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[硕士论文] 张俊杰
热能工程 广西大学 2018(学位年度)
摘要:传统氟利昂制冷剂的使用对地球生态造成了严重的影响,所以其替代制冷剂的研究得到了许多学者的参与,其中最有发展前景的当属自然工质CO2。CO2临界温度较低,大多工况下CO2制冷系统为跨临界循环,若采用传统的膨胀阀势必会产生较大的节流损失,喷射器的应用有效地解决了这一问题。
  喷射器是一种简单、无运动部件的流体机械,它可以使用余热来驱动,这些特征使其能够达到节能和环保的效果,于是,人们将它应用于各个领域,如航天、化工、制冷等。大量的研究主要集中于喷射器各个部位的尺寸、工作参数等对喷射器效率的影响,所研究的喷射器尺寸都是固定的,这种情况下,喷射器的流量是固定不变的。而在实际制冷中,一个制冷系统要根据环境的变化随时调节自身制冷剂的供应量以使其满足不同制冷需求,这就需要对一种流量可变的喷射器进行研究。为了解决这一问题,本文提出了一种可变工况的多喷射器模型,具体工作如下:
  (1)以前人发布的喷射器为基础,根据一定的比例关系对其各部分尺寸进行放大与缩小得到本文建立多喷射器所需四组尺寸;
  (2)使用CREO软件对确定尺寸后的多喷射器进行建模并使用MESH划分网格;
  (3)对划分好网格后的模型进行排列组合,得到15种不同的喷射器配置;
  (4)选取适宜的计算模型,使用模拟软件FLUENT分别对得到的15种情形进行模拟计算,并对计算所得出的结果进行分析,得出其质量流量的变化规律。
  (5)对CO2喷射式制冷系统进行建模并分析,得出在蒸发温度为0℃,-5℃和-10℃时,喷射系数均在约0.48-0.49范围内时为最佳工况;
  (6)分析出采用多喷射器结构时,不仅可以改变系统的流量,同时还可以维持较大的系统COP。
[博士论文] 蒋庆峰
核能科学与工程 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:换热器作为氦制冷机的重要组成部分,承担着将氦气从常温降低到液氮、液氦甚至超流氦温区的热交换任务。为应对未来建造更大规模制冷机及将国产氦制冷机标准化、系列化的需求,要求换热器能在尽可能紧凑的空间内实现充分的换热,本文对氦制冷机中锯齿型板翅式换热器开展如下研究:
  1.通过CFD仿真技术对错列锯齿型翅片的流动传热性能进行数值模拟;引入容积品质因子,综合衡量翅片在紧凑空间内实现充分换热的能力,定量地分析结构因素对性能的影响;针对47JC1402和65JC1403型翅片,采用CFD研究在常温、液氮及液氢温区下氦气流经翅片的表面性能,探讨低温下翅片性能的差异性;为缩小关联式在公式拟合时的误差,基于有限的空气稳态试验数据,建立了克里金空间插值模型,用以预测一般规格的锯齿型翅片表面性能。
  2.针对国内氦制冷机常用的3种锯齿型和1种打孔型翅片,搭建低温氦气为工质的翅片芯体性能测试试验台,获得了低温下氦气流经翅片通道的传热及阻力特性曲线;对比以常温氦气为工质的翅片性能试验,结合仿真结果分析出不同温度工况下翅片性能的异同;分析11种翅片性能预测模型,衡量其对低温下锯齿型翅片性能的预测精度,修正并扩充换热器设计计算所用的翅片性能数据库。
  3.基于热力学第一定律,建立了可灵活考虑变物性、轴向导热、环境漏热的多股流间壁式换热器分布参数模型,探讨了在低温工况下换热器偏离原始设计值的程度,分析了各项附加因素对换热器性能影响的比重;为拓展商用软件Aspen MUSETM在氦低温装置中的应用,该模型结合具体低温工况获得了热泄漏分布和换热器详细的温度、压力场;对于EAST氦制冷机第一级主换热器,计算了其在实际低温工况下的各项附加损失,并得出辐射寄生热在换热器表面的热负荷分布、各层隔板的轴向导热率分布以及既定通道排列方式下的过剩热负荷分布,为换热器的优化校核、现场装配及绝热措施提供了理论指导。
  4.采用混合遗传算法,针对5kW@4.5K氦制冷机中第一级板翅式换热器,在满足换热要求、压降限制、制造工艺和结构强度等约束下,展开了以体积最优为目标的优化设计。结果表明,与半经验的设计方案相比,优化结果能在众多实际约束限制下大幅缩小尺寸、缩减制造成本和安装空间。
  综上所述,本文采用仿真结合试验的方法,重点研究了低温氦气流经锯齿型翅片的表面性能,为换热器设计开发奠定了理论基础;揭示了低温附加损失的影响机制,为换热器校核提供了参考指导;优化了换热器设计流程,有利于减小其尺寸并缩减制造费用及研发周期。
[硕士论文] 郭舜之
供热、供燃气、通风及空调工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:空间技术与低温工程密切相关,有效、可靠的低温制冷系统在保证空间高超声速飞行器正常运行中显得尤为重要。低温冷屏蔽技术随着空间科技的日益成熟逐渐被重视,该技术的目的为有效抑制目标物的辐射强度,因而在原理上实现该技术的途径主要有以下两种,即减小辐射强度、改变辐射的传输过程。其中以降低目标表面辐射强度的技术应用最广泛,依据红外成像探测仪器的探测原理,只要减少目标表面发射系数和降低目标表面温度即可实现该技术,前者用低发射系数材料覆盖于飞行物的方法减少辐射强度,后者则需要对目标表面覆盖一层绝热材料或利用某些制冷剂和相变材料来实现。目前利用低温流体的相变制冷获得冷量的方法被广泛应用,该技术借助流道内深冷剂蒸发吸热来有效降低飞行器表面温度,即有效减小了辐射强度,达到了屏蔽外界热量的效果。液氮冷屏蔽系统采用液氮作为深冷剂,利用毛细材料分层蓄液、近三相点制冷、扩压分流等原理来降低飞行器表面的温度。液氮冷屏系统作为空间有效的制冷设备,其内部的相变制冷和节流制冷是两个重要的过程,过程涉及了气液两相流界面形态、蒸发与冷凝、两相流流型等复杂过程。目前缺乏高真空、微重力、冷背景下冷屏蔽系统在近三相点时相变节流制冷所需基础理论支持,因此对冷屏内部流场形态、传热情况等的相关研究具有很重要的意义,同时也为冷屏结构的进一步设计工作提供相应的理论依据。
  ANSYS FLUENT提供了很多数值模型,本文采用多相流VOF模型、RNG k-ε湍流模型,表面张力CSF模型、蒸发-冷凝模型分别对液氮夹层单元模型及节流阀扩压腔模型内的流体流动情况进行数值模拟。其中多相流VOF模型是一种流体体积函数,即是一种在固定的欧拉网格下的表面跟踪方法,在流场中的每个网格,该函数定义为目标流体的体积与网格体积的比值,只要知道函数在每个网格的值,就可实现对运动界面的追踪。VOF模型中也包含了多相流之间界面存在的表面张力作用,这种作用由流体与壁面之间的接触角来反映,FLUENT提供了表面张力CSF模型。RNG k-ε湍流模型,在计算功能上强于标准k-ε模型,该模型对近壁区进行适当处理后可以计算低雷诺数效应。蒸发-冷凝模型根据多相流和表面传热模型来表示蒸发、冷凝两个模型相界面的质量传递,其中Lee模型被广泛使用,该模型是基于物理基础的机械模型。
