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本期目录
2020年 第71卷 第S1期 刊出日期:2020-04-25
    本期封面、中英文目次表
    化工学报. 2020, 71(S1):  0-0. 
    摘要 ( 56 )   PDF (12553KB) ( 58 )  
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    化工学报. 2020, 71(S1):  0-0. 
    摘要 ( 0 )   PDF (6909KB) ( 8 )  
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    热力学
    聚甲醛二甲醚体系汽液平衡数据的测定与关联
    宋卓栋, 张作毅, 潘学龙, 王云芳
    化工学报. 2020, 71(S1):  1-6.  doi:10.11949/0438-1157.20191346
    摘要 ( 64 )   HTML ( 7 )   PDF (482KB) ( 31 )  
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    通过改进的Rose汽液平衡釜在常压条件下测定了PODE2-PODE3二元体系的汽液平衡数据,对所测得的实验数据进行热力学一致性检验,结果表明所测汽液平衡可通过热力学一致性检验。使用Aspen Plus v8.8 模拟软件,分别对NRTL、Wilson、UNIQUAC活度系数模型进行关联,通过回归得到对应的二元交互作用参数,并将三种模型拟合所得到的汽液平衡数据与实验所得的数据相对比,得到拟合值与实验值的温度和气相组成的平均绝对偏差均不大于0.37 K和0.0044,表明3种模型的拟合结果与实验数据吻合均较好,偏差均在合理范围内。这些工作为化工数据库增添了精馏的基础数据,也为含PODE2和PODE3体系的精馏设计与工程设计的进一步深入研究奠定了基础。

    甲醇-甲醛-聚甲氧基二甲醚三元体系汽液平衡
    李攀, 孔慧, 宋卓栋, 张作毅, 王云芳
    化工学报. 2020, 71(S1):  7-14.  doi:10.11949/0438-1157.20190440
    摘要 ( 45 )   HTML ( 5 )   PDF (552KB) ( 28 )  
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    聚甲氧基二甲醚(PODEn)是一种含氧量较高的化合物,近年来更是发展为一种优质的柴油添加剂。在101.3 kPa恒定压力下,使用改进的汽液平衡双循环Rose釜测定了甲醇-甲醛-PODE2三元体系汽液平衡数据。运用最大似然原理,在Aspen Plus软件中,分别采用NRTL、Wilson以及UNIQUAC三种活度系数模型对测定的三元汽液平衡数据进行回归,分别得到三个模型所对应的二元交互参数以及模拟计算值。通过对比模拟值与实验值,得到温度和气相组成的平均绝对偏差,分别小于1.10 K、0.0250和0.0240。三个模型的关联结果均适用于此体系,得到的二元交互参数能够应用于甲醇-甲醛-PODE2三元体系的精馏设计,为相关物系的工业分离优化奠定了数据基础。

    异辛基乙二胺-酰基丙氨酸型质子化离子液体的分子间氢键相互作用
    刘佳鑫, 徐宇, 花儿
    化工学报. 2020, 71(S1):  15-22.  doi:10.11949/0438-1157.20191380
    摘要 ( 26 )   HTML ( 0 )   PDF (791KB) ( 12 )  
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    利用密度泛函理论M06-2X/6-311G(d,p)方法及基组条件下,对异辛基乙二胺-酰基丙氨酸型质子化离子液体[HEtHex]+[Acylala]-(Acyl =butanoyl, hexanoyl)的几何构型进行了优化,分别得到了5种较稳定构型S1~S5。结果显示,[HEtHex][Butlala]及[HEtHex][Hexlala]的基组重叠误差校正后的分子间相互作用能(ΔE0BSSE)均在-136.14~-117.26 kcal·mol-1(1 kcal·mol-1=4.182 kJ·mol-1)范围内,其中伯胺质子化构型(S1~S3)的相互作用能(-136.14~-127.01 kcal·mol-1)大于仲胺质子化构型(S4~S5)(-119.03~-117.26 kcal·mol-1)。由于[HEtHex][Acylala]阴阳离子间发生了质子转移而形成了较强的O—H…N型氢键,引起[HEtHex]+中N—H振动频率消失,并在2400~2815 cm-1处出现了较强的O—H的伸缩振动,即以分子与分子间的作用力键合。自然键轨道及分子中原子理论计算结果显示,[HEtHex][Acylala]间所形成氢键的稳定化能主要来源于[EtHex]分子中胺基N原子的孤对电子lp(N)与[Acylala]分子中羧基的反键轨道σ*(O—H)间的相互作用。并且分子间氢键能及二阶微扰能分别在18.69 ~ 24.19 kcal·mol-1及43.58 ~57.58 kcal?mol-1范围内,属于较强类型氢键作用。

