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关键词： 人工造雪   小微液滴   降温过程   传热传质  

摘要： 2022年北京冬奥会的顺利举办,激发了民众参加冰雪运动的热情,促进了我国对冰雪装备产业的需求。为推动室外人工造雪装备技术的发展,实现更加节能高效地人工造雪过程并拓展造雪地域、延长可开展室外冰雪运动的时间,需对人工造雪临界条件进行准确把控。小微液滴降温过程是室外造雪机人工造雪的核心工艺过程,本文针对该过程小微液滴的热质传递与降温过程展开研究,主要的研究工作及结论如下:1.在传统理论模型基础上创新改进了液滴热质传递过程的数学模型。重点考虑了液滴直径与辐射吸收率之间的联系、太阳辐射以及太空辐射对液滴降温过程的影响,对单液滴与环境的热质传递机理及其对降温过程的作用做出了较为详细的描述。该项工作为模拟室外造雪机人工造雪过程提供了模型支持。2.液滴蒸发冷却过程数学模型的实验验证。搭建实验平台,验证数学模型合理性及分析研究初始水温对液滴降温过程的影响。3.液滴热质传递降温过程的数值研究。基于改进后的液滴热质传递过程数学模型,数值研究了太阳辐射、液滴初始直径、环境温度、初始水温、环境湿度、人工造雪工作时间等因素对液滴降温蒸发过程的影响规律,以张家口市崇礼区2022年10月18日实际气候条件,计算分析了太阳辐射对液滴降温蒸发过程的影响,对影响程度进行了量化。此工作为确定人工造雪环境与造雪机水雾后可造雪的临界液滴直径提供了重要理论支撑。研究发现:(1)在固定工况条件下,液滴初始直径越小,体积损失率越大,降温速率越大,达到结晶温度的时间越短。(2)对粒径相同的液滴,初始水温越低,温度传递的驱动力越小,液滴降温速率越小,体积损失率越小,但液滴达到结晶温度的时间越短。(3)太阳辐射对液滴热质传递与降温过程的影响随粒径的减小而增大。(4)将实际开展人工造雪时间段放在日落之后日出之前,成雪的临界温度约可提高1℃,可有效拓展开展雪上活动的时长。

关键词： 金属有机骨架   填充式吸附床   水蒸气吸附   传热传质   结构优化  

摘要： 空气中蕴含丰富的水资源,基于金属有机骨架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)吸附材料的大气集水在各湿度条件下均可实现对空气中水分的捕获,同时能利用低级能源再生,是一种节能的大气集水技术。对于集水过程中的核心部件吸附床而言,其结构尺寸对吸附的传热传质过程有重要影响,目前尚缺乏对此方面的研究工作。因此,本课题针对填充MOFs的肋片式吸附床,通过模拟与实验相结合,研究分析了肋片尺寸、肋片结构和肋片数量等对吸附床中水蒸气吸附及传热传质特性的影响规律。首先,本课题根据多孔介质中吸附的热质传递和吸附过程,通过质量、能量、动量守恒方程和吸附动力学方程建立了吸附床热质传递过程的物理模型和数学模型。对于MOF-303、MIL-101(Cr)和Ui O-66-NH三种MOFs吸附填充材料,测试了其结构参数和稳定性;利用激光法和差示扫描量热仪对其导热系数和比热容进行测定;采用重量法蒸汽吸附仪得到材料的吸附等温线和吸附动力学曲线,并拟合得到三种MOFs在不同条件下的晶内扩散系数及等量吸附热。然后,基于上述所获取的参数进一步探究MOF-303肋片式吸附床的数值模拟,研究吸附过程中的水蒸气浓度、温度等分布情况,并分析了肋片宽度和肋片长度的影响规律。此外,进行了MOF-303填充式吸附床水蒸气吸脱附及温度分析实验,研究了吸附床在肋片高宽比分别为1.25、3.2和8.9时和不同空气温度、相对湿度和速度下的吸附速率,以及60℃-90℃脱附温度之间的脱附速率,同时还研究了吸附过程中由于吸附热导致的吸附床肋片中的温度分布情况。上述研究结果表明,不同吸附床肋片高宽比下的空气温度模拟结果与实验数据相对误差在1%范围内。三种MOFs材料的晶内扩散系数均随温度的升高而增大,材料孔径较大时吸附热较低。肋片中的蒸汽浓度由肋片边缘至中心逐渐降低;肋片温度升高且导致其后侧空气出现明显温升;沿肋片长度方向,其长度中心处吸附浓度和温度均处于最高值。肋片宽度由2mm增至5mm时,吸附床后侧空气温度越来越高;保持肋片宽度5mm,长度在32mm-44mm范围内时,肋长40mm下释放的吸附热最多。实验中当MOF-303填充质量一定时,吸附床肋片结构对吸脱附速率影响显著,但最终平衡吸脱附量只取决于填充材料。肋片数量则对吸脱附速率和最终吸脱附量均无明显影响。当肋片高宽比为8.9,即肋片宽度为3mm时,吸附床的吸脱附速率最快,且肋片中心位置温升高达6.8℃,是肋片高宽比为3.2时的1.3倍,并且70℃下30分钟内可实现87.4%水分的脱附。MOF-303吸附床的吸附速率会随着空气温度、相对湿度和速度的升高而加快。以上研究结果为填充式肋片吸附床中的传热传质分析和结构优化提供了参考。

