Theoretical study on the ideal open cycle of the liquid nitrogen engine

This article described the characteristics of the liquid nitrogen engine's ideal open cycle.Using two interconnecting strokes to achieve the power output can mitigate the trade-off between high efficiency and the potential mechanical complexity of multiple-cylinder engines. The total specific energy of the binary media (methane-nitrogen) cycle system could be much higher than the unitary medium (liquid nitrogen) cycle system. By theoretical analysis, the reasonably acceptable driving range proved the feasibility of the liquid nitrogen engine used for supplying power for a lightweight car.

冻融循环下页岩孔裂隙和渗透率演化特征研究

页岩气储层具有超低渗特性,液氮(LN_(2))致裂作为一种很有前景的储层增透技术备受关注。以四川南部龙马溪组页岩为研究对象,研究了含水页岩岩芯在受低温流体——液氮冻融循环下的物理响应。针对含水状态下的页岩进行LN_(2)冻融循环处理,运用扫描电子显微镜(SEM)对LN_(2)冻融循环前后的页岩样品进行微观孔裂隙结构的定点观察,采用数字图像处理技术和分形理论对同一位置的孔隙变化进行了定量化分析,测试了孔隙度和渗透率,运用计算机断层扫描(CT)展示了页岩样品随LN_(2)冻融循环的宏观断裂破坏过程,探讨了液氮冻融的致裂机理。结果表明,液氮冻融循环处理可以有效促进孔隙、裂隙的萌生和扩展。液氮冻融时页岩在热应力和冻胀力的作用下产生新裂纹,随冻融循环次数的增多页岩孔裂隙稳定发展,冻融循环下页岩孔隙度累积增长幅度为54.6%,渗透率的提高非常显著(高达3个数量级)。

液氮循环冻结煤体融化过程未冻水含量特征及其对孔隙的影响机制

孔隙未冻水含量和分布特征可以反映煤体融化程度,融化程度影响冰孔隙大小,直接决定孔隙渗透性,影响煤层气开采效率。研究冻结条件下煤体冰水相变过程特征,对精准评价煤层低温致裂效率具有重要意义。实验以冻结态饱水烟煤为研究对象,使用核磁共振技术研究煤样融化过程孔隙特征,综合测量T2曲线、累计孔隙度以及累计孔喉分布,定量分析煤样融化过程孔隙结构。实验结果表明,液氮循环冻结煤体融化过程中,首先融化出小孔结构,后融化出中大孔结构,且融化前期孔隙连通性较差。通过计算T2曲线面积,验证了融化过程未冻水含量与温度呈指数关系,并建立拟合函数。同时,根据煤样累计孔隙度与累计孔喉分布将融化过程划分为3个阶段,分别为加速融化阶段(-196~-30℃)、稳定融化阶段(-30~-5℃)以及快速融化阶段(-5~10℃)。热力学分析表明,低温下煤样未冻水含量同时受到孔隙压力与孔径分布影响,孔隙压力越大、小孔结构越丰富的煤样未冻水含量越多。总结了基于液氮循环冻融孔隙扩张收缩以及局部导热特性分析体系,涉及T2图谱分析、导热组分划分、融化速度计算等关键问题,进而分析液氮循环次数造成的煤样融化速度差异。计算结果表明,液氮循环冻结10次时煤样平均融化速度最快,小孔、中孔与大孔冰的最大融化速度分别为0.632%/℃、0.582%/℃和0.521%/℃。

液氮冻结和冻融循环作用下煤样力学特性试验研究

我国煤储层渗透率普遍较低,如何提高煤储层渗透率是煤层气开发的重点和难点。近年来液氮致裂增渗煤体技术作为一种无水致裂增渗技术受到广泛关注。为揭示液氮冻结和冻融循环对煤体力学特性的影响,采用红外热成像技术对液氮冻结后煤样的温度分布特征进行研究,并对液氮冻结和冻融循环后的煤样进行单轴压缩和声发射测试,对比分析了液氮冻结和冻融循环前后煤样的波速、孔隙率、声发射和能量演化特征,并对液氮冻结煤体损伤作用机理进行了讨论。结果显示:①经过360 min和12次冻融循环后,煤样的波速分别下降了58.2%和64.7%,波速在最初的冻结和冻融循环阶段中下降并不明显,随着冻结时间和冻融循环次数增加,波速逐渐下降。②随着冻结时间的增加,煤样的温度逐渐下降,液氮冻结180 s后,煤样的表面温度下降至−60℃以下,由于煤颗粒的热传导系数不同,导致煤样中心处的温度呈波动分布。③液氮冻结和冻融循环后,煤样的弹性模量呈指数函数降低的趋势,而煤样的孔隙率则逐渐增加,液氮冻融后煤样的孔隙率增量大于液氮冻结后煤样的孔隙率增量。④单轴加载过程中煤样的声发射活动分为发展阶段、活跃阶段和剧烈阶段,煤样的最大声发射振铃计数和累积声发射振铃计数随着冻结时间和冻融循环次数的增加而减小。⑤液氮冻结和冻融循环会削弱煤样的储能极限,造成在单轴加载过程中峰值点处的总能量、弹性能和耗散能的减少。

