大科学工程建设低温工程技术发展现状及前沿科学技术问题

针对大科学工程中低温系统的应用开展研究,重点讨论了国内外典型的大科学工程中低温系统的应用情况,分析了各自的特点,总结提炼了低温工程技术发展相关的关键科学技术前沿问题,为大型低温系统的科学技术研究和应用提出了发展方向。

高精度低温温度稳定性的实验研究

为了抑制制冷机二级冷头的温度波动,建立了温度波动的理论模型,分析了抑制制冷机二级冷头温度波动的影响因素,并设计了满足高精度低温温度测量要求的恒温器,完成了制冷机空载、热阻和热容的实验。实验结果表明,利用热阻的方式能够有效的抑制制冷机冷头的温度波动,在4.2—20 K时样品架处温度波动的峰峰值小于3 mK,但其有效制冷量较低;而利用热容的方式抑制温度波动的效果没有热阻明显,其峰峰值为200 mK,但其有效制冷量较高。

低温推进剂贮箱绝热性能实验研究

针对低温推进剂长时间在轨贮存的要求,搭建了绝热系统地面验证测试装置。本测试装置通过维持高真空及恒壁面温度条件,可以较好地模拟在轨条件;通过贮箱颈管处设置的温度补偿器,有效的屏蔽掉颈管导热漏热。测试装置可实时监测系统中的真空度及壁面温度变化,可对贮箱蒸发排出气体流量和绝热系统不同位置的温度分布进行测量。针对10 mm硬质聚氨酯泡沫和30层多层绝热的复合绝热系统,在真空度2×10-3Pa,冷热壁面温度分别为96 K和313 K条件下,测得液氮日蒸发率为0.210%,折算液氧日蒸发率为0.156%。

生物材料纳米低温保存技术研究进展

对新兴的生物材料纳米低温冻存技术的提出、发展做了回顾和总结,重点阐述了纳米颗粒溶液与生物组织的低温响应、纳米颗粒对低温保护剂性能的影响以及纳米颗粒溶液成核相变机理等问题,解读了纳米颗粒用于改善低温保护剂性能的技术途径,剖析了当前该领域的研究现状,并讨论了进一步的发展方向。

冗余体积对低温脉动热管传热性能影响的实验研究

为明晰不同结构参数影响下低温脉动热管(PHP)的传热特性,解决其运行的稳定性、通用性问题,实验研究了冗余体积对液氮脉动热管传热特性的影响。该PHP由内径0.9 mm,外径1.59 mm的10根平行不锈钢毛细管制成,蒸发端、绝热段、冷凝端长度分别为35 mm、100 mm、35 mm。采用长度分别为420 mm、1420 mm的充入管以调节冗余体积的大小,其中小冗余、大冗余体积分别占PHP体积的17.51%、79.86%。实验结果表明,在完全相同的工况下,小冗余体积PHP能达到更高的有效热导率,最大值可达28000 W/(m·K),其极限热负荷相较于大冗余体积PHP多出1倍。此外,大冗余体积PHP的运行过程中出现了传热恶化现象。

单向玄武岩纤维增强树脂复合材料低温力学性能研究

通过纤维浸渍和缠绕技术制备了单向玄武岩纤维增强树脂(BF/EP)复合材料,并对单向BF/EP复合材料在室温和液氮温度(-196℃)下的拉伸、弯曲和压缩力学性能进行了测试。使用扫描电镜(SEM)对断裂试样进行微观形态分析,阐述在低温下其力学性能变化的机理。结果表明,从室温到液氮温度,单向BF/EP复合材料的拉伸、弯曲和压缩强度分别提高了45%,43.3%和51.5%。这是由于在低温下树脂和玄武岩纤维具有良好的界面相容性。同时,从室温到液氮温度,单向BF/EP复合材料最大拉伸和弯曲应变分别提高了27.3%和182.1%。

液氮温区高频热驱动脉冲管制冷机实验研究

优化设计并研制了一小冷量液氮温区高频热驱动脉冲管制冷机,系统轴向长度仅为1.2 m。针对之前系统热效率较低问题,在数值计算的指导下,对高频驻波热声发动机的板叠流道尺寸和热腔进行了优化,并对声压放大器进行了调整。采用4.0 MPa氦气为工质,在发动机端加入750 W加热量获得了68.3 K的最低制冷温度,这是目前国际上报道的高频热驱动脉冲管制冷机的最低制冷温度。加入500 W加热量时,制冷机获得了76.9 K的无负荷最低制冷温度,在80 K时有0.2 W的制冷量。