    含空气净化过程的液态空气储能热力学研究
    王晨, 折晓会, 张小松
    化工学报. 2020, 71(S1):  23-30.  doi:10.11949/0438-1157.20191131
    摘要 ( 35 )   HTML ( 0 )   PDF (643KB) ( 9 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    针对现今液态空气储能(LAES)研究中普遍存在忽略空气净化过程能耗而使LAES系统能效被高估的问题,提出了一种含空气净化过程的LAES系统。该系统包含空气液化过程、液态空气释能过程和TSA纯化过程,通过全流程的仿真模拟验证系统可行性,并对其进行热力学分析。结果显示:提高液态空气释能压力、空气透平进口温度和储热油使用比例,可以有效提升系统的热力学性能;储存的压缩热仍有约36%未被完全使用,若将其全部回收利用,全系统效率可达0.623;该含空气纯化过程的LAES系统储电效率为0.471,比基线LAES系统低6.8%。

    基于理论的传热结构拓扑优化
    张庭玮, 李斌, 翟晓强
    化工学报. 2020, 71(S1):  31-37.  doi:10.11949/0438-1157.20191079
    摘要 ( 28 )   HTML ( 2 )   PDF (922KB) ( 17 )  
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    理论为基础,分析了在含有内热源的二维稳态导热问题中的耗散。并以此为目标函数,通过密度法建立拓扑优化模型并用全局移动渐近线(GCMMA)开展拓扑优化研究。对比分析了以最小耗散以及最小熵产得到的拓扑优化构型在传热性能上的异同。然后,以最小耗散为优化目标,进一步分析了不同高导热材料体积占比下最优传热拓扑结构。结果表明,最小耗散以及最小熵产得到的拓扑优化构型结构相似,均可大幅增加传热性能,系统的平均温度均可降低9℃以上。而对于传热结构来说,综合考虑优化效果以及成本,20%的体积占比是一个较优值,在此占比下,优化后的耗散仅为优化前的8.7%。基于理论的传热结构拓扑研究为肋片的结构设计以及传热强化提供了理论指导。

    费托蜡催化裂化反应生产清洁汽油的热力学分析
    韩建年, 王刚, 杨梅, 刘美佳, 高成地, 高金森
    化工学报. 2020, 71(S1):  38-45.  doi:10.11949/0438-1157.20190694
    摘要 ( 30 )   HTML ( 5 )   PDF (528KB) ( 48 )  
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    费托蜡主要由链烷烃组成,不含硫、氮等杂原子,是生产清洁汽油的优质原料。由于缺少芳烃和环烷烃,费托蜡催化裂化过程需要强化异构化、芳构化反应以实现降低汽油馏分烯烃含量、保持高辛烷值的目标。对费托蜡为原料的催化裂化反应体系进行热力学分析,重点计算了不同温度下生成汽油馏分主要烃类的反应焓变和反应平衡常数。研究结果表明,以大分子链烷烃为主的费托蜡,其裂化吸热反应焓变约为80 kJ/mol,反应平衡常数随温度的升高而增大,高温有利于一次裂化反应。对于异构化反应,主要是大分子链烷烃裂化为烯烃,再由烯烃分子转化为异构烷烃,因此对于异构化反应,可以通过优化反应器促进汽油烯烃的转化。在考察温度范围内,烯烃环化反应平衡常数随温度升高而减小,环烷烃脱氢芳构化反应平衡常数随温度升高而增大,所以适宜的反应温度是制约进一步增加汽油中芳烃的重要因素。

