Heat Transfer Characteristics of Boiler Convective Heating Surface Under Pressurized Oxygen-fuel Combustion Conditions

增压富氧燃烧是一项极具前景的减排CO2新技术。对增压富氧燃烧条件下,对流受热面换热特性进行研究具有重要的意义。该文以一台实际300MW等级机组煤粉锅炉为计算对象,采用维里方程及Chun等的计算方法计算确定增压富氧燃烧烟气物性,采用宽带关联k模型计算富氧燃烧烟气辐射特性。进行了常规空气燃烧以及φ（O2）：φ（CO2）=21：79、φ（O2）：φ（CO2）=30：70两种比例的0.1、0.5、1.0、1.5、6 MPa五种压力下增压富氧燃烧各对流受热面的热力计算,分析了增压富氧燃烧条件烟气压力变化对各受热面换热特性的影响。研究结果表明：随烟气压力的升高,烟气流速下降,但烟气的Re却基本保持不变,对流换热系数有所增加。增压富氧燃烧烟气的辐射换热系数比空气燃烧烟气辐射换热系数大。实现同样的换热量,增压富氧燃烧条件下（φ（O2）：φ（CO2）=21：79、φ（O2）：φ（CO2）=30：70）对流受热面所需换热面积比常规空气燃烧条件下少。

Impact of Separator Thickness on Temperature Distribution in Single Polymer Electrolyte Fuel Cell Based on 1D Heat Transfer

It is known from the New Energy and Industry Technology Development Organization (NEDO) roam map Japan, 2017 that the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) power generation system is required to operate at 100°C for application of mobility usage from 2020 to 2025. This study aims to clarify the effect of separator thickness on the distribution of the temperature of reaction surface (Treact) at the initial temperature of cell (Tini) with flow rate, relative humidity (RH) of supply gases as well as RH of air surrounding cell of PEFC. The distribution of Treact is estimated by means of the heat transfer model considering the H2O vapor transfer proposed by the authors. The relationship between the standard deviation of Treact-Tini and total voltage obtained in the experiment is also investigated. We can know the effect of the flow rate of supply gas as well as RH of air surrounding cell of PEFC on the distribution of Treact-Tini is not significant. It is observed the wider distribution of Treact-Tini provides the reduction in power generation performance irrespective of separator thickness. In the case of separator thickness of 1.0 mm, the standard deviation of Treact-Tini has smaller distribution range and the total voltage shows a larger variation compared to the other cases.

螺旋金属燃料多物理耦合分析方法与概念设计研究

螺旋金属燃料具有导热系数高、导热路径短、强制旋流交混的特点,可实现更高的堆芯功率密度,进而减小堆芯体积,提高反应堆的安全性和经济性。本文介绍了上海交通大学反应堆热工水力实验室建立的螺旋金属燃料热工水力、中子物理、力学特性分析方法及多物理耦合分析框架。在热工水力方面,基于自研仪器实现了交混及沸腾临界行为精细化测量,建立了三维及精细化子通道分析方法;在中子物理方面,建立了适用于特殊能谱、复杂几何的截面及稳瞬态中子物理特性的分析方法;在力学方面,基于分子动力学方法建立了U-Zr合金燃料基础热物性模型,并开展了辐照条件下螺旋棒宏观力学特性研究。基于热工-物理-力学多物理分析和优化,提出了螺旋金属燃料组件及堆芯设计,具有无硼化、堆芯功率密度高、体积小、换料周期长的特点。

气隙对燃料板矩形通道鼓泡工况流动传热行为的影响研究

利用Fluent软件针对核反应堆板状燃料组件出现的鼓泡现象进行了数值模拟研究,通过动网格技术模拟气体和固体鼓泡的换热流动特性,并对比了裂变气体鼓泡和以往研究中固体鼓泡的区别。研究发现:气体鼓泡会导致局部温度升高,并且相较于固体鼓泡,会显著提高局部热通量密度,其中鼓泡周围热通量密度提高3倍,但燃料板整体热通量变化较小;鼓泡的形成会使局部换热能力提高约10%,鼓泡侧热通量提高约4%;在高流速条件下,鼓泡的存在会导致燃料板两侧流体产生较大的压力差,使得燃料板发生变形,甚至堵塞流道。这些发现为核燃料板的设计和安全评估提供了重要依据。