  根据模型特点结合数值模拟中各类模型的适用条件,及根据微重力环境下存在热毛细对流的特点,通过改变接触角大小及Bo数大小,观察液氮在三相点时,夹层单元内气液两相界面的变化情况,同时得出不同工况下模型内部的流场分布情况,并与已有的单相流流场分布模拟结果进行对比。通过计算并对照Hewitt-Roberts垂直上升管流型图,验证节流阀扩压腔内流体在三相点、零重力环境下数值模拟出现的流型的合理性,并对对应流型的流场分布进行了分析,同时通过改变气、液两相折算速度,得出流型分布情况、不同流型时的含气率分布规律及压差分布规律。
  模拟结果表明,接触角越小,Bo数越小,液氮夹层单元内部越易形成被液相包围的封闭大气泡,此时模型内部压差、温差、最大速度随之减小,接触角在90°,零重力条件下及接触角在10°,1 g条件下的气液界面基本无明显变化,在接触角大于90°时,液相沿壁面爬升能力很弱,使得气液界面出现下凹的现象,由模拟结果结合实际情况可得出微重力、接触角小的情况下相变制冷过程较为稳定,但容易发生液泛现象,应适当增大接触角来抑制液泛现象的发生。节流阀扩压腔模拟结果中出现了四种流型型态,包括两种形态的细泡状流型、细泡-弹状流型及块状流型,与计算所得流型基本吻合,几种流型的含气率均随高度的增加而增大,且弹状流和块状流含气率较泡状流大;将不同气、液折算速度下模拟结果得出的流型分布情况与理论计算结果对比,基本吻合,且当液相折算速度不变时,随着气相折算速度的增大,气相对液相作用力增大,节流阀扩压腔内的含气率升高而压降随之降低。
  结合液氮夹层单元和节流阀扩压腔内的数值模拟结果,使用制冷剂计算软件REFPROP绘制相变制冷过程和节流制冷过程中的温熵图,通过读取所需物理量,计算出两个制冷过程中的制冷量。节流制冷过程将不同节流压比时的制冷量进行对比,得出节流压比越大,制冷量越大。
[硕士论文] 万威
光学工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:随着科技的不断进步,半导体行业的飞速发展,图像传感器的更新换代速度也越来越快,高集成度、高感光度、高分辨率、高帧频的图像传感器不断的被研发出来。图像传感器的应用也越来越广泛,在空间探测、医疗仪器、移动通信设备等领域有着广泛的应用。特别是在一些高端应用方面,如军事和航天领域,在使用图像传感器之前需要对传感器参数进行从新测试,以便判断图像传感器的性能好坏。在图像传感器测试时,图像传感器的参数会受到一些噪声的影响,特别是图像传感器自身的噪声,传感器自身噪声对传感器参数测试影响最大的是暗电流,减小暗电流的最为有效的方法是降低图像传感器的工作温度。
  本文研究了一种用于图像传感器测试的热电制冷恒温控制装置,该装置结合热电制冷器和抗积分饱和PID控制算法,以ARM内核的STM32F103VBT6微控制器作为主控芯片,利用PT100作为温度传感器采集图像传感器的温度信息,利用脉冲宽度调制(PWM)技术控制热电制冷器的制冷能力,利用水冷散热装置散发热电制冷器发出的热量,实现对实验装置制冷温度的控制。
  本文首先论述了暗电流对图像传感器成像造成的影响,提出了利用制冷的方法抑制暗电流的大小。接着介绍了热电制冷器的制冷原理和几种散热冷却方式,并以此设计了热电制冷水冷散热系统。然后设计了温湿度数据的采集和控制硬件电路,硬件电路主要包括:基于STM32F103VBT6中央微控制器电路、基于PT100的温度数据采集电路、基于HS1101湿度数据采集电路、基于PWM信号的恒温控制电路、CAN总线电路和LCD12864显示电路等。接着对热电制冷恒温控制装置的软件程序做出了设计,软件程序的设计主要包括温湿度数据的采集与处理、抗积分饱和PID控制算法的编写,然后编写了控制装置的主程序和各部分子程序。然后对装置的硬件电路做了调试,完成了装置的集成。通过实验表明,该试验装置的最低制冷温度可达-35℃,稳定的制冷温度控制范围为-30℃~5℃,制冷温度稳定度为±0.5℃,均能满足对实验装置提出的要求。最后在常温(23℃)和-30℃环境下测试了一款CCD图像传感器的暗电流,该CCD图像传感器的暗电流的均值在-30℃环境下比常温(23℃)环境下降低了132倍,方差减小了13倍。该CCD图像传感器的其他参数也得到了改善。
[硕士论文] 宋磊
机械制造及其自动化 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:全封闭往复式压缩机是冰箱的核心部件,也是冰箱减振降噪设计的重点研究对象。本文针对冰箱压缩机隔振设计与结构优化的工程研究问题,通过理论建模计算和振动模态试验对冰箱压缩机隔振系统进行动态特性分析,并对系统力传递率进行参数优化,为压缩机的减振降噪设计提供参考依据。
  首先,根据冰箱压缩机的结构特点和工作原理,将压缩机简化为三自由度双层隔振系统动力学模型,利用拉格朗日方程建立振动微分方程。利用数学软件MATLAB计算得到压缩机隔振系统的三阶固有频率分别为3.4236Hz、14.7469Hz和63.5231Hz。进一步推导出压缩机系统的力传递率表达式,并绘制出力传递率曲线图,分析各参数变化对力传递率的影响。
  其次,为提高优化设计的有效性以及避免优化的盲目性,对力传递率公式中的参数进行灵敏度分析。选取敏感参数:支撑间距、偏心距、阻尼和壳体质量作为优化变量,以工作频率处力传递率最小为优化目标函数,建立优化数学模型,运用MATLAB优化工具箱中的遗传算法进行优化计算。力传递率曲线的三阶峰值分别下降0.7dB、0.5dB、1.1dB,为冰箱压缩机的优化设计提供参考。
  再次,利用有限元软件ANSYS Workbench对冰箱压缩机整机及泵体进行动态特性分析,前三阶固有频率较低,振型表现为整体的振动形态;后三阶振型表现为内排气管的振动形态。前四阶固有频率都在激振频率50Hz范围内,要尤为注意共振的发生;而在五阶以后固有频率较高。
  最后,利用LMS Test.Lab振动与测试系统,对压缩机进行锤击法试验测试。与有限元分析固有频率进行对比,最小误差为第一阶的1.18%,最大误差为第五阶的5.65%;对应理论计算的三阶固有频率分别为3.502Hz、14.263Hz和61.354Hz,误差分别为2.24%、3.39%、3.54%,均在允许范围内,说明有限元仿真的准确性和力学模型建立的可靠性。
[硕士论文] 刘恒
热能工程 广西大学 2018(学位年度)
摘要:随着环境问题的日益严峻,具有温室效应的传统制冷剂CFCs及HFCs面临巨大的替代压力,自然工质CO2由于其高效及环境安全性被认为是最有前景的替代制冷剂之一,并且在跨临界循环中的性能表现突出。而使用喷射器来替换跨临界CO2制冷循环中的节流装置不仅能减少节流损失,还能有效提高系统循环效率。为进一步提高系统的性能,对其核心部件喷射器内部流动机理及几何结构进行了优化分析。