    回热式布雷顿热泵的生态学性能优化研究
    徐捷, 王浚, 庞丽萍, 刘猛
    化工学报. 2020, 71(S1):  46-50.  doi:10.11949/0438-1157.20191314
    摘要 ( 22 )   HTML ( 0 )   PDF (469KB) ( 6 )  
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    鉴于工业发展与环境保护之间的矛盾愈发尖锐,对于空气源热泵的研究亦愈发受到重视。针对不可逆回热式布雷顿热泵,以制冷量与循环熵产之比(ECOP)为优化目标,进行了系统性能优化与分析。该系统的优化分析过程充分考虑了不可逆度,冷/热边换热器、回热器的有限换热效率,压缩机、膨胀机的非等熵压缩/膨胀损失以及系统热损等因素,通过理论分析与数值推导,得出了生态学性能系数最优条件下的系统运行匹配参数关系。

    将CO2、R170和R41应用于跨临界空气源热泵热水器系统的性能对比研究
    化工学报. 2020, 71(S1):  51-56.  doi:10.11949/0438-1157.20191137
    摘要 ( 25 )   HTML ( 1 )   PDF (702KB) ( 7 )  
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    基于一套空气源热泵热水器系统,首先建立了相关的热力学参数计算模型,之后将CO2、R170和 R41这3种制冷剂分别应用于该系统,并对跨临界循环的热力学性能及效率进行计算,最后对各性能参数进行详细对比。研究结果表明:在同样的工况下对比COPheat效率,R41系统分别比CO2系统提升了31.77%和23.34%,而R170系统则提升了4.9%和3.6%;R41和R170在提升系统制热量方面也具有明显的优势;R41和R170的系统最优运行高压也比CO2系统分别降低了35%和43%。因此,除了CO2外,R41和R170也是另外2种很有潜力的应用于跨临界循环的制冷剂。

    流体力学与传递现象
    大空间重气泄漏下速度场、浓度场特性分析
    张倩茹, 张旭, 叶蔚, 职承强, 黄奕翔, 赵文萱, 高军
    化工学报. 2020, 71(S1):  57-67.  doi:10.11949/0438-1157.20191163
    摘要 ( 22 )   HTML ( 1 )   PDF (2355KB) ( 7 )  
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    在实际的工业场景中,机器设备等障碍物的存在对污染物的扩散及分布有着很重要的影响。考虑了在有障碍物的大空间中,泄漏位置在障碍物两侧的场景。定义了污染源重力作用强度指标、无量纲浓度以及易燃易爆区域占比。用实验验证了计算流体力学(CFD)模型的准确性,进而用CFD计算了不同污染物释放速率时的速度场及浓度场。计算结果表明,随着污染物释放速率的增加,速度场的结构和浓度场的分布形式都发生变化。当无量纲数θinlet超过0.0288时,污染源附近会出现新的涡流,而无量纲浓度分布开始出现垂直分层的趋势。当污染源体积释放速率超过2.66667×10-5 m3/s时易燃易爆区域的大小变得显著,导致潜在的爆炸风险。

    运载火箭共底贮箱加注过程非稳态温度分布数值模拟
    王彬, 杨瑞生, 郑卫东, 周芮, 张小斌
    化工学报. 2020, 71(S1):  68-76.  doi:10.11949/0438-1157.20190824
    摘要 ( 33 )   HTML ( 1 )   PDF (1438KB) ( 9 )  
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    以液氧和煤油为推进剂的新一代运载火箭,承力式共底贮箱结构一方面可以缩短整个运载器长度,改善运载器长径比,二能取消液氧贮箱与煤油贮箱间的箱间段,减轻结构质量。但要求共底夹层需要良好的隔热性能,同时承受煤油箱和液氧箱双向压力载荷。获得加注过程共底夹层的温度非稳态分布是分析夹层隔热和应力性能的基础。基于CFD方法,模拟了液氮加注过程,共底贮箱包括液氮贮箱和煤油贮箱以及共底夹层,从室温到加注完成的非稳态温度分布。数值模型考虑了贮箱表面可能结冰时的热边界条件变化以及由于壁面漏热导致的液氮/氮蒸气相变蒸发。为了防止煤油局部温度过低,重点分析了叉形环处包裹或未包裹PMI绝热材料对煤油温度场和液氮蒸发率的影响。计算结果表明,叉形环处包裹绝热材料时在自然蒸发阶段煤油局部最低温度小于240 K,而未包裹绝热材料时局部最低温度大于260 K,满足设计要求。仿真结果为液氧和煤油共底贮箱的优化设计提供参考。