关键词： PEMFC   冷却液温度   氧气化学计量数   热平衡   传热传质  

摘要： 质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种可以将储存在燃料(氢气和氧气)中的化学能直接转化成电能的装置,且运行过程并不涉及燃烧,其本身具有电能转化效率高、清洁无污染等特点,成为当今非常有潜力替代化石能源的新能源。在PEMFC电化学过程中,会释放大量热量并生成产物水,如果不及时排热排水将会导致电池内部出现局部热点和流道堵塞,造成质子交换膜的不可逆损伤和气体扩散受阻,最终会使电池的输出性能和使用寿命降低。本文采用实验和数值分析相结合的方式,对PEMFC电堆温度分布及传热传质特性进行了研究,分析了冷却液温度和氧气化学计量数对电池内部温度分布和传热传质的影响,并建立其与PEMFC输出性能的参数化关联,最终为PEMFC的水热管理策略提供参考。具体研究内容如下:(1)建立了PEMFC电堆性能测试及热电偶温度监测的实验测试方案。测试电堆由十五片经典平行气液直流道结构的单电池组成。为了研究电堆内部温度分布和传热传质规律,本文设计的实验方案中使用商用测试平台来监测电堆及内部单电池的进出口参数和输出功率等,在电堆中不同位置测试单电池阴极板上嵌入热电偶温度传感器,以实时监测电堆温度数据,分析电堆及内部单电池的温度分布特性和输出性能。然后对单电池进行数值模拟,根据实验监测到的PEMFC电堆中心的单电池的反应气体和冷却液进出口参数、外壁面温度和电流电压等数据,对单片电池进行贴近电堆内部实际运行环境的数值模拟,以分析PEMFC电堆中单电池内部传热传质特性。(2)开展了冷却液温度对PEMFC电堆内部温度分布和传热传质影响的分析。分析了冷却液温度范围在50℃-70℃时电堆内部温度分布和传热传质特性。结果表明:电堆内部单电池的平均温度和温差呈“抛物线”分布,电堆中心单电池的平均温度最高、温差最大,输出性能最好。随冷却液温度的升高,电堆的温度升高,电堆内部的热平衡系数越小,堆内水相变放热对电堆热平衡的影响越小。同时,堆内各片单电池板上温度沿冷却液流向均逐渐上升,该温度梯度随电流密度的增加呈线性增加趋势。随冷却液温度升高,该温度梯度线性曲线的斜率越小,则电堆内部的温度分布越均匀,电堆的输出性能越高。结合数值模拟结果可知,在各工况下,在阴、阳极气体扩散层与催化层交界面上,氢气由于反应消耗量较多,压降大,出口端出现回流,沿流向出现先降低后上升的趋势。氧气则沿空气流向逐渐被消耗降低;随冷却液温度的升高,电池内部反应气体和水分布均匀性均得到改善,提高了电池的输出性能。(3)开展了氧气化学计量数对PEMFC电堆内部温度分布和传热传质影响的分析。研究了氢气化学计量数为1.5,氧气化学化学计量数在1.6-2.6范围变化时电堆内部温度分布和传热传质特性。实验和数值模拟的结果表明:随氧气化学计量数的增加,电堆的平均温度和温差逐渐下降,热平衡系数减小,水相变放热对电堆内部热平衡的影响降低,充足的氧气让氢气更充分地参与反应,电堆的输出功率在氧气化学计量数达到2.2时最高。而过高的氧气化学计量数会让电堆的热平衡系数增大,水相变对电堆热平衡的影响增大。堆内单电池的温度梯度曲线斜率随氧气化学计量数的增加也先逐渐减小后增大,在氧气化学计量数2.2时最低,说明在氧气化学计量数为2.2时,水相变对电堆的热平衡影响最小,堆内温度分布均匀性最佳,电堆输出性能最高。结合数值模拟可知,随氧气化学计量数的增加,空气流速增大,让电池流道内部的水气传输能力增强,气体和水的扩散分布均匀性得到改善,流道下方与肋下区域的水气质量分数差减小、温差降低,电池的输出性能逐渐增加。但在氧气化学计量数超过2.2后,过高的空气流速让膜上的水热分布均匀性出现下降,让电池性能出现降低。故氧气化学计量数为2.2时,氢气、氧气和水在扩散层和催化层交界面上的扩散分布最均匀,质子交换膜中心截面上沿流向上的温度和水的分布均匀性最好,流道下方与肋下区域的温度差最小,输出性能最佳。