基于平板热管的高温质子交换膜燃料电池堆启动特性

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)运行温度约160℃,较传统低温电池具有更佳的电化学反应动力学、更简单的水热管理和更高的CO耐受性等优势。但运行温度提高,如何实现HT-PEMFC的快速预热启动成为制约其应用推广的重要挑战之一。当前工作中,针对一个额定功率为500W的HT-PEMFC电堆,尝试利用一种平板热管(FHP)对该电堆进行预热启动。设计搭建了实验装置,从预热时间、温度分布、传热量分布等方面对这一方法进行评估。实验结果表明,提高加热功率可以显著缩短预热时间,500W时预热耗时3000s,1500W时则仅需980s;但同时也造成温度均匀性出现恶化,500W时竖直方向最大温差约28℃,1500W时该温差则达到了80℃。此外,水平方向的温差也随加热功率的提高而增加,且越靠近热源的区域越明显,最高达15.7℃,这无疑会加速质子交换膜的机械失效。实际中,应在不过多影响电池运行寿命的前提下,提高加热功率以缩短启动时间。

冷却表面温差对高温质子交换膜燃料电池性能的影响

通过建立高温质子交换膜燃料电池数学模型,模拟了冷却表面存在不同温差时燃料电池内热-电-质的传输特性,分析了温差对电池内温度分布、氧浓度分布、极化曲线、膜质子电导率和电流密度的影响。结果表明:膜内温度和质子电导率随着冷却表面温度的降低而降低;催化层内的局部氧浓度随着冷却表面温差(即温度梯度)的增大而增大,但电流密度受温度及反应物浓度双重因素影响,电流密度及功率密度随着温度梯度的增大而下降。当冷却表面温度梯度从0增加至0.82 K/cm时,峰值功率密度从0.578 W/cm2下降到0.523 W/cm2,下降了9.52%。控制工作电压大于0.5 V、温度梯度小于0.20 K/cm时可获得较好的电流密度均匀性。当工作电压为0.5 V,冷却表面温度梯度为0.20 K/cm时,电流密度均匀性为92.71%。

热管堆固态堆芯燃料辐照-热-力耦合性能分析

热管冷却反应堆(简称:热管堆)具有高可靠性和固有安全性、体积小、模块化和全固态堆芯等特点。固态堆芯燃料服役过程在高温、强辐照、固态约束多因素作用下堆芯的传热和力学性能受到严重影响,基体接触导致应力与间隙换热都随燃耗加深而发生较大非线性改变,且两者相互影响,因此基体在服役过程中的多物理场耦合的辐照-热-力行为复杂。本文基于有限元多物理场分析软件针对固态堆芯燃料开展辐照-热-力耦合分析,考虑UO2芯块与316不锈钢基体的辐照变形效应以及蠕变效应,并在固态堆芯间隙中引入间隙传热模型,探究固态堆芯寿期内间隙变化特点以及传热和力学耦合作用特性。结果显示:基体与燃料包壳的完全接触会导致芯块温度上升以及基体与包壳蠕变现象加强,燃料棒周围平均热管数量较少会导致附近区域较高的温度和应力分布,且寿期中该区域包壳因燃料棒内压和基体-包壳接触压力具有蠕变失效风险。分析结果表明间隙接触会对热管堆固态堆芯的传热和力学性能造成影响,甚至提高包壳的失效风险。