  首先,针对喷射器内部存在的激波效应对喷射器的性能有重要影响,而现有的一维理论模型无法实现对激波的捕捉这一不足。提出在考虑CO2两相喷射器内部存在的非平衡相变、超音速流和激波等复杂流动现象时,建立喷射器的CFD模型来捕捉喷嘴出口处的激波特性,采用空化理论和沸腾相变模型来模拟流体的相变过程。经与文献中的实验验证,沸腾空化模型能够有效分析喷射器的性能,喷射系数的最大误差为5.8%;进行五种湍流模型的对比,其中SST k-ω模型能很好的预测内部流动。
  其次,进一步分析临界背压对喷射器性能的影响及其与激波特征间的关系,结果表明:喷射器存在临界背压,当背压低于临界值时,在扩散室入口处混合流体速度达到音速,出现壅塞,此时喷射系数维持在最大值不变,而背压的变化对激波链的影响不明显。随着出口压力的增大,激波链的长度逐渐变短且强度也随之减弱。
  最后,对设计工况下的喷射器几何尺寸混合段和扩散段进行优化,分析其与激波间的关系,结果表明:1)分析扩散角变化的影响,存在一个使摩擦损失和湍动能损耗都较小的最佳扩散角;2)在一定的工况下存在最佳的混合室长度和直径使喷射系数较高,当混合室直径一定时增加混合室长度有助于增加激波链的长度,但超过最佳混合室长度时,激波的强度逐渐减弱;而在混合室长度不变的条件下,减小混合室直径会使工作喷嘴出口处的激波幅度减弱,扩散室入口处的激波增强,而过多的增加混合室直径会使混合室的作用降低,失去升压效果。
  本文所建立的模型及方法有助于解释实验结果并可作为CO2两相喷射器的设计工具。
[硕士论文] 邓伟
热能工程 广西大学 2018(学位年度)
摘要:伴随社会的飞速发展,世界能源消费日益增加带来了一系列的环境问题,开发新能源、提高能源利用率成为当今社会的主要研究方向,LNG(液化天然气)作为一种高效的清洁能源,近年来已经成为世界能源结构变化的生力军。
  LNG在汽化过程中会释放830~860kJ/kg的冷能,由于受成本、场地及技术等原因,目前大多数LNG冷能利用项目效率较低,本文针对现有LNG冷能利用项目中存在的问题,根据LNG在不同蒸发压力下冷能及物理(炯)的释放特性,将LNG的蒸发过程划分为两个不同温度段(S1温度段和S2温度段,其中S1为LNG罐内储存温度上升到-90℃,S2为-90℃上升到环境温度),在基于工程实践与理论的基础上提出了一个LNG冷能两级回收系统:其中低温余热作为热源、LNG汽化过程释放的冷能作为冷源的单级有机朗肯循环(ORC)系统作为第一级冷能回收系统,吸收S1温度段的冷能与物理(炯);冰蓄冷系统作为第二级冷能回收系统,吸收S2温度段的冷能与物理(炯)。该系统达到了发电与供冷相结合利用的效果,从而解决LNG加气站中存在的汽化量不稳定、成本高、场地不足等问题。
  然后基于Aspen Plus软件建立了LNG冷能两级回收系统模型,采用四种有机工质(R170、R290、质量分数比为1∶1的R290/R600和R1270)作为第一级回收系统循环工质;采用质量分数为50%乙二醇水溶液作为第二级回收系统循环工质。通过改变第一级冷能回收(ORC)系统内蒸发压力、冷凝压力和膨胀机进口温度对整个冷能回收系统进行热力学分析,依据设定的系统评价参数(换热器UA值、系统净输出功(Wnet)、热效率(ηth)、系统制冷量(Qw)、冷能利用率(ηcold)、(炯)效率(ηex))选出最适合的第一级冷能回收(ORC)系统工质,模拟结果显示R170作为第一级冷能回收系统循环工质效果最好,此时R170所对应系统的换热器总UA值、系统净输出功(Wnet)、热效率(ηth)、系统制冷量(Qw)、冷能利用率(ηcold)、(炯)效率(ηex)分别为540.5192cal/(sec·k)、7.7742kw、25.03%、19.48kw、45.57%和27.73%。
  最后结合LNG冷能两级回收系统模拟数据以及南宁市新阳加气站日常运营数据,进行系统前期实验台架搭建和工程经济性分析,结果显示,LNG冷能两级回收系统每日预计节约电量380.85kw,每年节约电费6.85万元,系统设备总投资为25.75万元,每年运行成本为2万元,计算得出系统的投资回收期预计为5.7年。
[硕士论文] 宫雪真
机械制造及其自动化 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:现代生活中,风冷冰箱大容量、多温区的特点,受到了广大消费者的青睐。由于风冷冰箱的体积较大,在实现多温区制冷时,压缩机制冷已不能达到更好的制冷效果,选择采用增加风机辅助制冷的方式,来满足对冰箱多温区不同制冷效果的需求,此方法在实现制冷效果的同时,也导致冰箱产生较大的振动噪声,给人们的生活造成一定的影响。本文以澳柯玛某型号的多门风冷冰箱为研究对象,分析其在往复式压缩机和一体式离心风机双振动源激励下的振动特性,提出改进方案,降低振动能量的传递。
  首先进行单振源振动特性及双振源耦合振动特性分析,得到振源振动传递至风冷冰箱壳体上的激励。在此基础上,建立系统的耦合动力学模型,计算振动响应理论输出。构建系统振动传递函数模型,利用MATLAB得出系统水平方向和垂直方向的振动响应输出,发现在0-200Hz低频段内,振动幅值波动变化明显。
  其次利用ANSYS Workbench进行风冷冰箱壳体模态分析,得出冰箱壳体的前20阶固有频率及振型。根据振型图,选取五个位置作为检测点:测点一,上门与抽屉间的接合处;测点二,冰箱的左侧表面;测点三,冰箱后面中间位置;测点四,冰箱右侧面管路放置位置;测点五,压缩机附近底面支撑板处。在振源处施加振动幅值载荷,得到振源单独激励及同时激励时五个测点处的振动响应幅值。发现冰箱壳体振动压缩机为主要激励源,风机为次要激励源,此外冰箱门、管路的振动对冰箱壳体的振动均存在不可忽略的影响。
  最后采用LMS振动测量系统,对压缩机和风机单独激励及同时激励时的振动输出信号进行采集处理,得到振动响应实验值,对比仿真实验结果,验证了仿真结果的准确性。此外,实验结果显示冰箱门、管路的振动对冰箱振动的产生也存在一定影响。根据风冷冰箱壳体振动特性,针对振动传递路径,采用添加吸振材料的方法降低振动能量的传递,进行改进,达到减振降噪的目的。
[硕士论文] 韩圆圆
动力工程 山东大学 2018(学位年度)
摘要:世界范围内的能源结构调整使天然气等清洁能源的需求大幅上升,液化后的天然气具有体积小、便于运输等优点。板翅式换热器作为天然气液化冷箱内的核心装置,流道间的物流分配不均是其应用中影响系统效率和生产安全的重要问题。进入板翅式换热器的两相流体的气液均匀性直接影响换热器封头对介质的再分配,进而影响换热器流道间的流量分配。
  本文通过数值模拟的方法对换热器配管T型三通管内的甲烷气液两相(温度为135K,压力为0.49MPa)进行研究,分析雾状两相流在直角T型三通侧支管内的气液流动特性及相分布规律。研究了气液入口速度及液相的液滴粒径对侧支管内相分布的影响;针对直角T型管内气液两相的流动特性,提出弯管T型三通的结构优化方案,并对比不同弯曲半径对侧支管内相分布的优化效果;通过改变分流比,模拟比较三个换热器并联情况下,不同分流比时侧支管内的气液分布规律。主要获得以下结论:
