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。

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%。

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。

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%。

富氧燃烧条件下加热炉内辐射传热分析

为了获取加热炉富氧燃烧的最佳氧气体积分数,对灰气体加权和(WSGG)模型进行改进,使其适用于富氧燃烧条件下的气体辐射传热计算,并利用改进后的模型研究了富氧燃烧条件下加热炉内温度和氧气体积分数对烟气发射率和钢坯表面热流密度的影响.结果表明:随着烟气温度的升高,在增氧燃烧方式和干烟气再循环燃烧方式下,烟气发射率均先增大再减小,在湿烟气再循环方式下,烟气发射率持续减小;在增氧燃烧方式下,烟气温度超过1300 K后,钢坯表面热流密度的降低幅度逐渐增大,而在烟气再循环燃烧方式下,钢坯表面热流密度随烟气温度的升高呈线性下降趋势;随着氧气体积分数的增加,增氧燃烧方式下钢坯表面热流密度增加幅度较大,该燃烧方式下加热炉内预热段、加热段和均热段的最佳氧气体积分数分别为30%~34%,28%~31%,26%~28%;而在干湿烟气再循环燃烧方式下,随着氧气体积分数的增加,炉内钢坯表面热流密度仅略有增大.

环形多孔介质再生冷却通道内超临界正癸烷换热数值研究

针对航空发动机再生冷却热防护问题,设计了环形多孔介质通道,探究了多孔介质材料、孔隙率和环形厚度对再生冷却通道内超临界正癸烷换热的影响机制。考察了通道截面流体温度、流线和湍动能的分布情况,通过综合换热系数对流动换热性能进行综合评判,选取最优多孔介质材料为紫铜。考虑孔隙率和环形厚度影响,建立了以紫铜为环形多孔介质材料条件下超临界正癸烷的换热关联式。数值结果表明,环形多孔介质破坏了热边界层,增强了湍流强度,其热弥散效应也起到了良好的强化换热作用。紫铜的孔隙率小、环形厚度大时,通道综合换热性能更好。最佳的孔隙率为0.3~0.5,环形厚度为0.2~0.4 mm。

M310机组乏燃料厂房大厅温度低原因分析及优化措施

福清核电1~4号机组均设置有核燃料厂房通风系统,该系统主要为维持设备完成一般功能所需要的环境温度、限值环境空气中水蒸气含量,避免水蒸气在乏燃料水池大厅内壁结露及在事故情况下,把排风的放射性降低到居民可接受及允许排放的水平。核辅助厂房通风系统是连续运行的直流式全新风系统,当环境温度低时,核辅助厂房的温度通过热水生产系统9SES与核岛冷冻水系统DEG共同作用,以维持各厂房温度在要求范围之内,然而福清核电1~4号机组乏池燃料大厅在冬季频繁出现DVK031KA乏燃料厂房温度低报警,该报警的出现违反FSAR要求。因此本文从乏池大厅热量传导、温度控制出发,通过计算相关热量损失、设备手自动运行及实验验证对比的方式分析乏池大厅温度控制,最后提出相关改进措施以实现满足乏池大厅温度控制的要求。

顶烧/侧烧燃烧方式对全氧燃烧玻纤窑炉温度场流场影响的数值模拟研究

为优化全氧玻纤窑炉燃烧系统,提高窑炉传热效率,本文采用数值模拟方法探究了全氧燃烧玻纤窑炉顶烧与侧烧两种燃烧方式对燃烧空间温度场、烟气流场、玻璃液温度场和传热效率的影响。结果表明:顶烧窑炉火焰聚集,燃烧空间温度差异明显,侧烧窑炉火焰在窑长方向上均匀分布,燃烧空间整体温度高于顶烧窑炉;侧烧方式对大碹和胸墙耐火材料高温侵蚀程度更高的可能性更大;侧烧窑炉高温烟气在燃烧空间中停留时间延长有利于烟气与燃烧空间内气流和耐火材料进行热交换,统计得到侧烧窑炉出口烟气平均温度更低;侧烧窑炉玻璃液沿窑宽方向上温度分布较均匀,顶烧玻璃液平均温度为1531℃,高于侧烧玻璃液平均温度1523℃;顶烧窑炉传热效率为52.3%,侧烧窑炉传热效率为51.9%,顶烧窑炉和侧烧窑炉采用相同天然气供应量、电助熔功率、玻璃液熔化量条件下,顶烧窑炉中喷枪火焰直接作用到玻璃液和配合料层,传热效率更高。

加热炉排烟热量损失和炉体散热损失探讨

提高加热炉热效率需要进一步降低排烟热量损失、减少炉体散热损失。文中对负荷相当的两台加热炉进行计算分析。当排烟温度为80℃时,排烟热量损失占比约为3%;若要将排烟热量损失占比降为2%,则排烟温度接近空气的露点温度,会产生大量凝结水,将会出现露点腐蚀等问题。当设计外壁温度为80℃时,系统总散热损失可能大于放热量的3%,其中余热回收系统散热损失占比大于1%;在环境风速为2 m/s的工况下,系统总散热损失占比约增加0.3百分点。当设计外壁温度为65℃时,系统总散热损失占比约为2.5%,其中余热回收系统散热损失占比约为1%。加热炉热强度越高,炉体结构尺寸越小,散热损失越小,实际运行时加热炉热效率越高。

金字塔状挡板影响PEMFC性能研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC)流道结构主要影响气体流动、扩散和电化学反应。通过建立金字塔状流道挡板的PEMFC三维模型并进行数值模拟,探讨不同金字塔状挡板比率和挡板数量对燃料电池传质特性和输出性能的影响。结果表明:在流道内增添金字塔状挡板与无挡板流道相比,最大可提高气体垂直速度分量93.7%,进而提升气体由流道向催化层的传输性能;在金字塔状挡板比率为0.25,挡板数量为1时,燃料电池净功率最高可达到0.107 W。此外,增大挡板比率和增多挡板数量均可持续提高传质性能,但流道压降同时也会有最大18.5%的上升,使得PEMFC输出性能下降。