高密度碳氢燃料JP-10流动换热及热裂解结焦实验研究

基于再生冷却技术研究背景,在热通量100~2000 kW/m^(2)、常压~6 MPa条件下,于Ф4 mm×1 mm高温合金钢圆管内开展了高密度吸热型碳氢燃料JP-10的流动换热特性和热裂解结焦特性实验研究。研究表明,压力2MPa下,1204.6 kW/m^(2)是煤油发生偏离核态沸腾的临界热通量。亚/超临界压力下JP-10部分流动换热区域可划分如下:入口效应区、强制对流换热区、(拟)过冷沸腾区、(拟)饱和沸腾区等。流体温度是主导燃料结焦的主要因素。压力2、4、6 MPa下,燃料结焦起始点流体温度分别为679、652、643℃。壁面温度在高结焦反应发生后对结焦量产生同步影响。压力升高,燃料管内结焦加剧,高温燃料在管道内停留时间增加是主要原因。

微生物电化学技术原理及其在畜禽废弃物资源化领域的应用研究进展

畜禽养殖集约化生产过程中排放的废弃物会对当地生态环境造成巨大压力。通过硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)小分子酸代谢、奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis)有氧无氧代谢、导电菌毛(electrically conductive pili)直接接触和电子穿梭物质介导的胞外电子传递等呼吸代谢的理论研究,明确了电活性模式微生物的中心碳代谢途径、胞外电子传递过程及主要调控机制。基于对电活性菌呼吸代谢过程的理解,已开发并优化了以微生物燃料电池、微生物电解池和电场辅助好氧堆肥为主的多种微生物电化学系统。在降低化学需氧量、温室气体排放、抗生素和耐药基因等有害物质含量的同时,提高发电效率、阴极高附加值产物和有机肥腐殖质含量。综述了微生物电化学理论的研究进展并系统介绍了微生物电化学技术在畜禽废弃物资源化方面的应用研究,以期为畜禽废弃物资源化利用工艺的多元化发展提供参考和理论支撑。

第三类加热边界条件下超临界正癸烷的流动换热和热裂解特性研究

为深入理解不同类型热边界条件下碳氢燃料流动换热和裂解特性,对第三类加热边界条件下圆通道内超临界正癸烷的流动换热和热裂解特性开展了数值研究,并与等热流和等壁温加热条件下的结果进行了对比。结果表明:管内对流换热热阻的沿程变化和管道内外温差的缩小会造成不均匀的壁面热流分布和壁温分布。通过将第三类加热边界条件下的结果与等热流加热条件下的结果进行对比发现,第三类加热条件下换热恶化程度更低,最高壁面温度由1 219 K降低到1 175 K;与等壁温加热条件下的结果相比,第三类加热条件下壁面热流密度变化规律相似但变化范围和幅度更小,在加热段后半段,其转化率和压降均低于等壁温加热条件,出口处两种条件下的转化率相差约4%。

高原环境下柴油机性能降低及恢复特性

中国海拔超过2 000 m的地区约占国土面积三分之一,青藏高原平均海拔更是达到4 000 m以上,柴油发动机作为重要的动力来源在工程施工、管道输送、车辆运输等方面担任重要角色。采用GT POWER软件建立了柴油发动机仿真模型,利用柴油机台架实验,验证了平原环境下不同转速时仿真模型的计算精度。采用柴油发动机仿真模型研究了不同海拔条件下柴油机功率的变化规律,海拔每升高1 000 m发动机输出功率减小8~12 kW,随着海拔的升高,发动机输出功率降幅呈现先增大后减小的变化趋势,在海拔3 000 m时降幅最大。采用量化分析,分别从调整喷油量、涡轮增压、含氧燃料等方法模拟了不同海拔条件下发动机性能恢复特性,研究了高海拔条件下不同方法的提升效果。

