze(E)和R290+R1234yf两种混合物的亥姆霍兹型状态方程,混合物的亥姆霍兹自由能α包括理想气体混合物自由能α_0和考虑实际流体混合行为的剩余自由能α_r两部分,表示为温度、摩尔体积和组分的函数,其中,理想部分α_0由相关纯质的最精确的状态方程推导,剩余部分α_r通过混合物的相平衡、气相密度和饱和液密度实验数据拟合得到。本文采用11种混合规则进行了回归计算,分别建立了两种混合物的最优亥姆霍兹型状态方程,拟合数据的平均绝对相对压力偏差均在0.5%以内,平均绝对相对密度偏差均在0.3%以内。

天然气组元及其混合物的黏度计算

本文利用自由体积理论(FVT)并结合相关混合规则建立了一种可以预测天然气组元及其混合物黏度的计算模型。在对实验数据进行收集整理的基础上,通过对实验数据的回归计算确定了9种天然气基础组元的FVT模型参数,模型计算结果与实验数据之间的平均绝对相对偏差(AARD)小于2.8%。针对天然气组元的二元及多元混合物,本文利用FVT结合适当的混合规则对其黏度进行了预测,模型计算值与实验数据之间的AARD小于7.41%。

波纹类型及参数与气化率对LNG输送特性的影响

利用Fluent仿真软件,基于DES with SST k-ω湍流模型对不同波纹类型、波纹参数进行建模计算。通过对比分析,得到波纹类型和波纹参数对LNG管输过程中的流阻和压降的影响规律。针对LNG在输运过程中潜在气化,研究了不同气化率产生的影响,结果表明:管输过程中压降随气化率的增大呈线性上升,气化率达到0.5%时压降将增大140%。