滑移流区域梯形微通道内气体热流逸效应及流动特性

努森压缩机是一种有效的非机械式气体升压微泵,在输送气体、压缩气体等方面具有巨大的应用潜力。基于具有滑移和跳跃边界条件的纳维-斯托克斯方程,建立适应于滑移流区域梯形微通道内气体流动二维数值模型。分析了倾角和冷热腔室温差对微通道内部气体克努森数分布、压升以及流动特性的影响规律。结果表明:微通道倾角从0°升高到5.72°,压升从129.181 Pa降低到48.291 Pa,降低了62.618%。此外,倾角越大,气体克努森数越小,但气体流速逐渐增大,泊肃叶流和热流逸流最大流速分别为0.106 m/s和0.200 m/s。当冷热腔室温差从20 K升高到100 K,努森压缩机的压升从16.081 Pa升高到92.974 Pa,提高478.161%。,温差每增加20 K,克努森数增大0.001,泊肃叶流和热流逸流最大流速分别增加约0.020 m/s和0.039 m/s。研究结果为努森压缩机复杂微通道的构建及性能优化设计提供指导。

电容薄膜规热流逸效应修正方法研究

利用N2、He、Ar三种气体对三只电容薄膜规(CDG)在10-2Pa～102Pa的热流逸效应进行了研究,对实验数据进行拟合,得到每种气体在热流逸效应产生区间CDG示值压强的拟合公式,并用实验验证了公式的准确性。对实验数据和拟合公式的分析表明,CDG的校准因子在较高压强(>102Pa)下,趋近于一个与气体种类和校准室温度无关的极限值;在较低压强(<10-2Pa)下,趋近于一个与气体种类无关,与校准室温度有关的极限值;在这两者之间的压强范围,校准因子与气体的种类和校准室温度呈复杂的函数关系。

气体在热流逸效应作用下的压力与流量特性

为深刻认识热流逸现象,引入几何系数和净质量流量减少率,研究了13种气体在热流逸效应下压差和净质量流量与微通道结构尺寸特征、气体特性、流动领域及温差等因素的关系。结果表明,净质量流量随努森数与几何系数的增大迅速衰减,当努森数达2.4左右或几何系数达1000左右时均减少99%;在过渡流领域大部分非极性分子气体的净质量流量高于极性分子气体,且黏性指数较小的气体其净质量流量较大;在自由分子流领域,分子质量较大或黏性较大的气体其净质量流量较大。压差在过渡流领域随努森数增大而增大,当流态进入自由分子流领域后达到最大值并恒定,且较过渡流领域的峰值高约17.8%。温差每升高10 K,净质量流量与压差分别平均增大约18%和15%,且在过渡流领域,气体的黏性指数越大其净质量流量受温差的影响就越大。因微通道尺寸与气体流态相互耦合,故应视压差或流量的具体需求来确定适宜的流态与微通道结构。指出了热流逸效应若干应用需侧重考虑的要点。

一种热流逸式气体分离系统设计

混合气体在热流逸效应作用下,各组元会出现一定流动差异。基于这一现象,以分离焦炉煤气制取氢气为例,设计了一种热流逸式气体分离系统,该系统由低品位余(废)热驱动,无运动部件。计算表明,新型热流逸式气体分离方法的分离纯度可达99%以上,当焦炉煤气流量为30 000 m^3×h^(-1)时,气体分离系统单位产品能耗约为36.9 k W·h×m^(-3)(H_2)。

基于热流逸效应的串联式气体分离系统设计

利用热流逸效应分离气体是一种在机理和应用模式上与传统分离方法完全不同的新颖方法。本文提出了一种由模块化热流逸式气体分离单元串联而成的气体分离系统,建立了描述其气体分离过程及关于其优化设计的数学模型,并开发了相应算法。以此为基础设计了热流逸式焦炉煤气分离制氢系统并解析其系统结构、部件和运行工况参数;该系统通过6级气体分离单元串联即可分离出纯度达99%以上的氢气,且其部件的制造及装配均可基于现有技术实现。在满足分离纯度要求的前提下,该系统能耗约为45.41kJ/m^3,其优势在于可直接利用低品位热能驱动,符合能量梯级利用原则,从用能角度看也具有一定竞争力。基于热流逸效应的气体分离新技术具有鲜明特点,值得深入研究并在实践中尝试。

