制冷与低温工程研究所实验室建设与管理探索

随着国家对制冷与低温工程学科科研的不断投入,上海交通大学制冷与低温工程研究所的科研内容、设备种类和数量等都发生了显著变化。对进一步提高实验室的安全性、科研场地的利用率以及设备的共享率等做了一些探索,针对自身的特点和问题采取了相应的措施。

车用动力电池不同冷却方式的模拟及实验研究

本文基于维持动力电池合适工作温度区间的目标和保证电池在各个应用场景下安全高效运行的考量,针对某款标准箱动力电池包设计了冷板和浸没式的冷却系统,进行了结构优化,并对比研究了二者的冷却性能。结果表明:经过结构优化后,采用冷板冷却的电池包,出口压降为30 Pa,电池表面最高温度为31.65℃,电池表面最大温差为6.51℃;采用浸没式冷却的电池包,电池周围采用2 mm绝缘浸没工质包裹,一个标准箱工质充注量为10.93 L,出口压降为22 Pa,电池表面最高温度为28.49℃,电池表面最高温差为2.39℃。对比模拟结果与实验结果发现,各项性能数据偏差在2%以内,仿真模型具备较高的精度。对比冷板和浸没式冷却系统的冷却效果,优化后的浸没冷却系统,冷却效果优于原冷板冷却系统,进口流量从4 L/min降至2 L/min,降低了工质泵耗,同时电池表面最大温差降低了4.12℃,提高了电池表面的温度均匀性。研究表明,相比于冷板冷却,浸没式冷却在降低电池表面平均温度、最高温度与表面温差方面效果更显著。

上海交通大学王如竹教授获国际吸收吸附热泵Georg Alefeld纪念奖

8月22—25日,由德国柏林工业大学主办的第21届国际吸收吸附热泵大会(ISHPC 2021)线上召开,《制冷技术》主编、上海交通大学王如竹教授获国际吸收吸附热泵GeorgAlefeld纪念奖(GeorgAlefeld MemorialAward)。此次授奖主要是表彰王如竹教授在吸收吸附热泵领域,为学术创新、人才培养和产业推动做出的杰出贡献。

低温储粮太阳能吸附式制冷系统研究

低温储粮是一种具有广阔应用前景及实用价值的科学储粮方法。从降低低温储粮能耗的角度出发，设计与建造了一种用于低温储粮的太阳能吸附式制冷系统。该系统主要由太阳能热水子系统、吸附式制冷机、冷却塔及风机盘管单元构成。在中央贮备粮某直属库对该系统进行了实验运行，测试分析了其热性能。实验结果表明：系统的太阳能制冷系数约为0．1～0．13，电制冷系数约为2．0～2．77。与传统的谷物冷却机相比，该太阳能吸附式制冷系统具有较大的节能优势。

基于斯特林制冷机的氦气氛高低温箱深冷试验研究

为了模拟航天产品试验所需极端温度环境和测试航天产品在较大升降温速率条件下的耐受能力,研制了区别于传统热真空罐的氦气氛高低温试验箱,其净空间尺寸为2m×2.2m,可以通过强制对流与辐射换热相结合的方式提高升降温速率.同时,以液氮和四缸两级斯特林制冷机为双冷源,对高低温箱的降温性能进行测试,考察了高低温箱内空间的降温极限以及达到多个目标温度的降温速率等.结果表明,在液氮与斯特林制冷机共同作用的条件下,通过氦气的强制对流、再将氦气抽除的技术手段,可使热沉温度降至-210℃以下.

热容和热阻法抑制低温制冷机冷头温度波动实验研究

为了满足基于低温制冷机的干式低温恒温器温度稳定性需求,本文采用基于氦气的热容法和基于不锈钢叠片的热阻法,研究了4~20 K温区其对二级G-M低温制冷机冷头温度波动的抑制效果。实验结果表明:在4.2 K温区热容模块充注9 mL液氦可将冷头温度波动减小75%左右;但随着恒温器控温点的升高,难以保持高效的控温稳定性和波动抑制效果;相比热容法,热阻法可有效地将与冷头相连的恒温块温度波动降低一个数量级;对比分析不同厚度热阻片的作用效果,发现采用厚度超过0.5 mm以上的不锈钢热阻片可使恒温块的温度波动抑制在10 mK以内。

“可再生能源与建筑集成技术研究与示范”项目——课题四/示范工程:上海闵行区档案库地热应用

档案库房室内不适宜的温湿度会影响档案的保存。采用地源热泵空调系统满足档案库房需要的室内恒温恒湿,能够有效的节约能源。同时,对于上海地区有时需要制冷,有时需要供热,有时需要除湿,有时需要加湿的情况,采用一套地源热泵空调系统就能够满足。实验测试表明,在上海市闵行区档案保管中心,地源热泵空调系统能够满足档案库房室内温湿度的要求,而在夏季运行时采用的冷凝热回收技术能缓解夏季土壤的热堆积问题。