  两相流在流经直角T型三通时,在分流时会发生气液速度滑移,主要表现在x方向液相速度大于气相速度和y方向上气相速度大于液相速度两方面,致使液相大多集中在侧支管右侧,造成气液分布不均。侧支管左侧由于流体惯性形成漩涡,漩涡旋转加剧气液分离,增大侧支管压力损耗,造成局部压力降低,不利于侧支管内的气液均布。气液分离程度随着气液入口速度或液滴粒径的增大而增大。
  针对两相流在直角T型三通管内的气液分布不均,提出弯管T型三通的优化方案。优化后的T型三通侧支管内的气液均布情况明显改善。研究发现,弯管过渡可以明显减小漩涡尺度,使侧支管内压力和速度分布均匀,提高气相对液相的携带能力,促进侧支管内气液两相的均匀分布。
  随着T型三通管内流体的分流比降低,侧支管入口漩涡尺度逐渐减小,液相浓度较高的区域逐渐由侧支管迎流侧移动到中间区域。分别对三种分流比下的T型三通进行结构优化研究对比,发现,分流比不同,同一弯曲半径的弯管T型三通管对气液两相均布的优化效果不同。随着分流比降低,弯曲半径越小越有利于侧支管内气液均配。
[硕士论文] 霍冲
动力工程 山东大学 2018(学位年度)
摘要:新型材料的出现使得半导体制冷技术得以迅猛发展,与传统制冷技术相比,半导体制冷技术有很多优势,但是半导体制冷技术的制冷效率相对较低,其制冷效率受诸多因素影响,本文主要从热端散热方式着手,进行实验研究,通过加强换热器的换热性能来促进半导体制冷系统整体制冷性能的提升。
  作者在阅读文献并参考各种散热方法的设计之后,设计了一种适用于半导体制冷技术的相变散热器。围绕这种相变散热器的制备和实验研究,主要做了几方面的工作:
  (1)陶瓷表面金属薄膜的制备
  大多数半导体制冷器外包装表面是陶瓷表面。在此之前需要在陶瓷表面制备一层金属薄膜,使其能够导电,为下一步的工作做准备。采用的方法是化学镀的方法,作者参考相关文献及实验研究总结了一套化学镀铜的制备工艺,根据该工艺,在半导体制冷器的陶瓷表面上制备金属膜
  (2)微纳尺度多孔表面的制备
  作者根据相关文献和实验研究总结了一套可行的电镀工艺。采用这种工艺,可以在无电镀的半导体制冷器的散热表面上制备微纳米级多孔表面。电镀在高电流条件下进行,在此期间阴极产生元素铜的沉淀并且还产生最终形成多孔结构的氢气。通过改变实验条件如电镀电流,电镀液温度和电镀时间来制备不同的多孔层。
  (3)沸腾换热实验平台及实验研究
  对于微纳尺度的多孔表面需要测试其换热性能,所以搭建了池沸腾换热实验平台,作者对该实验平台所需的各个组件进行设计并进行加工及组装,将上述步骤中得到的多孔表面在池沸腾实验平台中进行测试,描绘其沸腾换热曲线。根据实验结果分析多孔表面的沸腾换热特性,选出适用于本实验的微纳尺度多孔表面,同时归纳总结出适用于本实验的微纳尺度多孔表面的制备工艺。
  (4)半导体制冷系统实验平台及实验研究
  作者设计和制造的用于半导体制冷系统的相变散热器由两部分组成,其中一部分是沸腾换热模块,另一部分是热管散热模块。沸腾换热模块是半导体制冷器热端表面的一层微纳尺度多孔表面,此表面在一定的工作条件下能够快速有效的将系统中产生的热量搬离热端表面,并传递给热管散热模块;热管散热模块则是通过风冷的方式将热量传递给周边环境,两种模块通过亚克力材料连接及密封。这种类型的散热器适用于在高热通量运行条件下运行的半导体制冷系统。作者搭建半导体制冷系统实验平台来测试相变散热器的散热性能,同时与其他散热器作对比,分析其在高热流密度下是否满足半导体制冷系统的散热需求,同时分析其优缺点,为以后的改进提供数据基础。
  根据实验结果得出以下结论:
  (1)在高热流密度下,且相变散热器未达到其工作极限时,相变散热器可以使半导体制冷器冷热端表面的温差保持在一个较小的范围内。
  (2)在高热流密度下,且相变散热器未达到其工作极限时,在相同实验条件下,安装有相变散热器的半导体制冷系统的制冷性能优于安装有其他散热器的半导体制冷系统的制冷性能。
[硕士论文] 李岩
动力工程及工程热物理 山东大学 2018(学位年度)
摘要:空冷系统由于其显著的节水特性,被世界各国和地区,尤其是水资源匮乏而又盛产煤矿的地区普遍采用。常规情况下发电站汽轮机排汽产生的废热通过冷却循环水在凝汽器中间接换热并通过湿式冷却塔排出,在此过程中,会蒸发掉大量的冷却循环水,该系统称为湿式冷却系统,然而,直接利用或间接利用自然空气去冷却汽机排气技术的出现和发展,对于富煤缺水地区或者电力需求量特别的区域,如何取得大量电力资源,提供了一种新的思路和途径。由于气-水之间传热为非接触传热,不存在循环水的蒸发损失,所以间接空冷系统具有显著的节水特性。但间接空冷系统内循环水的冷却极限为环境空气干球温度,使得空冷机组耗水量的大幅降低是以高耗煤为前提的。
  因此间接空冷系统由于换热方式的不同,较湿冷机组具有明显的节水特性,但同时也有该系统本身固有的缺陷,那就是冷却效率低,导致背压高且易受外界环境影响,最终导致机组煤耗的升高。如何能够降低空冷机组发电煤耗,稳定机组背压,减弱外界环境尤其是环境风对间冷塔的影响,即是空冷发电站现场所面临的工程问题,也是空冷技术人员所面临的科学问题。本课题的出发点及最终目的亦如此,利用相关热态模型试验的理论,构建间冷塔热态模型试验台,研究环境风对间冷塔空气动力场和散热器换热场特性的影响,对间接空冷塔三维热力性能进行评价,并在此基础上提出合理的控风策略以提高其冷却效率,并最终实现间接空冷塔三维热力性能的试验模拟分析、性能评价及效率优化。
  本文根据实际空冷塔塔型、当地气象条件等相关数据,按照一定的相似准则,建立了热态模型试验台,使进塔水温水量,环境温度湿度,侧风风速等因素可侧可控可调。针对不同机组,不同散热器布置方式,典型工况下进行无风及侧风下的热力性能研究。首先进行了机组典型工况,无风条件下的基础实验,空冷塔四周进塔风速的大小及分布特点,不同位置处散热器进出水温值及分布规律,作为基础数据与有侧风时和优化后的数据相对比。然后在环境风存在的条件下,间冷塔周边不同位置的散热扇段,其冷却温差及进塔风速等参数随着环境侧风风速的变化情况,分析侧风对空冷塔性能的影响,为提出优化改造措施提供依据。从减弱该不利影响出发,利用导风板及十字隔墙来优化侧风条件下间冷塔的热力性能。对不同机组的不同散热器布置形式的间冷塔进行了相关改造试验,对并导风板和十字隔墙两种控风策略的改善作用进行了对比。并依据空冷塔一维热力及阻力计算模型,并基于三维数值计算结果,对于不同的环境温度,环境风速,逆温条件,进塔水侧参数等,在一定的输入条件下,可进行出塔水温的迭代计算。由于一维模型有着更简单的算法,而且不需要做大量的准备工作,因此本一维模型可以更快速的实现间冷塔热力性能的评价。
[硕士论文] 曹琳琳
动力工程 山东大学 2018(学位年度)