热流逸效应下不同截面形状微通道的流导特性分析

热流逸真空泵利用其内部微通道结构产生的热流逸效应来工作,故其本身也存在流导。本文建立了几种典型截面形状长微通道和短微通道的流导计算模型,进而分析了流导随努森数、温差及微通道特征尺寸变化的规律。结果表明,微通道在过渡流区域的流导比在自由分子流区域的大2~4个数量级;短微通道的流导性能优异长微通道的;绝大多数情况下,截面形状的对称性越强则其流导性能越好;在自由分子流区域,截面形状对流导的影响不大,但在过渡流区域,不同截面形状的流导差异显著。可见,应尽可能将热流逸真空泵设计在过渡流区域工作,且应优先采用截面形状对称性强的短微通道结构,但需要综合考虑努森数、温差和微通道特征尺寸之间的相互协同与制约。

多级热流逸式真空泵流量与压力特性分析

为满足流量和压力要求,热流逸式真空泵通常采用多级串联结构。本文依据稀薄气体动力学建立了多级热流逸式真空泵运行特性数学模型,探讨了温差、努森数、串联级数对流量和压力的影响。研究表明,在满足真空度要求的前提下,为获得较大流量并减少串联级数,应合理增大多级热流逸式真空泵各级的温差;并尽可能采用特征尺寸大的连接通道,以使其内气体处于连续流区域;但微通道的特征尺寸须视情况而定,以确保其内气体处于高努森数的过渡流区域。从大气端指向真空端,多级热流逸式真空泵内的压力大致呈指数规律降低;越接近大气端的级,其内压力变化越显著;就每一级而言,压力在连接通道内略微升高,而在微通道内大幅降低。

基于热流逸效应的燃煤电厂烟气二氧化碳分离系统

分离捕集CO_(2)是实现“双碳”目标的重要途径之一。常规的CO_(2)分离方法普遍能耗较高,若能以余(废)热为动力来分离CO_(2)则可综合利用能源、降低能耗。本文针对高碳排放但却拥有丰富余(废)热资源的燃煤电厂,提出了一种基于热流逸效应的烟气CO_(2)分离系统,并建立了相应的分离过程数学模型和系统性能评价指标。分析表明,CO_(2)的浓度和回收率均随热流逸式气体分离器串联级数的增加而升高,但浓度和回收率达到某一阈值后效果不再明显;典型的1000MW燃煤电厂烟气经该系统中串联的24级分离器处理后,CO_(2)的物质的量分数最高可达98.89%,回收率达72.53%。此外,该系统可梯级利用烟气的余热,㶲效率为64.8%,单位能耗为0.047GJ/tCO_(2),与传统CO_(2)分离方法相比具有一定节能潜力。利用热流逸效应分离CO_(2)符合当下净零碳排放的政策导向,为CO_(2)的分离捕集提供了新思路。

热流逸效应下微通道纵剖面形状对流量的影响

通过建立描述热流逸效应作用下微通道内流量的数学模型,研究了6种气体在3种不同纵剖面形状微通道内的流量特性。计算结果表明,由于气体性质和微通道形状的影响,各气体净质量流量沿微通道长度(L)方向的变化有所不同。当L=0和L=9.6×10^(-6) m时,各气体净质量流量相差不大;当L=4.8×10^(-6) m时,各气体净质量流量均达到最大值,且相差较大。通过对流量特性的研究,明确了微通道形状变化对气体净质量流量的影响较大,气体性质的影响次之。