氢燃料电池局部动态特征三维模型

车用燃料电池运行过程中,动态负载可能引起电池局部物理量剧烈变化,进而导致电池性能和使用寿命急剧下降。为了防止上述问题的发生,需要深入分析动态工况下电池局部动态特征。本研究考虑膜电极7层结构特征、气体组分扩散以及气液两相宏观对流带来的能量输运,同时考虑水在气-液-膜三相之间相变引起的局部能量变化,建立了燃料电池两相、非等温、三维动态物理模型,揭示动态载荷下燃料电池内部特征,特别是在流道方向和极板沟脊下催化层区域的热质输运以及电化学反应动态响应特征,并阐明了动态行为形成机理。研究结果显示,在电流负载阶跃过程中膜电极内部存在显著的热质时空响应不均现象,导致变载过程中电池输出电压下冲约20 mV,引发额外功率损失和产热,从而造成局部温度进一步上升。

具有堵块结构的PEMFC阴极流场的传质性能

建立具有堵块结构的质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极流场模型,分析堵块的布置方式(上方、下方、上下交错)和孔隙率对流道和扩散层内气体流动特征(速度、压力和氧气摩尔浓度等)的影响,以及对流道中间和出口处堵块的前中部位垂直于流道方向的传质影响。通过可视化实验分析液态水在具有不同堵块高度流场中的运动特性。当矩形堵块布置在流道上方时,在中间和出口处堵块的前中后部位都能获得更好的垂直于流道方向的传质性能;流道上方布置矩形堵块能加速液态水的排出。当堵块高度为50%流道高时,流场大多数液滴的灰度值为40~70,已经对流道造成堵塞;当堵块高度为70%流道高时,多数液滴的灰度值为70~90,且较多液滴分布在流道出口处,液态水排出较为通畅。

碳载体在质子交换膜燃料电池中的应用及优化

随着能源危机和环境污染不断加剧,人们对高能量转换效率且低污染装置的需求日益迫切。质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种高效能、零污染的绿色能源转换装置,被认为是替代传统能源的有望选择之一。目前,要使汽车燃料电池系统具有市场竞争力仍面临成本和耐久性的挑战。当前降低成本的主流方式为降低催化剂上的铂负载,然而,较低的铂负载通常也意味着较小的催化剂表面积,更大的传质阻力,从而导致性能损失。此外,耐久性问题也是制约燃料电池汽车发展的一大阻力,尤其是碳腐蚀问题。本综述从优化碳载体的角度出发,结合目前研究现状,深入探讨了传质和碳腐蚀两方面的不同优化策略,并对未来碳载体的发展方向进行展望,可为新型碳载体的构建提供参考。

图案化微米线阵列Nafion膜制备及燃料电池性能

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)中商业Nafion膜的平整表面结构造成膜和催化层界面接触面积偏小,Pt基催化剂利用率低,仅有25%~35%。为了提高催化层中Pt利用率,本工作以荷叶表面自然生长的乳突结构为模板,采用PDMS铸模剂复刻荷叶表面微观结构,再将图案化纹理结构精确转印到Nafion膜表面,分别构筑了平均直径为(5.89±1.45)μm和(6.95±1.70)μm的微米线阵列结构。用图案化Nafion膜组装的单电池性能显著提升,最大功率密度由0.625W/cm^(2)提升至0.757W/cm^(2)。通过构建图案化结构能增强Nafion膜表面疏水性,强化传质效率,降低膜电极反应电阻和内阻。通过循环伏安曲线考察了Nafion膜上微米线阵列结构对Pt催化剂利用率的影响,Pt基催化剂的电化学活性面积(ECSA)结果提高了151%,Pt利用率提高至43.4%。在Nafion膜表面构筑微米线阵列有利于形成电子/质子/反应物的三相反应界面,改善质子交换膜与催化层间界面结构,显著提升了Pt利用率。

PUREX流程化学试验简易传质应用模型

在动力堆乏燃料后处理化学试验阶段,由于设备选型、安装精度的差异,很难制定明确的酸传质平衡验收准则。为提升化学试验规范化水平进行了酸传质实验,测定了纯酸体系下的分配系数工程经验方程,在萃取平衡后水相硝酸浓度2.09mol/L时达到峰值0.223,并依据经验方程建立了PUREX流程化学试验简易传质应用模型,最终制定了适配的酸传质平衡验收准则。