低温制冷热点研究

1会议基本情况 第5届国际低温制冷会议（The5thInternational Conferenceon Cryogenicsand RefrigerationICCR2013）于2013年4月6-9日在浙江大学紫金港校区举行。会议由浙江大学主办，上海交通大学、中国制冷学会和国际制冷学会协办，浙江大学邱利民教授和上海交通大学王如竹教授担任会议主席。

基于LNG冷能的低温动力循环研究进展

液化天然气(LNG)是一种应用日趋广泛的清洁能源,构建LNG冷能低温动力循环成为回收冷能的重要途径。本文首先讨论了LNG侧参数、循环工质、设备进出口参数等重要参数对基本LNG冷能动力循环的影响;其次分析和总结了诸多LNG冷能动力循环的结构改进类型,包括朗肯循环、布雷顿循环、卡琳娜循环和复合循环。文章最后指出了参数研究的实际工程意义和循环结构改进的多样性,并指出下一步研究应围绕有机混合工质组分配比、模拟与实验相结合等方面展开。

基于模糊PID的低温环境试验系统控制特性研究

将模糊控制和增量式PID控制相结合,针对双调节阀协同工作的液氮蒸发制冷低温环境模拟试验系统,设计了一种模糊PID温度控制策略。通过开展预试验与系统辨识,确定了被控对象的状态空间模型,并在此基础上对试验系统的温度控制特性进行仿真研究。结果表明,和传统PID控制相比,模糊PID控制调节迅速、控制精度高。在此基础上,基于某实际试验系统开展了温度控制试验。试验和仿真结果证明,模糊PID方法在大型低温环境模拟试验系统温度控制中具有良好的精度和稳定性,该控制方法易于应用于同类试验系统,对相关应用中温度控制策略的设计具有指导意义。

低温真空泵用紧凑型两级G-M制冷机实验研究

文章详细描述了针对低温真空泵用的紧凑型两级G-M制冷机的实验系统和测试方法;试验测试了不同的蓄冷材料,尤其是磁性蓄冷材料来提高制冷机性能;在一种结构十分紧凑的两级G-M制冷机上,在12K获得了4W的制冷量,最低制冷温度为7.3K。文中还对该制冷机在没有吸附装置的情况下做了对比实验研究,有利于扩展G-M制冷机的用途。

带回热器的CO_(2)列车热泵系统低温工况制热性能实验研究

本文研制了一套带回热器的CO_(2)列车热泵系统,并在标准焓差台中实验研究了不同工况参数对系统低温制热性能的影响,结果表明系统最优充注量7~8 kg,此时蒸发器出口过热度接近零。在环境温度为7℃时系统制热量及性能系数(COP)分别达到31.1 kW和2.59。环境温度是影响系统性能的关键因素,当环境温度从7℃下降到-18℃,系统制热量和COP分别下降了66.1%和43%。最优高压是CO_(2)跨临界循环的热点研究问题,也是影响其性能的重要参数之一。本文根据试验结果拟合出了适用于列车的CO_(2)热泵系统最优高压关联式,为列车CO_(2)热泵系统的实际应用提供指导。

多联式热泵空调用电子膨胀阀进出口流向控制对节流噪声影响的实验研究

多联机热泵空调用电子膨胀阀因具有进出口管相互垂直的结构特性,使制冷剂具有以垂直阀针轴线方向和以平行阀针轴线方向进入电子膨胀阀两种流向形式,制冷剂在这两种流向型式下节流时产生的节流噪声具有明显差异,需要明确进出口流向控制对节流噪声的影响。设计并搭建了可对流经电子膨胀阀的制冷剂进行状态调控和流型观测且可对节流噪声的声压级进行测量的实验装置,获得了不同制冷剂流量和干度工况下制冷剂流向对节流噪声的影响规律。研究表明:制冷剂从与阀针轴线方向垂直的进口管流入时,节流噪声主要表现为制冷剂节流空化时产生的空泡溃灭噪声,声压级范围较低;制冷剂从与阀针轴线方向平行的进口管流入时,节流噪声表现为空泡溃灭与阀针振动相互耦合的噪声,声压级范围较高;在实验中这两种流向下节流噪声的声压级范围分别为47.1~57.1 dB及61.9~67.7 dB。通过对空调系统的制冷剂流向进行优化设计,保证制冷剂始终从与阀针轴线方向平行的进口管流入电子膨胀阀,可降低多联机热泵空调系统在运行过程中的噪声水平。

低温真空泵用紧凑型两级G-M制冷机实验研究

详细描述了针对低温真空泵用的紧凑型两级G-M制冷机的实验系统和测试方法,试验测试了不同的蓄冷材料,尤其是磁性蓄冷材料来提高制冷机性能,在一种结构十分紧凑的两级G-M制冷机上在12K获得了4W的制冷量,最低制冷温度为7.3K。还对该制冷机在没有吸附装置的情况做了对比实验研究,有利于扩展G-M制冷机的用途。