摘要:高温环境一般指的是35℃以上的生活环境与32℃以上的生产环境。人体在高温环境下会引起热应激效应,造成体能消耗过快而导致注意力不集中、作业能力下降等问题,严重时会危害人体健康。为了保障高温环境作业人员的身体健康并提高工作效率,需要对高温作业人员采取有效的热防护措施。因此,穿戴人体冷却系统已成为高温环境作业人员的重要热防护措施之一。热电制冷又称为半导体制冷、帕尔帖制冷或温差电制冷,是在帕尔贴(Peltier)效应的基础上发展起来的一门新型制冷技术。在当今发展绿色科技,坚持可持续发展的背景下,热电制冷系统结构简单、无运动部件、安全可靠、无污染等特点使其拥有广阔的应用和市场前景,尤其适用于人体冷却系统。随着材料的和相关研究的拓展,热电制冷系统的研究也越来越深入。
  本文在热电制冷原理的基础上设计了一种包括制冷头盔和液冷服的新型人体冷却系统,其中制冷头盔采用风冷和水冷两种方式,通过热电制冷原理对人体头部和颈部同时制冷,并且利用自制暖体假人对冷却系统的制冷特性进行了实验研究和评价分析。首先,通过改变环境温度、人体冷却系统散热工况等条件,得到不同实验条件下制冷功率、液体流速、散热风速、制冷量、制冷效率之间的关系,进而得到冷却系统的最佳散热工况;然后,令测试者穿戴冷却系统,通过调节试验工况,对冷却系统舒适性进行评价分析。
  本文研究得出以下结论:
  1.制冷头盔和液冷服的制冷量和系统COP与制冷片功率、循环水流量和风扇风速有关。热电制冷片存在一个最佳功率,制冷头盔和液冷服在最佳功率区域中运行可以得到良好的制冷能效。其中,制冷头盔最佳功率区域为19.2~37.4W,最大制冷能效可达0.55;液冷服最佳功率区域为16.8~46W,系统总体最大制冷能效可达0.5以上。头盔微型水泵流量、系统风扇风速的增加均可以增强散热,提高人体冷却系的能效;液冷服水泵流量存在一个最佳值66.7mL/min,使得其制冷能效达到最大。
  2.随着外界环境温度的升高,冷却系统制冷能效降低。当环境温度小于40℃时,冷却系统的制冷头盔和液冷服内部温度均在24~30℃之间,根据室外温度舒
  3.适度分级标准,能够保证人体穿着的舒适性。
  4.制冷头盔液冷模块的换热效果优于风冷模块,可为人体提供更多冷量,而风冷模块可以增强头盔内部的空气流动,有助于增加人体佩戴的舒适性。
  5.利用成年健康男性对人体冷却系统进行性能测试,结果表明,在温度为30~40℃的高温环境下,冷却系统能够保证人体降温温度在舒适范围内。
[博士论文] 吕冬强
动力工程及工程热物理 山东大学 2018(学位年度)
摘要:雨区是湿式冷却塔极为重要的一部分,在常规湿式冷却塔(常规塔)中,雨区是气流进塔并进行热质交换的初始区域,其在进风口横截面上起到了分配进塔空气的作用,并直接影响着后续在填料区和配水区的通风和换热;在高位集水冷却塔(高位塔)中,雨区范围虽大为缩小,但其也是初始热质交换区和空气进入填料区前的最后区域。随着湿式冷却塔的体积越来越大,雨区规模也随之越来越大,雨区内的热质交换和空气流动特征对整塔的影响也越来越大,因此雨区的研究对于湿式冷却塔而言也越来越重要。但碍于雨区过于庞大的范围和其内部复杂的水滴运动与粒径分布,目前对于雨区的研究非常有限,并且在绝大部分研究中对雨区进行了过度简化,这势必会对冷却塔性能的研究造成非常大的影响。因此有必要对湿式冷却塔雨区进行深入的研究。雨区对湿式冷却塔性能的影响主要体现在其热力特性和阻力特性两方面,而这两方面均与雨区内水滴的运动和粒径分布密切相关,并且,水滴的运动和粒径分布也一直是制约雨区研究进行的难点。
  因此,本课题针对冷却塔雨区内水滴粒径分布,首先从雨区内水滴形成、运动对其造成的影响入手进行理论分析;以理论分析为指导,引入光学散射技术和影视摄像技术,采用水滴谱仪对湿式冷却塔雨区进行水滴粒径分布的现场测试试验研究,得到了无风和侧风雨区内水滴粒径的分布特点,并对理论分析进行验证;基于水滴粒径分布现场试验结果,建立了能够正确描述雨区内水滴粒径分布的数学模型,结合雨区现场实测温降,对于雨区性能进行详细研究,得到了准确的雨区热力特性和阻力特性,并探讨了水滴粒径分布对于雨区热力、阻力特性的影响。同时,由于高位塔集水装置的布置使高位塔相对于常规塔雨区范围大大缩小、水滴个数大为减少,进风口范围的流场也产生了变化,因此作为对于湿式冷却塔雨区研究的补充,本文最后对空气流经集水装置产生的流场特点和其对高位塔性能引起的相对于常规塔的不同进行了系统的研究。由于湿式冷却塔可以分为常规塔和高位塔,故本文除水滴运动对水滴粒径分布部分的理论分析外,其余关于雨区的研究均分为常规塔和高位塔两部分。本文完成的主要研究内容如下:
  (1)首次对湿式冷却塔雨区内水滴粒径分布进行详细研究,首先对雨区内水滴可能发生的变形、碰撞和破碎等运动进行理论分析,从机理上分析了水滴的不同运动方式对水滴粒径分布造成的影响,证明了雨区水滴的粒径分布是有规律的,纠正了传统认识中杂乱无章、完全随机的思想。
  (2)在理论分析的基础上,对湿式冷却塔雨区进行水滴粒径的现场测试试验研究,引入光学散射技术和影视摄像技术,在雨区内分别进行了无风环境和强侧风环境的水滴粒径分布研究,试验结果显示:对于常规塔和高位塔塔内的某一固定位置,不同时刻下水滴粒径分布均不完全相同,但其随着时间的变化并不会发生较大变化,总体而言,在不同的测试时间间隔内,水滴粒径呈现某一统一分布规律。同一常规塔在无风情况下,对于测量范围内高度相同的不同位置,由于水滴的运动时间相同,水滴在这些位置的粒径分布虽具有随机性的特点,但依然呈现某一统一分布规律,并不随周向位置和径向位置的变化而变化。但当高度位置不同时,由于不同高度位置处水滴的运动时间不同,故水滴粒径分布也随高度位置变化而变化。对于不同塔型的常规塔,雨区高度是影响雨区水滴粒径分布的主要因素。不同常规塔型之间,距填料下端面相同位置处的水滴粒径分布仍基本相同。对于高位塔,由于雨区范围过小,水滴在下落过程中碰撞、破碎等运动发生的次数和对水滴粒径造成的影响较小,使得高位塔小雨区内初始粒径的水滴占比最大。环境侧风不会对高位塔雨区内水滴粒径分布造成影响,但会影响到常规塔,在强侧风情况下,不同高度处的水滴受侧风影响单体破碎和相互碰撞发生的次数均大大增加,运动时间已不是影响水滴粒径分布的主要因素,不同高度处的水滴粒径分布基本相同,且小粒径水滴的个数占比占绝对优势。
  (3)采用数理统计方法将水滴粒径现场测试结果进行整合,得到能够应用于雨区研究的最具代表性的水滴粒径分布,通过累积分布概念将常规塔和高位塔雨区内的水滴粒径分布进行了公式化表达,以使湿式冷却塔的雨区水滴粒径分布的研究成果更为方便的运用到今后冷却塔的研究之中,使雨区水滴粒径分布具有更为重要的实用意义。
  (4)对湿式冷却塔雨区性能进行了详细研究。在热力特性方面,常规塔雨区是仅次于填料区的重要换热区域。而高位塔由于雨区尺寸大为缩小,换热量急剧减少。同时由于小雨区内位于初始粒径范围内的水滴较多,与常规塔雨区相比,小雨区内水滴的比表面积更小,因此从水滴粒径分布角度来说高位塔小雨区的传热传质能力也要小于相同尺寸范围的常规塔雨区。在阻力特性方面,常规塔雨区是空气流经常规塔时所受流动阻力最大的区域,空气流经雨区时受到的阻碍作用对常规塔性能的影响非常大。高位塔小雨区压降的份额则为高位塔内除配水区外对进塔空气阻碍作用最小的区域,并且由于水滴在小雨区内碰撞、破碎等运动发生的次数较少,高位塔小雨区内水滴的个数也相对较少,因此从水滴个数分布角度来说高位塔小雨区对空气的阻碍作用也要小于相同尺寸范围的常规塔雨区。对于相同冷却面积的高位塔和常规塔,填料区和配水区的压降并没有因雨区范围缩小、水滴个数减少发生较大变化,但填料区的温降却大为增加,这说明雨区范围、水滴数量和水滴粒径分布对于湿式冷却塔性能的影响非常大,同时也从另一个层面再次说明了雨区对于常规塔的重要性。
