低温燃料贮箱热力学排气系统优化分析与性能研究

介绍了热力学排气系统(TVS)对于未来深空探测事业的重要意义,总结了TVS技术的研究进展。针对套管式换热器,以换热量、换热器内外管出口温差和排气侧压力损失为评价指标,进行多组变工况计算,给出了优化换热器性能的思路与方向。通过一维计算得到了TVS对低温液氢贮箱压力控制的作用效果,计算结果表明:地面工况下TVS能有效控制贮箱压力在设定范围内变化;而在微重力条件下,壁面滞留的液体导致贮箱压力低于控制下限,压力循环周期明显增长。

低温贮箱热力学排气系统建模及仿真分析

针对低温推进剂在轨贮箱蒸发量控制问题,建立低温贮箱热力学排气系统自增压和压力控制仿真模型,综合考虑贮箱封头气枕壁面模型、贮箱柱段气枕壁面模型、贮箱液体壁面模型、液相模型、环境模型、气液界面模型、气枕模型以及贮箱壁面液相-气枕壁面液膜模型等仿真模型,模型包含固体节点、气枕节点以及液体推进剂节点,通过对热力学排气系统J-T排气阀、换热器以及排气系统的耦合计算可得到相应的仿真数据。通过对NASA MHTB试验平台50%充灌率的试验进行仿真计算,结果表明,整个热力学排气系统运行过程的仿真数据与美国MHTB试验平台数据相吻合,可为低温推进剂在轨贮存仿真计算提供支撑。

热力学排气系统中节流效应及其冷量利用分析

为更好地理解热力学排气系统(TVS)的运行机理,优化其运行参数,针对节流装置,建立了热力学模型,讨论了节流过程中状态参数的变化规律,对比了单相气体、单相液体节流的性能特性,进一步揭示了焦汤节流效应的原理,分析了不同节流背压下节流前低温工质(液氢和液氧)压力和温度对节流性能的影响,并结合TVS实际应用,阐述了节流最大制冷量的利用效果,提出了优化的TVS工作区间。研究表明:在节流过程不发生相变情况下单相气体节流制冷效应要比单相液体节流制冷效应更加显著;而在节流过程发生相变情况下液体节流至两相后,由于空化吸热导致流体温度降低,对于液氢,0.5MPa的压降可产生接近3 K的温降。对于液体节流,节流前压力对节流过程影响可忽略,而节流前温度和节流背压对节流过程起主导作用;对于液氢在在轨运行工况下,考虑到节流制冷量的充分利用,同时保证换热过程体积含气率不高于90%,推荐TVS系统中节流背压范围为75~143 kPa。

热力学排气系统对液氮贮箱控压特性的影响分析

为研究热力学排气系统(TVS)对低温推进剂贮箱控压特性的影响,搭建了液氮热力学排气技术控压试验平台,开展了混合模式和并行模式下的低温贮箱控压试验,研究了不同控压区间气枕压力及液相温度的变化规律,对并行模式过程中节流特性以及节流制冷量的输入对液相温度变化的影响进行了分析。试验结果表明,在混合模式中由于外部漏热和气枕压力的影响,液相温度呈波浪式上升趋势;在并行模式中,在节流制冷量输入和外部漏热的共同作用下,液相温度停止上升转而下降;在两种模式运行中,液相温度在较高的控压区间比较低的区间变化率大;理论模型能够较好反映试验测试结果,模拟分析得到的液相温度变化率与试验结果基本一致。

液氢贮箱热力学排气系统建模及控压特性

以低温推进剂液氢贮箱压力控制为目标,建立了热力学排气系统(TVS)和贮箱内流体流动及气液相变过程的数学模型。以18.09m^3液氢贮箱在地面工况充注率75%、漏热量0.76 W·m^(-2)为例,计算了贮箱自增压过程及开启TVS后对贮箱压力控制的效果。结果表明,气枕升压速率远大于液体温度对应的饱和压力的升压速率;TVS运行后可将贮箱压力有效地控制在165.5~172.4kPa范围内。对比了混合与排气两种不同运行模式下贮箱气枕的升降压特性,发现排气模式下的气枕降压速率为混合模式的7倍,升压速率为混合模式的95%。同时还分析了贮箱内液体的温度变化规律。