超导电缆过冷液氮冷却循环系统设计及试验验证

超导电缆过冷液氮冷却循环系统是三相同轴高温超导电缆试验装置中的主要分系统。根据电缆运行参数和负荷要求,进行了过冷液氮冷却循环系统的流程设计;对冷箱和稳压装置进行了结构设计;对流程阻力进行了分析计算,选择了水力曲线匹配的液氮泵;结合电缆的热负载要求,对浸液式盘管换热器进行设计计算,联机试验结果表明设计满足冷却要求。

液氮对不同温度煤裂隙冻融扩展作用研究

为研究液氮冻融循环作用对煤内原生裂隙扩展和抗压强度的影响,选取初始温度分别为35,55和75℃的原煤煤样,采用激光共聚焦显微镜、声波测速仪测试煤样经液氮冻融前后的裂隙扩展程度,通过单轴压缩试验研究冻融循环前后煤样抗压强度的变化规律。结果表明,液氮冻融循环对煤裂隙的发育有促进作用,相同冻融循环周期下试样裂隙宽度扩展量随初始温度升高而增大;相同初始温度下试样裂隙宽度扩展量随冻融循环周期数的增加而增大,试样裂隙沿垂直节理方向扩展明显;55和75℃煤样破坏周期数分别为8和9。

液氮循环处理对不同含水率煤样渗流特性的影响

我国煤炭储层渗透率普遍较低,需要煤层增透技术强化煤层气开采。液氮致裂煤体技术因其环保、增透效果强等优点成为近年来煤层增透技术研究的热点。水-冰相变冻胀作用是液氮致裂含水煤体的主要作用机理。故利用真空饱水容器制备含水率分别为0%,2%,4%及6%的4组煤样,分别对煤样进行液氮循环冻融处理,直至煤体整体发生破碎或完成5次循环冻融处理。期间使用摄像机定点拍摄,观察煤样各循环处理表面宏观裂隙的演化;使用受载煤体注气驱替瓦斯测试试验系统进行氮气渗流试验得出不同压力点下煤样渗透率的变化规律;并使用渗透率增长幅度及渗透率平均增长幅度表征煤体渗透率增长水平。试验结果表明:①相同致裂次数下,煤样含水率越高表面裂隙发育越明显。②液氮致裂能提高煤体渗透率水平,且与含水率成正比。围压一定时,渗透率平均增长幅度随含水率呈指数上升。③增加循环次数也会提高煤样渗透率。随着液氮循环次数的增加,煤样的渗透率整体呈上升趋势,渗透率增长幅度与含水率成正比。除含水率2%煤样第3次液氮处理后的渗透率大幅度增加外,煤样的渗透率增长幅度近似以倍数增加,单次致裂平均渗透增长率略有减小。④在液氮致裂煤层过程中,综合考虑提高煤层含水率与适当增加液氮循环致裂次数才能取得良好的增透效果。

液氮冻融循环作用下饱水煤样力学特性试验研究

液氮注入低渗煤层致裂、增透是提高瓦斯抽采率的新技术。液氮是超低温流体,与煤作用的温度应力引起煤结构损伤和力学特性改变,进而影响煤矿安全开采。为揭示液氮冻融循环作用对煤力学特性的影响,将取自于纳林河矿的原煤,制成饱水煤样,开展液氮冻融循环和力学特性试验。通过波速测试、单轴压缩试验和循环荷载试验测试液氮作用前后煤的波速、弹性模量、单轴抗压强度、泊松比、压密应变、破坏应变和疲劳寿命的变化,分析液氮冷冻和冻融循环次数对煤力学特性的影响规律。结果表明,液氮冷冻和液氮冻融循环次数对煤力学特性有很大影响。液氮冷冻后,煤样结构损伤,力学性能劣化。液氮作用1次,煤样波速、弹性模量、单轴抗压强度、破坏应变、疲劳寿命分别降低了32.9%、0.2%、29.9%、35.9%和22.7%,泊松比和压密应变分别增加了18.2%和2.1%。液氮作用3次煤样波速、弹性模量、单轴抗压强度、破坏应变、疲劳寿命分别降低了44.9%、20.8%、57.8%、44.7%和42.3%,泊松比和压密应变分别增加了59.1%和16.7%。随着液氮冻融循环次数的增加,煤样结构损伤和力学性能劣化加剧。单轴抗压强度、疲劳寿命与液氮冻融循环次数呈负指数函数关系,弹性模量和压密应变与液氮冻融循环次数呈线性关系。