关键词： 蒸汽处理   糊化机理   卸料状态   传热传质   数值模拟  

摘要： 目前,国内大型玉米蒸煮加工中,为满足加工产业链的持续进行,大多数使用连续性蒸煮装置进行加工。根据“沙漏计时”的原理,连续性蒸煮装置的内部由多层漏斗叠加组成,但该装置在蒸煮玉米时,存在一定缺陷。利用漏斗型装置蒸煮时,内部的玉米颗粒存在流动不均一性,对蒸煮时间的把控较难。蒸煮后的玉米颗粒存在蒸煮时间不足或蒸煮过久而导致内部颗粒的含水率较高的情况。为此,保证蒸煮装置内颗粒均匀流动及受热均匀对蒸汽玉米压片产业的进一步发展具有重要的研究意义。蒸汽玉米压片技术可简洁概括为:利用高温蒸汽加热浸泡完成后的玉米,使得玉米内部的淀粉发生糊化反应,目的是为了增强动物的消化率。玉米在蒸煮过程中,各颗粒的蒸煮时间和受热状态影响着生产链的后续工序。目前市场上的蒸煮装置难以保证内部颗粒较为均匀的流动,这就导致对玉米颗粒蒸煮时间的把控存在较大差异。本文通过对传统漏斗型蒸煮装置进行模拟研究,分析内部颗粒在卸料过程中的流动特性。解决蒸煮装置内颗粒的受热和流动的不均匀性以及颗粒的流出时间差异较大的问题。通过在漏斗的壁面处进行开槽处理,下层蒸汽由漏斗壁面的槽孔向上流动,从玉米堆的孔隙穿透玉米堆,使筒仓内部的玉米颗粒受热均匀。在新设计的装置内加入分流器,通过装置的卸料,分析设计装置内颗粒的流动状态。以改变漏斗和分流器的半顶角,研究内部颗粒的流动状态的变化,使最终装置不仅需要解决常见的漏斗流现象,还要解决颗粒滞留现象,使玉米颗粒基本达到整体流动的卸料状态。在众多颗粒群体中,颗粒体的不连续性难以通过实验对各颗粒进行速度的测试。对于如何得出筒仓内部颗粒的流动状态,可根据目前学者们使用的离散元模拟软件进行实验。离散元模拟软件可以对各颗粒的流动状态和流动速度进行捕捉,能较为全面分析各层次颗粒在卸料过程中的流动速度和流动轨迹。对于多尺度装置和多目标颗粒的测量更具有优势,无需投入更多的人力和财力。根据实际玉米颗粒的形状大小及筒仓的设计规范,构建每小时生产1吨玉米的蒸煮装置数学模型,利用UG三维建模软件建立装置的物理模型,将模型导入EDEM离散元模拟软件,根据颗粒堆积情况分析选型,通过牛顿第二定律对颗粒卸料过程中力矩和力的迭代运算,得出漏斗半顶角为55°、分流器半顶角为30°的装置卸料能良好解决筒仓内部颗粒滞留现象,使内部玉米颗粒流动均匀。