  (5)提出了全新的湿式冷却塔雨区冷却数计算公式,能够更为准确的计算出不同塔型规模在不同运行工况和不同环境侧风条件下的雨区冷却数,并能够正确体现出无量纲特性,具有极为重要的工程意义和实用价值。
  (6)作为对湿式冷却塔雨区研究的补充,对空气流经集水装置产生的流场特点和对高位塔性能引起的相对于常规塔的不同进行研究,结果为表明:集水装置流道内集水槽上方和集水斜板与集水槽联接处对空气流场影响最大。同时,在集水斜板角度不断变化过程中,集水斜板与集水槽联接处流道方向突变产生的气流压力波动相对于集水槽上方气流旋涡区域对空气流场的影响更为明显。流道间距变化对空气流场的主要影响为空气流经流道入口时产生的压力波动。高位塔内填料区域和小雨区的换热特征与常规塔有明显不同:内围区域的换热能力最强,而外围区域最弱,这是由集水斜板导流和小雨区粒径分布变化的综合作用所造成。高位塔内进风口范围内,空气流经集水装置产生的流场相较于常规塔发生了变化,在改变塔内传热传质特点的同时,影响了整塔的空气流场和性能,对于塔型特征完全一致的高位塔和常规塔,高位塔集水区域对进塔空气的阻力小于常规塔雨区,同时集水斜板对来流空气存在导流加速作用,因此单位时间内高位塔的进塔空气量较高,冷却性能较好。
  通过以上研究,首次完成了湿式冷却塔雨区从水滴粒径分布到热力特性与阻力特性的详细研究,形成了较为完善的雨区水滴粒径分布的现场试验方法,和性能分析体系,所得结论具有较高的理论和工程应用价值。
[硕士论文] 刘子邦
集成电路工程 山东大学 2018(学位年度)
摘要:二十世纪七八十年代以来,中国的经济和科技发展迅速,各行各业对国家电力的需求也随之迅速增长。虽然我国的电力工业在近几十年内发展迅猛,电力的装机容量已经居世界前几位,但是夏季白天公共建筑的电力需求的巨大压力依然使得白天电力供应不足,从而导致出现了许多地区拉闸限电的情况。而在夜间,用电压力迅速减轻,这就造成了夜间电力使用出现真空期的情况,不仅造成了自然资源的浪费,还导致了许多为了白天电力调峰的电站的建设。国家也为了缓解这种情况推出了各种政策,比如推出峰谷分时电价政策等。而水蓄冷空调系统正是一种缓解上述问题的方法。
  水蓄冷空调系统的运行模式为在夜间用电低谷期开启冷水机组将冷量储存在以水为介质的蓄水池中,而在白天用电高峰期将夜间储存在蓄水池中的冷量释放出来供给用户侧空调末端。水蓄冷空调系统充分利用了夜间的低价谷电来蓄冷,不仅缓解了电力白天夜间负荷不均的情况,而且使得整个系统的运行费用得到了降低。基于这种情况,对水蓄冷空调系统的运行策略的优化使其能够更加节能以及具有更好的经济性就显得尤为重要。与此同时,由于水蓄冷空调设备的种类多以及分布不集中的特征,因此要对整个水蓄冷空调系统的设备监测。
  本文首先介绍了水蓄冷空调系统的分类、原理、特点,分析了水蓄冷空调系统的全量蓄冷与部分蓄冷的运行模式;接着为了对水蓄冷空调系统的设备进行监测和数据分析查询,详细介绍了在基于Delphi开发平台的基础上,使用MySQL数据库管理系统,设计开发了一套水蓄冷空调上位机监测系统,通过对设备的数据监测,分析水蓄冷空调系统各设备的运行故障情况,比如通过对蓄水池温度点的温度曲线测量记录来分析布水器的运行故障情况;然后通过模拟建筑的逐时冷负荷;并在遗传算法与非线性规划的混合算法的研究基础上,研究分析得出了一套水蓄冷空调系统的优化节能的运行策略,得出了优化节能运行策略不管是在运行能耗还是运行费用上都要优于传统的运行策略的结论。
  本水蓄冷空调上位机监测系统以及在机房安装运行了近六个月的时间,系统运行稳定,数据提取查询准确,高效的实现了对整个水蓄冷空调系统的设备监测,并且在数据分析基础上得出的节能优化策略达到了系统的节能以及经济性目的。
[硕士论文] 袁健灵
土木工程;供热、供燃气、通风及空调工程 南京师范大学 2018(学位年度)
摘要:分离式热管技术是一种基于常规热管技术,并可进行高效传热的新型传热元件,其工作原理是将蒸发器与冷凝器分开布置,形成高度差依靠重力作用,使得工质在管内进行流动,从而完成整个循环换热。微通道一般是指当量直径3毫米以下的通道,在空调行业中,微通道换热器具有以下优点:低压降、质量轻、低充注量以及高传热性能。本文将微通道换热器作为分离式热管蒸发器和分离式热管冷凝器,结合微通道换热器与分离式热管两者优点,从而达到强化微通道分离式热管传热的效果,提高整个系统的运行效率。
  先通过焓差实验室对制冷剂R134a进行实验分析,研究不同充液率对微通道分离式热管的换热量、EER、蒸发器进出口压力和温度、冷凝器进出口压力和温度以及质量流量的影响,结果表明,系统最佳充液率范围为74.5%~113.2%,最大换热量为3.89kW,EER为11.3,蒸发器和冷凝器的进出口温度与进出口压力均随充液率发生变化。研究不同工况下室外温度的改变,造成室内外温差对系统换热性能的影响,结果表明,当室内外温差从4℃增加到19℃时,换热量从1.89kW增加到7.59kW,并且EER也处于增长趋势。研究不同风量对系统换热性能的影响,结果表明,风量越大,换热量和EER越大,但是不改变最佳充液率范围,依然为74.5%~113.2%。
  再采用MATLAB,对微通道分离式热管系统建立稳态传热计算模型,分为微通道蒸发器稳态传热模型、微通道冷凝器稳态传热模型以及微通道绝热段的稳态计算模型。模拟分析研究不同充液率对系统的换热性能和流动机理的影响,并对模拟数据与实验数据进行对比分析,结果表明,模拟的最佳充液率与实验所得的最佳充液率基本一致,蒸发器与冷凝器的进出口压力的相对误差小于1%,进出温度的最大相对误差为6.8%,换热量的最大相对误差为1.8%,均在合理范围内,验证了该模型的准确性和可行性。
  最后通过稳态计算模型,模拟研究分析室内外温度和风量等工况参数以及翅片高度、翅片间距、扁管高度、百叶窗间距和百叶窗角度等结构参数对微通道分离式热管的换热性能以及流动阻力的影响,为系统设计的优化提供一定参考依据。
[硕士论文] 徐冠依
动力工程及工程热物理;制冷及低温工程 南京师范大学 2018(学位年度)
摘要:随着中国经济的高速发展,人们对生活品质的要求越来越高,“民以食为天”,食品领域的质量安全问题开始进入人们的视野。近年来,中国物流行业的蓬勃发展,生鲜冷链物流也步入了高速发展的阶段。然而普通的物流末端配送常常会遇到物品囤积、配送脱节以及设备故障导致生鲜食品腐烂等问题。为解决生鲜和蔬果等食品配送“最后一公里”的难题,人们开始探究新的解决方案。于是,一种类似于报箱的自提冷冻冷藏柜开始出现在住宅、办公楼等区域,自提冷冻冷藏柜作为一种便利、快捷和环保的末端配送交互方式应运而生。