水泥基材料超低温冻融循环试验研究

利用液氮作为环境介质进行超低温冻融循环试验,研究了超低温对水泥基材料抗冻性能的影响。观测冻融循环前后试件外观、质量和强度等宏观性能变化,采用扫描电子显微镜(SEM)分析水泥基材料冻融循环前后微观结构变化。试验结果表明:在超低温条件下,混凝土的抗冻性能明显强于砂浆,且随混凝土强度提高其抗冻性能呈增长趋势;SEM分析结果表明超低温冻融循环后泡水融化试件结构内存在明显缺陷;超低温冻融循环试验可以加速水泥基材料破坏进程,明显减少试验周期,能相对较快的评价出水泥基材料的抗冻性能。

液氮发动机的热力循环设计

针对基于单级朗肯循环的液氮发动机效率低和主换热器外表面结霜的问题,设计了基于等熵膨胀的液氮-甲烷-乙烯-R134a四级朗肯循环液氮发动机动力系统新方案.计算结果表明,液氮在所设计的热力循环下的比输出功比采用单级朗肯循环提高了129%;即便充分考虑不可逆因素的影响,液氮的比输出功也远大于蓄电池的比输出功.由于新系统中最上一级热力循环的温度超过水的冰点,避免了主换热器的结霜问题,同时将太阳热能引入新系统,进一步提高了动力系统的效率.比较了基于新循环与基于二级布莱顿循环的液氮动力系统,指出在理想情况下两者的比输出功接近,但当考虑压降和温差等实际因素时,二级布莱顿循环的比输出功远小于所设计的多级多组分朗肯循环.

用于低温永磁波荡器的过冷液氮冷却循环系统

低温永磁波荡器(CPMU)是第三代同步辐射光源的重要插入件,可有效提升光源的束流品质。CPMU必须在液氮温区工作才能发挥其作用,因此过冷液氮循环系统(SLNCS)就成为其工作必须的重要外围设备。为了给CP MU提供冷却,按照要求进行了循环系统的流程设计和工作模式设计;对冷箱杜瓦和自动控压装置进行了结构设计;分析计算了流程阻力,并以此为基础选择了合适的液氮泵;结合CPMU要求的热负载,对过冷换热器进行了设计计算。过冷液氮循环冷却系统的离线测试和在线测试表明,设计满足CPMU的冷却要求。

液氮发动机循环可用能及效率分析

针对液氮发动机开始朗肯循环过程可用能损失较大的问题,提出分析方法,研究液氮发动机开式朗肯循环过程中可用能损失分布;研究并设计液氮二级再热系统,分析液氮发动机开式朗肯循环与内燃机混合加热循环的联合循环.结果表明,排气是可用能损失的主要环节之一,约占系统输入可用能的20%;且初始膨胀温度受环境温度限制是导致排气可用能损失的主要原因.再热系统可以消除环境温度因素对循环效率提高的限制;采用二级再热膨胀系统,选取合理的再热温度和二级膨胀压力可以得到更高的效率.采用液氮发动机开式朗肯循环与内燃机混合加热循环的联合循环,可以将无法直接做功的内燃机常压高温排气的温度转化为液氮发动机进气可用能,等质量工质的联合循环将整个系统的平均效率提高了8.06%.

液氮发动机循环分析

新型零排放液氮发动机存在朗肯循环和布雷顿循环两种做功循环方式,为了了解两种循环方式对液氮发动机匹配设计的要求,基于有限时间热力学理论,对比了两种循环对液氮发动机输出功率的影响,研究了液氮发动机在变温热源和恒温冷源之间朗肯循环和布雷顿循环的性能,着重分析了导热率对循环性能及输出功率的影响,为液氮发动机换热器的匹配提供依据。得出换热器的热导率和热容率的匹配决定朗肯循环的最佳循环功率,而与朗肯循环相比布雷顿循环能更好的实现发动机的功率特性的结论。

预应变亚稳态奥氏体不锈钢(S30408)深冷低周疲劳性能

为了研究冷成形和温成形对深冷容器低周疲劳性能的影响,通过液氮温度(77 K)下的拉伸试验和低周疲劳试验,分析预应变(0和0.35)和预应变温度(293 K和363 K)对亚稳态奥氏体不锈钢(S30408)深冷低周疲劳性能的影响机制.0.35预应变使试样内部位错密度增加和产生强化相体心立方马氏体,与母材试样相比,293 K预应变试样初始循环应力幅增大,疲劳辉纹宽度减小,深冷低周疲劳寿命增加显著.随着预应变温度由293 K升高到363 K,奥氏体相稳定性增加,马氏体相变受到抑制,初始循环应力幅减小,疲劳辉纹宽度增大,预应变对深冷低周疲劳寿命的增益作用减弱.总体来看,0.35预应变对S30408深冷低周疲劳性能有明显增益作用,但增益程度受预应变温度的限制.