R32制冷系统在变吸气状态下的热力性能

压缩机的吸气状态对系统的性能有重要影响,通过理论与实验的方法,探究不同吸气条件下系统性能的变化,以寻找实现系统最佳运行时的吸气状态。基于小型水冷冷水机组实验系统,调节电子膨胀阀的开度来控制制冷剂在系统内的流量,进而通过实验探究吸气状态对制冷系统性能的影响。结果表明:在吸气状态从过热到气液两相的过程中,系统的制冷量会先增加后减少。与此同时,压缩机的功耗会先略微上升,随后缓慢下降。排气温度的变化则表现为两段式的降低,特别是在吸气达到两相状态时,温降更为明显。吸气干度在0.98—1.00时,可以实现系统的制冷量和系统性能系数C_(OP)的最优,能显著提高制冷系统的整体性能和经济效益。这些发现对于解决恶劣工况下压缩机润滑油碳化问题以及优化制冷系统具有重要意义。

MPC排气系统的热力学分析及其评价指标

在排气可用能的基础上，从失能的角度出发，对MPC排气系统进行了热力学分析，提出了以可用能的能损系数作为排气系统热力学完善性的评价指标。该评价指标不仅可反映MPC排气系统的热力学完善性，而且还可揭示气体在MPC排气管系流动过程中，可用能蜕化的部位和损失的程度，指出排气管系设计中的薄弱环节，为改进设计指明方向，以及为改进效果提供判断依据。

低温推进剂在轨储存热力学排气系统TVS研究进展

在空间零(微)重力环境下,有效地控制储罐压力并尽量减少液体推进剂的排放损失是低温推进剂在轨储存的核心技术任务。空间热力环境引起的热渗透不可避免,它将使得储罐压力持续升高,然而在零重力环境下无法通过类似地面顶部排气的方法来控制压力,其严重后果是大量气液混合物被直接排放至太空。针对这一问题而提出的热力学排气系统(TVS)能够在气液位置不确定的情况下实现少量的单纯气态排放,并且充分利用所排放低温推进剂节流后的热力学焓,从而在双重作用下有效地实现了储罐压力的控制。文中从仿真理论和实验两个方面总结归纳了国外TVS的技术研究历史和现状,涉及液氢、液氧和液态甲烷等低温推进剂以及模拟流体液氮,为我国低温推进剂空间储存相关技术的发展提供参考。

不同工况柴油机排气余热回收系统试验与仿真!

基于有机朗肯循环(Organic rankine cycle,ORC)设计了柴油机排气余热回收系统。建立了ORC热力学仿真模型预测系统回收性能,并对某款柴油发动机在有、无ORC作用下分别进行试验,对比了试验数据与仿真结果,验证了模型的有效性。将模型应用于不同工况下,观察不同工质流量对ORC净功率及热效率的影响,结果表明ORC净功率随着转速的增加而增加,不同工况下最大热效率均为12.1%,且对应的工质流量选择区间随着转速的提高而扩大,此区间的确定可为ORC试验时工质流量范围的选择提供参考依据。

热力学排气系统气枕压力循环控制研究

对以液氮为工质的热力学排气系统进行了周期性压力循环控制实验,对实验循环过程中的气枕压力波动进行了测量,并对液相同步瞬时温度进行了实时监测。结果显示在前期混合模式阶段,由于外部环境漏热及内部低温泵功热持续向低温液体耗散与积累效应,液氮的平均温度上升速率为0.166K/h;而在后期并行运行模式阶段,低温液体通过节流膨胀产生了制冷效应,由于冷量的输入能够有效降低引起液相温升的热量,因而有效减缓了液体温度上升速率,有节流冷量输入的液体温升速率降低为0.0235K/h。通过数学模型对液相随气枕压力的温升变化速率及各运行模式终了温度进行了仿真,通过比较,发现计算结果与测试数据吻合较好。

抽水蓄能电站压水气系统气罐壁面传热对罐内空气降温特征的影响

为分析抽水蓄能电站压水气系统气罐壁面传热对罐内空气降温特征的影响,采用全通道非稳态数值模拟方法,数值模拟某抽水蓄能机组气罐内部气体的流动特征和热力学变化,分析了排气压水工况下气罐内压缩空气的温度变化规律和机理,通过对数值模拟数据分析,明确了罐内气体温度分布差异化、热力学绝热过程向多变过程转变、气罐内流场自然对流建立的内在联系,发现了使用强化气罐壁面传热系数的方法来改善气罐局部低温问题的局限性,为优化排气压水系统储气罐提供了技术路线选择依据。