  对于自提冷冻冷藏柜来说,其内部的温度、湿度、风速和冷冻速度等是影响生鲜食品品质的主要因素。然而目前自提冷冻冷藏柜在结构方面等方面的研究仍存在一些不足,温湿度等因素的分布不均匀会导致食品的冷冻冷藏品质不一致,并进一步带来微生物的滋生,造成食品的腐败变质,因此保持自提冷冻冷藏柜内部的流场、温湿度场分布均匀至关重要。该冷柜的结构改进优化能够弥补未来高效、稳定的自提冷冻冷藏柜的市场空缺。
  风道结构的改变可有效改善自提冷冻冷藏柜内部气流组织以及优化其热环境性能。本文分别在自提冷冻冷藏柜无负载、有负载状态下,针对上送上回送风方式,改变风道结构,即轴流挡板角度(30°,45°,60°,90°)、背部送风孔板开孔方式(上疏下密的非均匀式开孔、下部集中式开孔、等间距式开孔)以及送风板穿孔率(10%,15%,20%),建立8种数值模型并分析比较,选取最优结构模型。并将其中的现有模型结构(挡板角度45°、集中开孔方式、开孔率15%)的数值模拟结果与实测结果进行对比,验证了数值模型的正确性。研究表明,在回风板角度为30°时,送风板为等间距式开孔、开孔率为20%时,自提冷冻冷藏柜内部气流组织相对合理,热环境性能较为理想。此外,本文提出采用温度平均值、整体均匀性以及不均匀系数等评价指标对不同风道结构模型内部食品包负载的温度分布情况进行评价分析,以反映冷冻柜热环境的理想程度。
  本文首先在现有自提冷冻冷藏柜结构下,通过试验验证了数值模型设计的正确性,为进一步的不同结构下的冷柜数值模型结构优化设计奠定基础,然后分别从速度场、温度场均匀性等方面对冷柜内部气流组织与温度特性进作出对比分析,最后通过不同的评价指标对自提冷冻冷藏柜内部负载热环境作出评价。为类似用途冷冻柜内部结构提供设计参考。
[硕士论文] 杨天润
动力工程及工程热物理 山东大学 2018(学位年度)
摘要:蓄冷是一项将低于环境温度的冷量储存起来以留后应用的技术。它是制冷技术的补充和调整,是协调冷能在时间和强度上供需不匹配的一种经济可行的方法。将蓄冷技术应用到冷库中,在电力低谷时间区间开启制冷,利用相变材料储存制得的冷能,在电力高峰时间区间释放冷能满足制冷要求,不仅可以为企业带来巨大的经济收益,同时还能削峰填谷,有效解决电网系统供电的矛盾,提高电网系统运行的安全性。本文设计并搭建了相变蓄冷冷库实验台,进行了相关模拟研究和实验研究,对其核心设备冰盘管蓄冷板布置方式、结构及运行参数进行了优化分析。主要工作及结论如下:
  (1)提出了将相变蓄冷技术应用到冷库中的工作原理和运行策略。在夜间,制冷系统提供两部分冷能,一部分通过冰盘管蓄冷板的凝固过程储存冷能,另一部分通过蒸发器对冷库进行制冷。而在日间,制冷系统停止工作,通过冰盘管蓄冷板的融化过程释放冷量,对冷库进行制冷。以实验用0~50C冷库为例,该运行策略的相变蓄冷冷库投资回收周期为两年零七个月。
  (2)设计并搭建了冷库实验台及数据采集系统。基于冷库实验台采集结构信息和运行数据,建立了冷库的数学模型,并利用实验温度数据对数学模型进行验证。
  (3)建立了相变蓄冷冷库的解析模型、物理模型和数学模型,不同模型间呈现较好的一致性。基于冷库模型验证的参数,建立了相变蓄冷冷库的数学模型,对相变蓄冷冷库释冷过程进行模拟,验证相变蓄冷冷库能够满足实际应用中的冷量需求,模拟结果与实验结果表现出较好的一致性。进行了简单的经济性分析,回收周期短,收益优良。
  (4)对冰盘管蓄冷板布置方式,不同制冷剂进口温度、制冷剂进口流量、盘管密度和盘管管径进行了模拟分析。放置在冷库底部的蓄冷板可以加强冷库下部分的自然对流换热,布置在冷库侧壁的蓄冷板可以使冷库内部温度场分布更加均匀。降低制冷剂进口温度和增大制冷剂进口流量可以提高蓄冷板蓄冷率和蓄冷量,缩短蓄冰所需时间,但是前者的效果远远大于后者。提高蓄冷板盘管密度和盘管管径可以提高蓄冷板蓄冷率和蓄冷量,缩短蓄冰所需时间。在缩短蓄冰时间方面,增大盘管密度的效果更佳,但随着盘管密度的增大,其效果呈现衰减趋势。在提高蓄冷率和蓄冷量方面,增大盘管管径的效果更佳,且随着盘管管径的增大,其效果呈现加强趋势。
[博士论文] 于洋
化工过程机械 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:气波制冷是一种利用波系在振荡管内运动实现气体间能量传递与转化的制冷技术,具有膨胀效率较高、持液量大、易维护等特点。目前已成功应用于气体膨胀制冷领域,如中小型低温风洞及天然气低温处理系统。深入研究双开口振荡管管内气体流动特性与能量传递特性,寻求提高气波制冷性能的方法,有利于完善气波制冷理论,扩展气波制冷技术应用范围,促进气波制冷技术发展。
  研究发现,双开口振荡管具有较高的增压性能,这种增压现象源自于管内运动激波的动力学特性。利用这一增压方法强化气波制冷机性能是气波制冷技术发展的新方向。本文基于压力能回收思想,提出在气体膨胀制冷前利用激波构造一个增压过程,回收气体膨胀功,提升压缩机入口压力,降低压缩机增压比,大幅降低外部压缩机功耗。由于气体膨胀制冷前经历两次增压,一次利用激波增压,一次利用压缩机增压,因此该方法称为二次增压气波制冷方法,适用于提高带有外部增压的气波制冷系统性能。
  本文建立了实验平台并结合理论与数值技术对带有激波增压过程的气波制冷方法展开研究,研究内容与结论总结如下:
  (1)研究双开口振荡管管内气体波动过程。基于一维非定常流动理论,建立双开口振荡管气体流动波图,揭示双开口振荡管内气体流动与能量传递规律。分析了管内激波传递能量效率,得到了膨胀制冷压比与激波增压效率曲线。建立了双开口振荡管气波制冷机结构设计方法,该方法可以用于优化气波制冷机结构参数。
  (2)研究了双开口振荡管内冷热气体分界面形态,及其对带有增压过程的气波制冷性能的影响。提出两种揭示冷热分界面形态的图形表述方法。研究表明,冷热分界面宽度反映了双开口振荡管内冷热气体质量交换与能量交换程度。冷热分界面最远移动距离Lmax与低温排气宽度WLT对二次增压气波制冷性能影响较大,冷热分界面尾端排气掺混是影响制冷效率的重要因素。激波增压效率越高,冷热分界面形态由“宽”向“窄”变化,揭示了激波增压与低温排气腔宽度的匹配关系。控制冷热气体掺混区在振荡管内的位置可以提高气波制冷机性能。
  (3)研究了双开口振荡管内低温排气方向对制冷机性能的影响。依据低温排气方向不同,双开口振荡管可以分为通流型与返流型,通过数值与实验方法对比分析这两类双开口振荡管管内气体流动以及能量传递规律。研究表明,二者管内流动波图差异较大,但二者管内激波增压性能完全相同。由于通流型振荡管内部增加了一次低温气体与常温气体掺混过程,其管内波系匹配的精度要求更高。实验对比发现,气体泄漏及换热对通流型气波制冷机性能影响较大,返流型双开口振荡管更适合应用于制冷工况。