ADS 2K低温系统超流氦换热特性研究

以ADS 2K低温系统为研究平台,分析了恒温器结构参数中上升管与峰值热量的关系,测量了超导腔液氦池中不同工作温度下的超流氦峰值热量,最后给出了恒温器上升管的设计方法,并验证了ADS低温恒温器上升管设计的合理性。

水平管内四氟甲烷流动沸腾传热实验研究

实验测定了四氟甲烷(R14)在内径为6 mm的水平管内两相流动沸腾传热特性。实验测试的压力范围为0.22—0.60 MPa,热流密度范围19.9—73.6 kW/m2,质量流量范围370—862 kg/m2s。实验结果表明,传热系数随质量流量的增大而有一定程度的上升,而热流密度及饱和压力与传热系数呈明显的正相关关系。将实验数据与已有文献模型的计算结果进行比较发现,Kandlikar模型、Gungor-Winterton模型以及Shah模型与实验数据的关联性较好,平均偏差均在15%以内。

液态空气储能系统低温泵水力特性研究

低温泵是液态空气储能系统释能发电的重要部件,其工作性能对系统储能效率的影响不可忽略,但已有研究关于低温泵对液态空气储能系统效率的影响规律及其在储能工况下的实际工作特性分析尚不充分。针对应用于液态空气储能系统的低温泵,搭建了水力特性测试平台,通过改变低温泵进、出口压力及电机运行频率,测试了不同工况点的水力特性,并在此基础上开展关键运行参数对低温泵性能的影响规律分析。研究结果表明:在实验涉及的工况下,降低泵入口压力、提高泵出口压力和运行频率可提高泵效率,进而提升系统储能效率;所有测试各工况中,当低温泵电机运行频率40 Hz、进口压力0.8 MPa、出口压力为2.8 MPa时,泵效率达到最大值63.7%。

部分流低温液氮泵性能及流动特性仿真研究

对部分流低温液氮泵进行了外特性及内流场特性的数值模拟研究。通过两种数学模型及不同计算方法的对比,以扬程的预测差异为依据,确定了采用SIMPLEC压力耦合方式标准湍流模型最为精准,扬程偏差在4%以内。泵内流场的分析可知,泵的速度流场分布与部分流泵的设计理论相符;模拟的叶片头部的负压区验证了实验中的零压头现象。

液-气引射制冷系统实验研究

流体力学伯努力方程表明,采用较高密度的工作流体可以在相同的速度变换下,获得较大的压力变化。根据这一原理,针对液-气引射制冷系统中的引射器,通过采用高密度的盐溶液和室温液态金属替代传统工作流体水来探究高密度工作流体工作过程中系统的运行特性。并通过结构优化,将喷嘴从简单喷嘴替换成内环型喷嘴,增大喉嘴距等改进措施,提高系统制冷性能。实验研究发现,驱动流体密度对系统制冷性能具有重要影响;内环型喷嘴较简单喷嘴具有明显优势;喉嘴距从5 mm增加到13 mm过程中,系统制冷性能并不是单调提高的,而在10 mm出现最优值;实验得到了几种工作流体的制冷特性,为液-气引射制冷系统的改进提供了参考。

热声发动机非共振自循环换热环路实验研究

为考察非共振自循环换热环路的实际工作特性,将其与热声发动机相耦合,在不同工况下研究了两种厚度的单向阀片对其内部压力分布、换热特性、声功损耗及压比的影响。为减少该新换热环路的阻力损失和声功耗散,提出了一种新型的水冷换热器以取代其中的传统板式换热器。实验结果表明,当由0.1 mm厚的单向阀片所组成的换热环路内的工作气体平均压力为3.0 MPa、驱动频率为66 Hz时,若输入系统内的热量为1.5 kW,换热量为1.05 kW,其热量传输能力已经超过了传统热声换热器。

行波热声发动机中平板与丝网回热器的对比实验研究

制作出了一个平板回热器,将其置入行波热声发动机中与丝网回热器进行对比实验研究。实验结果表明,平板回热器能够有效提高行波热声发动机的输出声功,但是其热效率有所降低。