氮掺杂多孔碳材料阳极制备及其在微生物燃料电池上的应用

微生物燃料电池(MFCs)作为一种可以替代传统能源的生物电化学系统引起研究者的极大兴趣,其阳极材料的构造是目前的研究热点.本文从改善阳极材料表面物理化学性质的角度出发,用吐司作为多孔碳前驱体,三聚氰胺为氮源,直接烧制氮掺杂三维碳材料,并与不添加氮源的阳极材料和未改性的商用碳布进行比较.制备的掺氮NB1000阳极具有较大的比表面积(216.664 m^(2)·g^(-1))和优良的电导率.利用Geobacter和Shewanella混合菌落在微生物燃料电池(MFCs)中进行培养和性能评价,NB1000阳极的微生物燃料电池最大面功率密度为3049.714 mW·m^(-2),电流密度为7.4464 A·m^(-2),分别是普通碳布阳极的6.54倍和1.54倍.结果表明,NB1000作阳极的MFCs具有较高的功率密度,主要归因于阳极中引入氮掺杂,促进了产电微生物胞外电子传递过程所需的外膜c型细胞色素OmcA和MtrC的分泌.

质子交换膜燃料电池均温板散热特性的数值分析

以面向质子交换膜燃料电池电堆散热的超薄均温板为研究对象,用多孔介质传热模型、层流模型和Brinkman方程构建三维稳态数值模型,通过质量守恒确定气液界面的相变传质,研究在吸液芯饱和充液的常规工况下均温板的稳态特性。结果表明:超薄结构以及支撑柱的存在使内部压降较大;随着冷凝段对流换热系数的增大,均温性变差,内部压降也显著增大;随着热流密度的增大,温差先增大后减小,热阻持续下降;孔隙率的变化对平衡终态影响较小;渗透率的增大将极大的降低吸液芯内的液体压降,有利于相变循环。

燃料分级对贫预混多喷嘴燃烧器火焰动态响应特性影响的实验研究

贫预混多喷嘴燃料分级技术可以有效降低局部热负荷,从而降低NOx排放并拓宽工况范围,是现代重型燃气轮机低排放燃烧室的主要燃烧方式。本文开展了燃料分级及当量比变化对贫预混多喷嘴燃烧火焰动态响应的影响研究。利用扬声器产生火焰的受迫振荡,利用压力脉动传感器与光电倍增管完成了多喷嘴火焰响应特性的试验分析。试验表明,燃烧室内压力波动与热释放率波动随扰动频率同步变化。当量比低于0.53时,多喷嘴火焰传递函数呈现单峰的特征。当量比大于0.64时,多喷嘴火焰传递函数呈现双峰特征,且火焰响应增强。延迟时间τ随着当量比的增大而减小。燃料分级将使得火焰动态响应特征频率发生偏移。增加喷嘴数量使得火焰传递函数幅值上升,火焰响应增强,峰值频率增大,延迟时间偏短。对于采用多喷嘴燃料分级技术的燃烧室,负荷上升将导致火焰趋于不稳定。

质子交换膜燃料电池随行波流场设计与传质特性

为了提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)的膜电极的传质性能与电池的功率密度,设计了一种以圆弧凹面作为强化传质结构的随行波流场板。结合铣削工艺,实现了随行波流场结构的制造。采用计算流体动力学软件,建立包括随行波流场与膜电极在内的燃料电池三维模型。实验验证了该模型的准确性。探索了强化传质结构对电池内部速度场、浓度场及电场的分布规律,分析了电池性能的提升效果。结果表明:与流道深宽0.6 mm×0.8 mm的常规流场相比,该文的随行波流场的平均流速提升了27.7%,压损降低了19.2%,双极板—气体扩散层界面的氧气含量提升了1.44%,出口的排水速率增大16.7%,功率密度提升了8.6%。