关键词： 声波助燃   声效应   传热传质   火焰动力学特性   煤粉  

摘要： “双碳”目标的实现对煤炭的清洁高效利用提出了更高的要求。因此，探索煤粉新型清洁高效燃烧技术具有重要意义。声学作为一门基础性和交叉性极强的学科， 近年来已渗透到几乎所有重要的自然科学和工程技术领域。尤其在燃煤电站锅炉中，声学技术的应用受到了广泛关注和研究，如基于声学原理的炉内温度场重建、测流、泄漏检测及声波除灰、声波团聚等技术。以上声学技术的研究和应用均涉及到声波传播过程中产生的声物理和化学效应。有关声场作用下煤粉颗粒燃烧特性的研究已有诸多报道，指出利用声波的物理化学效应可以为煤粉颗粒清洁高效燃烧提供新的技术手段。声波助燃技术已被证实是一种高效节能、清洁环保的新型燃烧技术，具有较大潜力。因此，在节能减排政策的高要求下，声波助燃技术在燃煤电站锅炉中的应用推广与发展研究应当得到足够的重视。目前针对声波影响煤粉颗粒燃烧的基础理论研究尚不完善，对声波物理化学效应的作用机制阐述不清。已有的文献中对声波影响煤粉燃烧的研究既无专著又无综述性文章介绍。鉴于此，本研究综述较为全面地介绍了声波影响煤粉燃烧的作用机制，分析总结了国内外声波影响煤粉颗粒燃烧的研究现状。研究综述厘清了声波影响煤粉颗粒燃烧特性的主要技术研究路线，使读者能系统性地了解声波助燃的对象、方法、原理和实际应用。

关键词： 蒸发冷   喷淋密度   迎面风速   传热传质  

摘要： 喷淋水量和迎面风速等参数对蒸发式冷却器的换热性能有重要影响,对此进行了实验研究。结果表明:在同一喷淋密度下,空气进出口焓差随迎面风速的增加而降低,传热系数K和传质系数K随迎面风速的增加而增加,但增加的趋势越来越平缓。在实验工况下喷淋密度为0.046~0.1389kg·m^(-1)·s^(-1)和迎面风速为0.85~2.29m/s范围内,传热系数K和传质系数K呈现出随喷淋密度先增大后减小的趋势,随着迎面风速增大到1.87m/s,K增长到最大值的喷淋密度逐渐后移到0.0926kg·m^(-1)·s^(-1)。