电容薄膜规的热流逸效应修正

介绍了电容薄膜规的国外研究概况、热流逸现象对真空测量的影响。并分析了实验结果与经验公式之间所存在的差异,说明了减少热流逸效应的方法。

多级努森真空泵能效分析

基于热流逸效应工作的努森真空泵相较于传统真空泵,因具有无运动部件且结构简单的优点而倍受关注,其应用通常采用多级串联结构。文章以努森真空泵能耗和效率模型为基础,着重考虑级数与热量传递和压力分配的关系,建立了多级努森真空泵气体工质流态处于过渡流时的能耗(热流比)与运行效率模型,进而研究了影响热流比及运行效率与级数、努森数、压比、温差等参数的关系。结果表明,努森数从0.2增至8,对应的最优级数从118级减少至15级;压比从2增至100,对应的最优级数从12级增加至77级;温差从50 K增至350 K,对应的最优级数从68级减少至15级。努森数(温差)越大、或压比越小,热流比就越低(运行效率就越高)且对应的最优级数就越小,所需的最小级数也越少。若从能效优化的角度来设计多级努森真空泵,需综合考虑努森数、压比和温差的影响,确定最优级数范围。

过渡流区内努森压缩机的微纳流动升压特性

为解决努森压缩机过渡流区中理论与实际不相匹配的问题,通过实验探究了小温差对努森压缩机升压性能的影响,再运用格子玻尔兹曼方法建立过渡流区努森压缩机模型,分析了冷热腔温差和不同气体工质对努森压缩机升压及流动性能影响。结果表明,温差从10 K升至50 K,空气热流逸流与泊肃叶流速度均增加,温差每升高10 K,热流逸流速率增长比泊肃叶流分别高2%、6%、10%、14%,同时努森压缩机压力比分别增加4.39%、8.82%、13.30%、17.81%、22.38%。相同温差下,Ar、N_(2)、O_(2)、He、H_(2)的压力同空气相比分别增长了6.5%、6.6%、6.8%、7.2%、8%。分子直径越小,气体稀薄性越强,热流逸效应越高,导致压升逐步增加,因此选取直径小的气体分子更有助于提升努森压缩机的流动和升压特性。

努森压缩机的研究进展

努森压缩机是一种以微/纳尺度下的热流逸效应为工作原理的元器件,仅由一组微通道和一个连接通道组成,其结构简单、无运动部件、可利用低品位热能。讨论了努森压缩机的结构特点,总结了近期国内外关于努森压缩机的升压能力、流量、效率等方面的研究概况与进展。对现有的几种努森压缩机微通道材料进行了对比分析,并概览了目前努森压缩机的一些实际及潜在的应用领域。最后,根据努森压缩机的特点以及现有研究的不足,探讨了未来努森压缩机的研发趋势。

努森真空泵内部流导的蒙特卡洛模拟

努森真空泵是一种热能驱动的无运动部件的真空泵,因其内部微通道本身就是一种特殊的管道,故也存在流导。本文建立了努森真空泵内部微通道流导的蒙特卡洛模拟模型。计算结果表明,就矩形微通道而言,若长宽比不变,则流导随高宽比的增大而近似线性地增大;若截面积不变,则流导随长度的增加而减小;若长度较短,则流导随高宽比的增大而减小,但随着长度的增加,由高宽比变化引起的流导变化幅度逐渐减弱。此外,圆形微通道流导的性能优于椭圆形和矩形的,短微通道流导的性能较长微通道的好,适当增加截面面积可较明显地提升流导性能。

努森压缩机粗糙微通道流动及增压性能研究

建立了不同粗糙壁面微通道努森压缩机模型.采用滑移边界的数值方法,从流动机理出发研究了粗糙形状、粗糙元周期和粗糙元高度对微通道流动及增压性能的影响.研究表明:影响正弦、矩形、随机壁面热流逸流的因素分别为沿正弦壁面路径单位长度的温差梯度、凹陷处和交界面的低速涡旋、沿随机壁面路径单位长度的温差梯度.正弦和矩形壁面微通道的热流逸流和增压性能随粗糙元周期增加而增大,随粗糙元高度增加而减小.相同粗糙元周期或高度下,正弦壁面抵抗增压性能下降的能力比矩形壁面更强.