RBCC组合动力用液体推进剂研究进展

结合RBCC组合动力的发展需求,从性能、使用情况等方面探讨近年来组合动力吸气式模态用燃料和火箭模态用推进剂的研究进展,包括吸热型碳氢燃料、高密度吸热碳氢燃料、四氧化二氮/绿色自燃燃料和过氧化氢/碳氢燃料等。为满足RBCC系统对推进剂的长贮需求,RBCC吸气式模态宜发展兼顾高密度和高吸热能力的碳氢燃料;火箭模态需发展能够与四氧化二氮迅速自燃,且能量不低于现有肼类燃料的新型绿色燃料;过氧化氢/碳氢燃料需重点解决过氧化氢使用安全性和长贮稳定性问题,并形成可靠的安全应用方案。针对RBCC动力系统提出的可长期贮存、免维护等要求,现有推进剂方案还需要在性能提升、工程适用性、系统匹配性等方面继续开展关键技术攻关。

植物油循环充氮工艺研究

油脂的氧化酸败速度与溶于油脂中的氧量有关,油脂的吸氧量可达其体积的15%~150%或质量的0.02%~0.2%,利用溶气泵的高强度气液混合特性,将99.99%的氮气在氮气压力0.05~0.15 MPa、流量5.0~150.0 L/min条件下,与植物油进行充分循环混合12~24 h,强行替换、排出油脂中吸收的氧气,以提高植物油的储存稳定性,并有效防止PET包装瓶的瘪瓶现象。

316L钢表面超音速火焰喷涂Fe基粉末涂层显微结构及摩擦性能分析

经过液氮循环工艺获得了塑韧性更优的Fe基粉末,通过超音速火焰喷涂(high velocity oxy-fuel,HVOF)法对建筑用316L钢基体表面造成高速撞击生成Fe基粉末涂层,分析涂层摩擦学特性与液氮循环工艺间的关系。研究结果表明:液氮循环处理粉末和未处理原始粉末都属于非晶态,粉末外观形貌都属于椭球形,没有开裂或破碎。在液氮循环处理粉末涂层组织中只存在少量的未铺展颗粒,孔隙率也发生了明显减小,形成了更致密组织。采用液氮循环方法来改善粉末塑性,使粉末以更好的铺展状态完成沉积过程。经过液氮循环处理的粉末涂层可以获得更稳定的摩擦学性能,形成了更致密的组织,孔隙与裂纹数量明显降低,摩擦系数明显减小,主要发生氧化磨损,表现出更低的磨痕深度与磨损率误差。

液体空分设备设计开发中的技术分析

简介了液体空分设备设计中几种工艺流程的特点和组织原则,并对流程设计中的一些技术问题进行了分析探讨。

高温超导电缆冷却系统维保研究

目前,高温超导电缆冷却系统在维保工作方面无过多的借鉴经验,一般需长时间运行探索才能总结出更适合每套系统的维保工作方法。本文以百米冷绝缘结构高温超导电缆为例,通过对高温超导电缆系统运行的长时间探索和经验积累,总结了一套在低温常压状态下实施维保工作的方法并实践证明了可行性,顺利完成了维保工作。从效果看改观明显,确保了高温超导电缆系统持续、安全、稳定运行。

液氮循环冻融作用下煤体渗透率演化规律及模型研究

为进一步研究液氮循环冻融煤体渗透率演化规律,采用核磁共振仪、电子万能试验机和煤岩芯渗透率自动测试系统,分析了不同液氮循环冻融次数前后煤体内部温度、孔隙分布、力学特性和渗透率的演化规律;基于立方定律和循环冻融煤体损伤本构关系,建立了液氮循环冻融煤体渗透率计算模型。结果表明:液氮冻结过程中,煤体内部温度变化分为0~9 min,9~30 min两个阶段,不同时间段内温度下降关系为ΔT_(阶段二)>ΔT_(阶段一),升温解冻时,煤体温度呈指数关系上升,升幅逐渐减小;液氮循环冻融作用下,煤体孔隙结构得到明显改善,微小孔隙数量增加,部分相互贯通扩展,逐渐转化为中大孔隙。随着冻融循环次数的增加,微小孔隙占比减小,中大孔隙占比显著增大;煤体孔隙度增量、孔隙度变化率呈正幂函数增加,渗透率增量、渗透率变化率呈正指数增加;煤体单轴抗压强度与弹性模量呈直线型降低,单轴抗压强度变化率、弹性模量变化率均呈负线性相关。所建立的液氮循环冻融煤体渗透率计算模型的计算结果与实验测试值绝对误差为0.006~0.016 mD,相对误差为1.61%~6.41%,计算模型在试验范围内的渗透率预测值与实际测量值基本一致。