    飞行器机载精密仪器温控系统性能的实验研究
    李阳, 常守金, 胡海涛, 孙浩然, 赖展程, 刘善敏
    化工学报. 2020, 71(S1):  77-82.  doi:10.11949/0438-1157.20200127
    摘要 ( 19 )   HTML ( 0 )   PDF (951KB) ( 7 )  
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    为提高飞行器机载精密仪器的性能,设计了一种基于被动散热与主动控温的温控系统。该系统采用热管和辐射涂层作为被动散热装置将仪器内热量传出,再利用半导体制冷器和保温层进行第一级控温,并利用电加热装置进行第二级控温,最后设计控制逻辑进行控温。搭建了验证实验台,测试了不同工况下温控系统的温控精度。结果表明,在不同环境温度和温控系统设定温度工况下,该温控系统的温控精度均在±0.1℃以内。

    微尺度通道内R134a的冷凝传热实验研究
    詹宏波, 郑文远, 文涛, 张大林
    化工学报. 2020, 71(S1):  83-89.  doi:10.11949/0438-1157.20191168
    摘要 ( 24 )   HTML ( 0 )   PDF (951KB) ( 11 )  
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    建立采用射流冲击进行制冷剂冷却的冷凝传热实验系统,对当量直径为0.63 mm矩形微尺度通道内制冷剂R134a的冷凝传热特性进行研究。实验参数范围是制冷剂干度0~1,质量流率115~290 kg/(m2·s),饱和压力0.35~0.5 MPa,实验获得了不同工况下微尺度通道的局部冷凝传热系数,并分析了制冷剂各参数对冷凝传热的影响。实验结果表明:冷凝过程中沿制冷剂流动方向,局部冷凝传热系数会随着干度减小而减小;在一定饱和压力下,局部冷凝传热系数与局部热通量相对应;冷凝传热系数随着饱和压力减小而增大。基于实验数据,整理出适用于本实验工况下微尺度通道内R134a的冷凝传热计算公式。

    聚合物熔体动态黏弹特性微尺度效应实验研究
    刘奎, 王敏杰, 赵丹阳, 王艳色
    化工学报. 2020, 71(S1):  90-97.  doi:10.11949/0438-1157.20200052
    摘要 ( 30 )   HTML ( 1 )   PDF (2279KB) ( 12 )  
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    针对聚合物熔体在微流道内,因拉伸/压缩作用导致的黏弹特性受物理尺度影响的问题,通过动态剪切流动实验系统研究了四种聚合物材料的黏弹特性,以及黏弹特性随物理尺度的变化规律。结果表明,在角频率1~100 rad/s的范围内,聚酰胺、聚氨酯、聚乳酸均表现出耗能模量大于储能模量的黏性占优特征,聚丙烯在高频区时表现出弹性占优特征。储能模量与耗能模量均随着物理特征尺度的减小而降低。物理特征尺度从1000 μm减小到250 μm的变化过程中,聚氨酯、聚酰胺和聚丙烯三种熔体的弹性效应对微尺度变化的敏感性比黏性效应强烈,储能模量变化率与耗能模量变化率的差值分别为5.8%、4.2%和2.6%。聚乳酸熔体的黏性效应对微尺度变化的敏感性与弹性效应基本一致,其储能模量变化率与耗能模量变化率的差值为-0.3%。材料分子链特征的差异导致储能模量与耗能模量随物理特征尺度减小的变化率不同。熔体黏弹特性对微尺度变化敏感性的强弱依次为聚氨酯、聚酰胺、聚丙烯和聚乳酸,其黏弹性特征参量的变化率分别为28.6%、22.6%、20.6%和19.45%。