排气系统用耐热不锈钢夹杂物控制理论与实践

为了增加材料抗氧化性能,用于汽车排气系统的一类奥氏体耐热不锈钢含有1.5%以上的硅元素,AOD采用硅铁进行脱氧后生成直径大于50μm的硅酸盐夹杂物,由于钢液合金成分含量高,黏度较大,大颗粒硅酸盐夹杂物不能通过LF底吹气体搅拌方法去除,残留在铸坯中经过轧制变形后被拉长,导致排气系统用奥氏体耐热不锈钢冷轧板内夹杂物级别超过2.0级,严重影响了产品的抗高温疲劳与蠕变性能,降低了产品使用寿命。针对汽车排气系统用耐热不锈钢冷轧薄板夹杂物的较高要求,从基本热力学理论出发,根据实际冶炼过程及钢液成分计算出冶炼过程中SiO_(2)、Al_(2)O_(3)和MgO·Al_(2)O_(3)夹杂物生成的热力学条件及钙变性高熔点MgO·Al_(2)O_(3)夹杂物的热力学基础,根据热力学结果调整LF精炼工艺,得到如下结论,当钢液中铝质量分数大于0.003%时,钢液内夹杂物以Al_(2)O_(3)为主,并且极易生成MgO·Al_(2)O_(3)夹杂物;钙可以将高熔点MgO·Al_(2)O_(3)夹杂物变性成低熔点复合夹杂物,1 500℃时,钢液中铝质量分数为0.04%时,开始变性MgO·Al_(2)O_(3)夹杂物的临界钙质量分数为0.000 4%;实际生产中,将大尺寸硅酸盐夹杂物改质成小尺寸塑性夹杂物工艺为,吨钢加入0.1 kg铝丸、1.5 kg铝粉,反应一段时间后吨钢喂钙线3 m。经过LF冶炼工艺调整后生产的汽车排气系统用奥氏体耐热钢冷轧薄板全氧质量分数小于0.002 5%,夹杂物级别小于1.0级。

VisualC++6.0开发柴油机故障仿真软件

本文建立了一个较通用的柴油机故障的仿真模型 ;用 Visual C+ + 6 .0开发了柴油机故障仿真软件 ,并对柴油机典型故障的不同程度下进行仿真计算 ,对仿真结果进行分析 ,揭示了柴油机故障与热工参数之间的内在联系 。

低温节流阀流动过程数值模拟和实验研究

对弯折型、旋转型两种节流阀进行数值模拟,研究不同工质下节流阀的温降以及流量特性,结果发现与液氮与液氧相比,甲烷在节流阀内的空化更为严重,汽相出现的较早,汽液分布较为混乱。搭建低温节流阀流动换热实验台,以液氮和甲烷为实验工质研究不同工况下的节流阀的流动特性,将进口过冷度作为影响因素提出新的质量流量关联式,可以准确预测节流阀内液氮、甲烷的质量流量,所得结果与实验偏差小于20%。

节流前过冷度和压力对液氮节流特性的影响

节流在普冷领域应用广泛。其在基于林德循环、克劳德循环等低温液化循环、焦汤氦制冷系统、低温推进剂热力排气系统中也都有涉及。为了深入揭示低温流体相比室温气体的节流特殊性,设计并搭建了一套低温流体气液两相节流可视化试验系统。针对渐缩渐扩管型的节流元件,分析了节流前过冷度和压力对液氮节流特性的影响。研究表明:节流前压力一定,节流后温降及气相质量分数随节流前过冷度增加而增加;节流前过冷度一定,节流后温降及气相质量分数随节流前压力增大而增大;增大节流前压力,减小节流前过冷度,会减少节流后流体的单位质量制冷量。

THE ENTROPY-FLOW METHOD FOR DETERMINING THE MINIMUM WORK IN AN AIR-EXHAUSTING PROCESS

The thermodynamic system consists of the entropy flow and entropy product.This paper is to define the entropy flow and to apply it to determinig the minimal work in air-exhausting processes.It is found that the minimum work depends only on the pressure at the negative-pressure space.