  (4)研究了利用激波传递能量的二次增压气波制冷方法。建立了带有外部增压与热量耗散过程流动模型,考虑了外部压缩机增压与冷凝器热量耗散作用,分析了整个制冷过程的能量传递与转换过程,数值计算结果与实验结果吻合度较高;建立了制冷系统热力学模型,分析了系统主要参数对制冷性能的影响,发现提高膨胀端效率是提升系统制冷性能的关键。开展实验分析,研究了操作参数与结构参数对二次增压气波制冷性能影响规律。研究表明,以制冷膨胀压比1.5为例,二次增压气波制冷性能是外循环耗散型气波制冷性能的2.3倍,高压气体约53%的膨胀功在双开口振荡管内通过激波得到回收,制冷性能获得大幅提升。
  (5)研究了带有增压过程的气波制冷脱湿方法。针对天然气降温脱湿的需求,利用激波传递能量恢复脱湿干气压力能,降低系统制冷过程膨胀比,提高制冷效率;回收干气冷量预冷下一个制冷周期的高压进气,增加制冷深度。由于含湿气膨胀过程与干气增压过程同时在双开口振荡管内进行,必然存在干湿气掺混段。本文提出了双开口振荡管内干湿气体掺混段的控制方法;建立了制冷脱湿过程的热力学模型,分析主要参数对系统性能的影响;最后进行了实验研究。研究表明带有增压过程的气波制冷脱湿方法在系统膨胀压比1.1条件下,获得了内部约35℃的制冷温降,脱湿干气压力恢复系数达到0.9,大幅提高了制冷深度与制冷效率。虽然该制冷脱湿方法不对外输出冷量,但是可用于气体脱湿净化过程。实验结果可以为工业应用提供指导。
[博士论文] 耿茂飞
核能科学与工程 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:作为现代大型过冷氦低温系统中的核心部件,冷压机综合了深低温领域的材料、传热、量子流体等众多的尖端科技。在国际上,只有极少数的如法液空和林德等低温企业掌握了冷压机技术。随着高能粒子探测器、核聚变装置、超导储能装置和高能加速器等大型科学工程的蓬勃发展,世界各地已经或者正在建设越来越多的大型过冷氦/超流氦低温系统,而掌握冷压机技术是其中的关键。
  目前,我国已经建成了多套过冷氦/超流氦低温系统,然而这些系统获得过冷氦/超流氦的方法仍然是在常温下用压缩机进行减压降温。常温压缩机存在诸多弊端和隐患,主要包括两方面:首先是管路负压,增加了系统真空度要求,否则容易污染重要零部件;其次,常温压缩机的尺寸、功耗和噪音都很大,不利于系统的进一步提升。国内对于过冷氦/超流氦研究尚处于理论阶段,大多集中在对超流氦的物性研究上。为掌握低温减压技术,本文设计、加工和装配了一台离心式冷压机样机,对变工质/工况条件进行了数值模拟,并在液氮温度下进行了低温测试,主要开展的研究工作如下:
  1.本文根据过冷氦系统的需求参数,设计了高效的后弯式叶轮;针对冷压机运行在深低温环境中,而其高速电机在常温环境下工作的情况,设计了一种有效的短距离、大温差的绝热结构,将3.5K-300K的轴向漏热降低到25.86W;同时,由于冷压机工作介质为极易泄漏的深低温氦气,本文设计了迷宫动密封、铟丝密封和空心金属O圈密封等多种特殊密封结构,有效地实现了对于深低温条件下氦气的密封。
  2.在运行环境改变时,为预测偏工况下冷压机的性能参数,并获得冷压机的理论喘振线,本文从理论角度分析了不同质量流量、不同转速下冷压机的性能参数变化情况,并通过冷压机的性能曲线预估了理论喘振线;同时,运用相似原理,预测采用低温氮气为替代工质时冷压机的性能参数。
  3.为验证理论计算的准确性,并进一步分析叶轮内部流体参数分布,本文运用数值模拟的方法,分析在设计工况下冷压机压比、效率及内部温度、压力和速度分布情况。在低温氦气和低温氮气条件下,获得偏工况运行时的性能曲线和喘振线。分析了不同叶项间隙对于冷压机压比、效率和稳定运行范围的影响,并进一步地考虑了温度对于叶顶间隙和冷压机性能的影响。进行冷压机振动模态分析,确定其各阶振动频率,指导冷压机实验运行。同时,采用数值模拟的方法,对冷压机的叶轮进行优化设计,提升叶轮效率并扩大稳定工作范围。
  4.进行了液氮温度下的测试,包括热负荷测试、喘振线测量、变工况性能曲线测量和不同叶顶间隙性能实验,并与前期的理论计算和数值模拟的结果进行对比,实验结果很好地验证了前文的结论。根据相似换算和液氮实验的结果,可以预测当冷压机在低温氦气工质下运行时,可获得3.5K的过冷氦,多变效率达到71%,满足设计需求,相似换算和液氮实验结果与设计需求的误差在4%以内。
[博士论文] 曹静宇
动力工程及工程热物理 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:相变蓄冷技术广泛应用于谷电蓄冷冰箱和太阳能冰箱等新型节能冰箱中,蓄冷部件和冷藏室之间的精确冷量输运及温度控制是蓄冷冰箱中的关键技术。分离式热管是一种结构简单、成本低廉的两相传热元件,在其基础上,本文提出了一种可控型分离式热管(Controlable separate heat pipe,CSHP),通过调节分离式热管内部的流动传热来主动控制分离式热管的传热速率,将其升级为能够精确控制传热速率的控温元件。CSHP在提高蓄冷冰箱温控精度和效率、实现高效精确控温等技术领域前景广阔。本文针对CSHP及其在蓄冷冰箱中的应用研究具体开展了以下工作:
  1、提出了一种可控型分离式热管,搭建了CSHP测试系统,通过对CSHP工质充注量和传热性能的模拟计算以及对其稳态传热性能的实验研究,优化了CSHP运行工况;在此基础上进一步测试了不凝气体对CSHP稳态传热性能的影响。R134a充注率达到38.9%时CSHP换热性能最佳,理论传热速率可达384.6W。
  2、对CSHP的换热启停能力进行了前期验证,初步对比了换热启停的控制模式对换热启停性能的影响。实验结果显示,当工质充注量合适时,CSHP能够在10~25s内快速启动、在80s内停止换热,且具有优异的快速换热重启性能;当管内掺杂的不凝气体含量升高至0.31%时,CSHP的启停耗时仍能够保持在2min以内。
  3、设计并搭建了一套具有蓄液器的CSHP测试平台,针对蓄液器对CSHP稳态性能和传热控制性能的影响进行了研究,并在此基础上完成了控制阀门位置的优化。增加蓄液器稳定了CSHP传热工况,但当工质充注率偏低时降低了CSHP换热启停的稳定性;当工质充注率为62%时,使用较低位置阀门的控制模式C表现出最佳的换热启停性能,其启动和停止的时间最短可分别达到25s和70s。
  4、搭建了基于CSHP的冰箱冷藏控温系统,完成了CSHP充注量优化,验证了CSHP的传热性能和启停性能,对CSHP控制下的冰箱冷藏温度调节和实际控温效果进行了系统性地测试。结果显示,在环境温度为16℃时最佳R134a充注率为35%,冰箱冷藏室平均温度能够在2~8℃的范围内任意调节,箱体内温度波动能够被控制到0.4℃以内,实现远优于传统直冷式冰箱的冷藏精确控温。
  5、在CSHP启停控制研究的基础上,提出了可控型分离式热管传热调节的方法,设计并搭建了CSHP传热调节测试系统,并对其调节响应、不同阀门开启角度下的传热特性进行了初步的实验研究和分析,结果表明,传热量的调节范围约为最大传热速率的85%,可控型分离式热管具有可靠的传热调节能力。
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