    换热器结构优化与换热性能评价指标研究
    刘秀峰, 张诗, 周志杰, 郑浩, 王成泽, 时红远, 李梦杰
    化工学报. 2020, 71(S1):  98-105.  doi:10.11949/0438-1157.20191189
    摘要 ( 44 )   HTML ( 1 )   PDF (860KB) ( 36 )  
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    某运载器中冷却器存在若干问题:壳侧压力损失较大;采用的弓形折流板结构使得壳侧工质呈现出Z字形流动,在折流板后易形成流动死区,促使壳侧结垢,使得换热器总传热性能降低。提出了两种针对壳侧结构的强化换热设计方案。方案一为减少弓形折流板数量、增加折流板间距;方案二为采用螺旋折流板替换原有的弓形折流板。为验证文中采用的热力设计方法的准确性,根据文献中的实验结果针对弓形折流板和螺旋折流板管壳式换热器热力设计方法进行了验证,结果表明文中采用的热力设计方法得到的计算数据与实验结果的偏差在37%以内,满足工程设计需求。优化方案根据优化参数不同,其优化结果有所不同,基本存在以下规律:优化设计可使换热器管壳两侧总压降减小,但同时其换热性能也下降。因此,需要一个综合指标来进行评价。文中提出以换热量Q与换热器流动阻力引起功耗的比值作为综合性能评价指标。该指标表示换热系统克服换热器流动阻力消耗单位泵功下的换热量,其值越大,单位泵功下换热量越高,经济性越好。经过计算发现最优方案相对原始方案,综合评价指标提高了约22.2%。

    隔板式内循环流化床压力脉动信号递归分析
    张兵, 魏利平, 滕海鹏
    化工学报. 2020, 71(S1):  106-113.  doi:10.11949/0438-1157.20190876
    摘要 ( 19 )   HTML ( 0 )   PDF (894KB) ( 7 )  
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    隔板式内循环流化床中流化态及颗粒循环特性对压力脉动信号特征具有重要影响,其作用机制尚未完全清楚。测量了隔板式内循环流化床在不同气速比条件下的压力脉动信号,通过时域及递归分析,获得了压力脉动信号的标准差、递归率、确定性及香农熵等特征参数。结果表明,随着表观气速比的增加,内循环中颗粒循环状态存在未循环、鼓泡循环、过渡循环和湍动循环四个阶段;通过压力脉动信号的标准差、递归图黑白结构占比和递归特征参数可识别这四种循环状态,递归特征参数在不同循环区域内显示出良好的线性关系,可用于识别隔板式内循环流化床系统的循环状态。

    附加空气层的多层墙体热湿耦合非稳态传递模型及验证
    何雪琼, 张会波, 禹国军, 石诚楠
    化工学报. 2020, 71(S1):  114-119.  doi:10.11949/0438-1157.20191272
    摘要 ( 23 )   HTML ( 0 )   PDF (729KB) ( 9 )  
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    为准确预测附加空气层的多层墙体内的温湿度分布和动态变化,研究多孔介质墙体内的热湿耦合非稳态传递规律,基于Luikov、Fick定律等基础传递理论,推导出热湿空气在墙体内部的瞬态耦合传递控制方程。通过对控制方程驱动势、方程项系数的改进,以空气含湿量和温度为驱动势,建立了建筑多孔介质墙体热湿耦合传递非稳态模型。采用有限容积法隐式差分格式设计了MATLAB模拟计算程序,设置相应的初始条件和边界条件,计算附加空气层的多层墙体内温度、湿度、传热和传湿量随时间变化的分布规律。最后,通过对比新建模型模拟结果与WUFI软件的模拟计算结果,验证了模型的准确性和可行性。