上海某数据中心精密空调节能运行策略研究

随着信息技术的不断进步,提供传递、计算、储存信息等IT服务的数据中心发展迅速。由于数据中心的高能耗特征,其能耗控制对降低数据中心碳排放十分重要。选取上海某水冷冷却架构的数据中心为研究对象,提出其末端送风温度和风机功率依据机房负载率进行调控的节能控制策略,从而避免机房的过度制冷和能源浪费等现象的发生。利用计算流体力学方法对测试机房进行数值模拟,研究不同负载率条件下改变送风温度和送风量对机房热环境的影响,并进行末端节能控制优化研究。结果表明:在不同负载率条件下,将送风温度从20℃提升至22℃,将风机送风风量比例降低20%~50%,机房热环境仍在温度控制要求内保持稳定。通过数值模拟研究获得了数据中心机房的送风温度和风量在不同负载率条件下对机房热环境影响情况,可为数据中心末端节能控制优化提供理论基础,也为数据中心进一步降低PUE等能耗指标提供了参考。

基于制冷机的稳态与动态低温温度计标定研究

本文基于两级G-M制冷机搭建了高精度控温低温温度计标定系统,最低温度可至3.2 K。为降低制冷机冷头温度波动对等温载体的干扰并提升稳态标定温区上限,在冷头与等温铜块之间插入多层不锈钢片制造传热热阻,实现了4 K^150 K稳态标定温区内等温载体±1 m K以内的温度波动。以温度偏移量小见长的渗碳陶瓷温度计为例进行标定,对比了4 K^90 K稳态标定与动态标定的精度,发现动态标定在60 K以下最大偏差为0.28 K,而稳态标定偏差仅0.05 K,总体上温度越低,偏差越大;60 K以上最大偏差为0.08 K。本文据此提出了4 K^60 K稳态标定与60 K以上动态标定相结合的温度计标定方法,实现了4 K^310 K全温区0.08 K以内的标定偏差。

液氧液甲烷同温共底贮存瞬态热力特性仿真研究

针对大面积冷屏保护下的液氧/液甲烷同温共底贮箱,建立了耦合真空多层绝热与主动制冷系统的瞬态传热模型,研究了液氧/液甲烷共底自增压与零蒸发贮存过程中贮箱外部绝热结构与内部气液相的热力参数变化规律,讨论了共底夹层采用不具有绝热能力的材料对液氧/液甲烷共底零蒸发贮存特性的影响。研究结果表明,在适当的冷量输入条件下,大面积冷屏方案可以实现外界漏热的有效阻挡;采用铝合金共底夹层有利于稳定液氧和液甲烷的共底贮存状态,使液氧/液甲烷在20 h内快速达到热平衡;在零蒸发贮存周期内,液氧/液甲烷共底贮存温度波动小于0.2 K,压力波动小于2.46 kPa且具有抗热扰动的能力。

基于微通道低温精馏技术的丙烯/丙烷混合物分离CFD模拟

针对相对挥发度低、难以分离的混合物的低温精馏分离过程,建立了一套基于微通道精馏(MCD)的CFD模型并开展了深入的模拟研究。通过多物理场耦合,实现了对丙烯/丙烷两相流在微通道精馏设备内部相变传热和精馏传质过程的模拟。基于麦克斯韦-史蒂芬扩散模型,对不同温度、摩尔浓度条件下混合物的传质系数进行模拟计算。模拟结果显示经过3.8 mm的微通道精馏设备,可在170 kPa条件下对冷端235 K、热端239 K的液态丙烯/丙烷混合物进行高效分离,将产品丙烷的浓度由1%提升至2.1%。对模拟结果进行了优化分析,得到了结构、流场和温度对精馏传质效率的影响。研究成果对微通道低温精馏系统的精馏效率提高具有指导意义。

用于温室降温的透明辐射薄膜研究

为了缓解夏季温室内高温导致的作物减产、绝产问题,本文给出了一种适用于夏季温室降温的辐射制冷薄膜。通过在常规近红外反射材料表面结合透明辐射层,可强化薄膜自身的天空辐射制冷效果。实验测试确定了该薄膜在不同波段的光学属性,其中光合有效辐射波段透射率为65.9%,近红外波段透射率为20.9%,中红外波段反射率为88.1%。利用温室环境模型对比不同材料覆盖下的温室气温与降温能耗。模拟结果表明:该薄膜可使上海地区密闭温室内部温度降低11.4℃,选择反射层与透明辐射层的降温贡献分别为6.8℃与4.6℃。使用该薄膜,可使主动降温温室的热泵能耗降低26.9%,节能增产效果显著。

液氮辅助制冷的高低温冲击实验箱系统研究

为了满足高低温冲击实验系统对温度冲击实验的要求,本文基于复叠式制冷系统进行高低温冲击实验,并分析实验结果,得出单一使用压缩式制冷无法满足实验要求。提出了增加一路液氮冷源以获得更大的制冷能力,并建立系统的相关参数模型。基于所建立的模型进行了相关的模拟与实验,实验与仿真结果表明:增添液氮辅助降温系统能够强化低温箱系统的制冷能力,实现了实验条件的恢复时间由最初的19 min缩减到5 min以内,并且温度的上升幅度由20℃降至8℃,满足了低温冲击实验的要求。