VM液氦温区制冷机中热压缩机性能的数值模拟与实验研究

对无负载热压缩机进行了数值模拟及实验研究,计算与实验结果表明,无负载情况下热压缩机所获得的压比主要受频率、排出器位移(即扫气量)和冷端温度的影响。排出器位移越大,压比越高;冷端温度越低,压比越高。在现有实验条件下,热压缩机工作在3 Hz时能够获得较高压比,其中排出器位移为6.0 mm时,可以获得的最高压比为1.3。计算结果与实验结果的对比表明两者能够较好吻合。

二氧化碳储能技术研究现状与发展前景

二氧化碳储能(CES)技术是基于压缩空气储能(CAES)和Brayton发电循环的一种新型物理储能技术,具有储能密度大、运行寿命长、系统设备紧凑等优势,具有较好的发展和应用前景。本文介绍了典型二氧化碳储能系统的工作原理和基本特征,指出了系统循环效率(RTE)、储能密度(ESD)的计算方式和评价效果;通过对近期相关国内外文献的讨论,结合二氧化碳储能技术的发展进程,重点梳理了二氧化碳电热储能(TE-CES)、跨临界二氧化碳储能(TC-CES)、超临界二氧化碳储能(SC-CES)、液态二氧化碳储能(LCES)和耦合其他能源系统的二氧化碳储能系统的研究进展,指出了不同系统的优势、不足及适应性应用场景;总结了二氧化碳储能的研究方向、关键技术和主要挑战,最后分析了二氧化碳储能技术在技术研发和面向多场景应用两个层面上的发展前景。综合分析表明,目前二氧化碳储能技术相关研究方兴未艾,且较多为理论研究,还需要进一步朝着系统优化设计、实验验证和产业化应用方向发展,二氧化碳储能技术有望在未来电力储能市场中获得较大发展空间。

分凝分离技术研究进展

分凝分离技术在石油化工、制冷与低温等领域中得到广泛应用,具有强化传热传质、提高系统制冷系数等优点。本文阐述了分凝分离技术的研究背景及意义,回顾了分凝分离技术的研究进展,讨论了分凝分离技术的应用等内容。国内外学者对分凝分离技术的装置以及计算模型等进行大量的理论分析、实验研究及工程实现,研究表明对分凝分离技术的模拟研究还需探究适合性较高的数学模型以及更准确的物性关联式,还需将模拟与实验相结合比较其在分离技术中的优越性与可靠性。

制冷机冷却的样品温度稳定性实验研究

在5.6—20 K温区内,G-M制冷机直接冷却样品会给样品上带来至少400 m K的温度波动。为了使样品上的温度波动峰峰值小于1 m K,设计了一套高精度低温温度测量系统。系统通过超临界氦和2 mm厚聚四氟乙烯片热阻相结合的方式来抑制制冷机冷头的温度波动。实验结果表明,在7 K、18.7 K、20 K温度下,样品的温度波动峰峰值始终小于0.8 m K。此外,系统通过关闭制冷机的方式,短时间内解决了样品上的机械振动问题。

氢液化与低温高压储氢技术发展现状

H_(2)来源广泛、清洁无碳,是未来重要的清洁二次能源载体,在世界能源格局中占重要地位。H_(2)低温致密化技术可大幅提高储氢密度,有效解决H_(2)低密度、低沸点带来的大规模储运难题。综述了氢液化与低温高压储氢2种低温储氢技术的发展现状,对比了各类低温储氢流程的性能和特点,总结了未来发展方向,为H_(2)储运技术的发展提供参考。其中低温液态储氢(氢液化)的储氢密度高且储氢压力低,是目前主流的大规模氢储运方法之一;低温高压储氢则可达到与液氢接近的储氢密度,且本征能耗低、无需正仲氢转化,极具发展潜力;而采用以混合工质节流制冷循环为代表的闭式低温制冷循环替代液氮对H_(2)进行预冷或冷却,可显著降低H_(2)低温致密化能耗,是2种低温储氢技术的重要发展趋势。

基于PPMS测试系统的低温温度计标定研究

基于无液氦综合物性测量系统(PPMS)搭建了一套3—300 K温区的低温温度计标定系统。利用PPMS提供的低温环境,用Cernox-1030温度计作为标准温度计,对碳电阻温度计进行了标定。结果表明,该标定系统可以实现在3—300 K全范围内的低温温度计标定功能,且能通过编程自动对特定温区进行指定温度间隔标定。基于低温系统和数据采集系统的高度集成,实现了对标定不确定性的量化研究,得到该标定系统在3—7 K温区的标定误差为±8.38 mK,相比基于G-M制冷机的低温标定系统(标定误差约为20 mK)提高了标定精度。