    新型微通道平板热管蓄冰性能
    刘子初, 全贞花, 赵耀华, 靖赫然, 姚孟良, 刘新
    化工学报. 2020, 71(S1):  120-128.  doi:10.11949/0438-1157.20191143
    摘要 ( 35 )   HTML ( 1 )   PDF (1484KB) ( 26 )  
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    将微通道平板热管应用于蓄冰技术,设计了一种新型热管蓄冰装置,介绍了该装置的结构和工作原理,搭建了热管蓄冰实验台。对微通道平板热管作为蓄冰装置核心传热元件的适用性进行了实验验证,并对采用R141b和丙酮两种不同沸点工质热管的蓄冰装置在蓄冰过程中的温度分布、蓄冷功率、蓄冷量和蓄冷能量密度等特性进行了对比分析。实验结果表明,微通道平板热管蓄冰装置具有良好的蓄冷性能,相同时间内,R141b和丙酮热管的平均蓄冷功率分别为0.14 kW和0.187 kW,单位质量蓄冷量分别为139.22 kJ·kg-1和184.33 kJ·kg-1;丙酮比R141b热管具有更好的均温性能和传热能力,蓄冰性能更好;丙酮和R141b热管结构蓄冰装置的蓄冷能量密度分别为22.54 J·K-1?kg-2和17.61 J·K-1?kg-2,性能优于圆形热管蓄冰装置。

    运行压力对超声雾化溶液除湿系统性能的影响
    杨自力, 郜彩云, 龚斐然, 余旭芸, 余赟, 蔡天逊
    化工学报. 2020, 71(S1):  129-135.  doi:10.11949/0438-1157.20191134
    摘要 ( 22 )   HTML ( 0 )   PDF (877KB) ( 10 )  
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    基于溶液除湿热质传递过程中所遵循的质量平衡、能量平衡模型,以超声雾化溶液除湿系统(UADS)为例,探讨了在不同空气处理温度、湿度下,系统运行压力对除湿性能的影响。结果表明:随着运行压力的升高,UADS系统的除湿性能显著改善。特别是在所处理空气入口温度较高时,提升系统运行压力对除湿效率的提高作用更加显著。同时,当所处理空气的含湿量较大时,提高运行压力对系统除湿速率的增幅明显,而对除湿效率的改善作用减弱。此外,当除湿系统在较高压力下运行时,其除湿效率受所处理空气入口温湿度变化而产生的波动减小,系统性能稳定性显著改善。所得结果可对溶液除湿系统的高效、稳定运行提供积极参考。

    基于M-L湍流模型的浮空器强迫对流换热
    裴后举, 蒋彦龙, 施红, 崔永龙, 陈常栋, 钱晓辉
    化工学报. 2020, 71(S1):  136-141.  doi:10.11949/0438-1157.20191105
    摘要 ( 23 )   HTML ( 0 )   PDF (503KB) ( 7 )  
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    外表面强迫对流换热是影响临近空间浮空器热控的重要因素,而流体的流动状态对强迫对流换热具有十分重要的影响。目前对浮空器外表面强迫对流换热的仿真研究多采用雷诺时均方程,将流动作为全湍流进行计算,且并未考虑转捩现象的影响。为了研究转捩现象对强迫对流换热的影响,首先通过在Reynolds数为1.14×106情况下采用M-L转捩模型球体浮空器绕流得到的结果与实验结果以及采用Shear Stress Transfer(SST)k-ωk-ε模型模拟结果进行对比分析,验证了M-L转捩模型在模拟球体浮空器强迫对流换热时的优越性。在验证数值模拟方法的基础上,分析了Reynolds数对球体浮空器强迫对流换热的影响。基于数值模拟得到的结果,在Reynolds数为106~108的范围内,拟合得到了球体浮空器强迫对流换热关系式。