关键词： 液滴蒸发   凸面基底   传热传质   温度分布  

摘要： 针对凸面恒温基底上的固着液滴蒸发过程开展了实验和理论研究。实验研究方面,搭建了凸面恒温基底上蒸馏水液滴蒸发的可视化实验系统,捕获了液滴蒸发过程形态变化,使用红外热像仪获得了液滴表面温度分布。理论研究方面,基于环形坐标系建立了凸面恒温基底上固着液滴蒸发的传热传质模型,推导出液滴内部温度分布及其周围蒸气浓度分布的解析解。将模型结果与实验数据进行对比,验证了计算模型的可靠性。研究结果表明:模型计算需考虑蒸发冷却效应,提高基底温度和减小基底曲率直径均可提高液滴蒸发速率;相较于平面基底,凸面基底上液滴的铺展半径更大,钉扎时间延长,总蒸发时间减小,液滴蒸发主要遵循恒定接触半径蒸发模式。此外,液滴/空气界面处的过余温度沿液滴表面从中心到接触线方向单调递增,随着蒸发过程的进行,液滴整体温度分布趋于均匀。研究结果有助于深入掌握凸面基底上固着液滴蒸发的传热传质机理。

关键词： 质子交换膜电解池   电化学   仿生结构   沟槽   两相流   传热传质  

摘要： 质子交换膜水电解(PEMEC)是极具发展前景的水电解制氢技术，但其发展受到成本与能耗的限制，为了有效改善质子交换膜电解池阳极通道内热量传递和气液两相传递能力、提高电解性能，对电解池通道壁面结构进行研究。基于电化学原理、传质传热理论，建立了三维非等温质子交换膜电解池单通道模型，对电解池阳极通道速度、温度以及气液两相分布等方面进行分析，研究了仿生沟槽和常规沟槽对电解池热质传递以及电化学性能影响。结果表明，(1)电解池阳极通道中加入沟槽对电解池流体速度、热质传递性能及电化学性能均有不同程度优化；(2)仿生曲面沟槽比起常规几何沟槽，对电解池各方面性能的优化效果更加显著，仿生曲面沟槽与三角形和仿生V形沟槽相比，阳极通道传热系数分别提高10.8%和28.2%，液态水传质速率分别提高28.3%和20.3%;(3)沟槽间距会影响通道流体扰动程度，扰动次数和沟槽数目呈正相关，当通道长度一定时，沟槽间距越小，扰动越频繁，电解池通道流体速度增大，电解池整体性能提升。研究结果可为质子交换膜电解池进一步发展提供一定参考。

关键词： LOHC   脱氢反应器   产率   传热传质   脱氢程度  

摘要： 液体有机氢载体(LOHC)储氢技术是一种安全、经济的储氢方式,其规模化应用对我国能源转型和能源安全具有重要意义,但LOHC脱氢是强吸热的液固反应析氢过程,如何设计高效的脱氢反应器改善传热传质,已经成为严重制约LOHC发展的关键问题之一。通过总结不同类型的脱氢反应器,分析了其技术现状;比较了悬浮式、固定床式和壁式催化剂的反应器、膜反应器的优缺点和适用条件;最后对脱氢反应器的现有问题和未来发展进行讨论,可为下一步研究提供参考。

关键词： 数值模拟   直接接触冷凝   传热传质   不可凝气体  

摘要： 含不可凝气体蒸汽射流直接接触冷凝涉及复杂的相界面传热传质,本文利用Mixture两相流模型配合双热阻界面传热传质模型对其进行数值模拟研究,以精细化分析该过程的机理特性。通过数值模拟研究得到了含不可凝气体蒸汽射流直接接触冷凝气羽演化过程及特征,并分析了冷凝过程中压力、速度及温度场的分布情况。分析发现,空气聚集现象主要发生在气羽核心的边缘位置,混合气体出口压力越高,气羽边缘处所聚集的空气体积分数峰值越低;在气羽中心处会有一定的气体动力学效应,气羽在射流轴线上呈现出先压缩后膨胀的趋势;此外,基于速度场梯度,可将射流区划分为三个区域:喷嘴内部区、蒸汽核心区和空气-水湍流射流区。