    置换通风模式下多元对流室内热与污染物输运
    王磊, 赵福云, 蔡阳, 汪维伟, 王云鹤, 杨国彪
    化工学报. 2020, 71(S1):  142-148.  doi:10.11949/0438-1157.20191091
    摘要 ( 19 )   HTML ( 0 )   PDF (907KB) ( 17 )  
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    通过数值模拟的手段研究不同进出口布置方式对置换通风模式下混合对流开口腔内热质输运过程的影响,并且利用流函数、热函数和质函数深入研究与揭示开口腔内热与气态污染物的输运过程与机理,系统分析了不同控制参数对开口腔内的气体流动结构和热质输运能力的影响。结果表明不同的进出口布置方式在开口腔内热和污染物的输运及其室内扩散范围上展现了相反的双重效果:进出口布置在两侧的方式具有更大的热与污染物输运能力;进口在两侧底部,出口位于顶部的布置方式在开口腔内具有更小的热与污染物扩散半径。研究结果对室内热与污染物排放和控制以及电子器件冷却有一定的借鉴意义。

    横流环境中压电风扇耦合射流流动换热特性
    李鑫郡, 陈玮玮, 鹿世化
    化工学报. 2020, 71(S1):  149-157.  doi:10.11949/0438-1157.20191080
    摘要 ( 24 )   HTML ( 1 )   PDF (2079KB) ( 9 )  
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    利用激光多普勒测振仪分别测定攻角和横流速度对压电风扇振幅的影响。基于相应的振动测试结果利用动网格技术对横流环境中不同安装角度下压电风扇冷却加热壁面的三维非定常流动和传热特性进行了数值模拟,同时应用红外热像仪对相同横流条件工况下加热表面的局部对流传热系数分布进行了测量。研究结果显示,攻角为90°时,作用在风扇上的气动载荷最小,风扇振幅最大,而随着攻角的减小风扇振幅也逐渐减小;安装角为90°时,压电风扇振动以及横流作用所诱导形成的耦合涡结构冲击加热表面,并在下游区域具有明显的脱落、破碎过程,对于叶尖包络区对应的壁面局部对流换热有显著的强化作用,此时风扇耦合换热性能最强,高于45°和135° 2倍以上;且时均对流传热系数的实验结果与数值模拟具有良好的一致性。

    膜蓄能器放能过程的传热传质特性分析
    孙苏芮, 王德昌, 张金翠, 刘振, 李延辉
    化工学报. 2020, 71(S1):  158-165.  doi:10.11949/0438-1157.20191209
    摘要 ( 21 )   HTML ( 1 )   PDF (1159KB) ( 25 )  
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    膜构架蓄能器是以中空纤维膜为基本结构,不仅能够实现蓄能,同时能够解决溴化锂溶液浓度差蓄能器中结晶后的放能困难的问题。搭建了膜蓄能器放能过程传热传质实验测试系统,建立了应用于太阳能吸收式制冷系统中的膜架构蓄能器传热传质的三维数学模型,并利用 CFD 软件进行了求解。将计算结果与实验结果相比较,验证了该三维非稳态数学模型的可靠性。实验和仿真结果表明,质量分数为70% 的溴化锂溶液的水蒸气分子平均传质速率比质量分数为60%的溶液高44.03%;当蒸发温度从4.5℃提高到12.3℃时,水蒸气分子的平均传质速率将提高108.34%;当膜通道的有效长度从80 mm减少到30 mm时,水蒸气分子的传质速率会提高40.77%。

    某型运输机飞行状态下冷凝器风道性能
    张行, 庞丽萍, 王莹
    化工学报. 2020, 71(S1):  166-171.  doi:10.11949/0438-1157.20191093
    摘要 ( 18 )   HTML ( 0 )   PDF (998KB) ( 5 )  
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    以某型运输机蒸发循环制冷系统用冷凝器为研究对象,分析了运输机与直升机、小型通航飞机蒸发循环制冷系统工作环境的区别,应用Star CCM+软件进行了仿真建模,通过对冷凝器风道的流体仿真分析,阐述了飞行状态下引起蒸发循环制冷系统压力故障的原因,在此基础上提出了冷凝器风道优化方案,并应用流体仿真分析的方法,验证了优化方案的有效性,最后在该运输机上进行了试飞验证。

    板翅式换热器压力特性工程计算方法
    贺鹏程, 庄莉, 胡亮, 刘刚, 王瑞琪, 包亚强
    化工学报. 2020, 71(S1):  172-178.  doi:10.11949/0438-1157.20191096
    摘要 ( 25 )   HTML ( 0 )   PDF (643KB) ( 13 )  
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    换热器是工业的基础设备,也是飞行器中的重要设备,其广泛应用于发动机、飞行器环境控制等飞机需要换热的系统中,用于维持人员舒适安全和设备高效正常运行,其准确工程设计方法影响设备及系统的可靠运行,很多换热器设计文献对其压力相关计算问题进行了详细说明,但将换热器设计和流体力学文献进行对比和分析,发现两者在一些概念和定义上存在差异,根据流体力学文献中的概念提出了相应的换热器压力特性工程计算公式。具体选取了一种空气换热器常用的锯齿翅片作为算例,不考虑散热的绝热情况,构建单流程及双流程板翅式换热器,以涵盖突扩、突缩、90°和180°局部等结构变化的压力变化特性计算,运用Halton序列进行拟Monte Carlo对一定跨度内的温度、压力、Re的单流程、双流程换热器出口条件进行计算,经过这两类换热器计算统计发现:封头压降和压力损失在整个换热器压损中占比概率情况下较小,概率密度最大在0.05附近,换热器总压降在大部分情况下较出口压力小,流体性质可按固定压力计算。

    基于斯特林制冷机的文物恒湿展柜设计及实验研究
    汪宁, 张学军, 赵阳, 甘智华, 张春伟, 余萌
    化工学报. 2020, 71(S1):  179-186.  doi:10.11949/0438-1157.20191100
    摘要 ( 34 )   HTML ( 0 )   PDF (706KB) ( 5 )  
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    博物馆文物保存过程中相对湿度对文物的影响尤其重要,因此针对目前小型展柜广泛采用的半导体制冷存在制冷量小的缺点,结合斯特林制冷机制冷量大、寿命长、安全可靠等优点,设计并搭建了一台基于斯特林制冷的文物恒湿展柜装置,实现对微环境中相对湿度的精确调节。将斯特林制冷机的冷头置于优化设计的水槽中用于控制水温,采用空气与水直接接触的方式控制展柜内空气湿度。结果表明:使用散热片以及小型循环水泵可以大幅提升冷头与水之间的换热效率;合理的风机控制策略可以有效提升展柜湿度调节速度,维持湿度稳定,降低系统能耗;展柜内的相对湿度在45.0%~65.0%之间连续可调,并能保持稳定。

    新型直升机热泵空调系统驾驶舱热控性能
    罗坤, 毛晓东, 庞丽萍
    化工学报. 2020, 71(S1):  187-193.  doi:10.11949/0438-1157.20191136
    摘要 ( 21 )   HTML ( 0 )   PDF (1234KB) ( 6 )  
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    直升机飞行过程往往需要面临低温环境,为了保障人员和设备的正常工作,需要对驾驶舱进行加热,但发动机引气产生代偿损失。因此,提出了一种新型直升机热泵空调加热系统,该系统以经过滑油-冲压空气换热器加热的冲压空气为热源,采用热泵循环的方式对座舱进行供热,对滑油废热进行了回收利用。在所提出的热泵空调系统方案的基础上,建立了该系统仿真模型,对地面低温环境条件直升机全飞行任务阶段的驾驶舱温度瞬态响应以及热泵系统工作性能进行了动态仿真研究。结果表明,该新型热泵空调系统能够满足直升机低温环境下的供热需求,且在工作温度范围内其制热能力和制热效率均明显更高,系统低温工作性能得到提高,直升机的低温环境适应能力得到显著提升。

    分流三通气动噪声偶极子声源特性的数值分析
    刘雅琳, 王珂, 赵蕾
    化工学报. 2020, 71(S1):  194-203.  doi:10.11949/0438-1157.20191145
    摘要 ( 18 )   HTML ( 0 )   PDF (1994KB) ( 7 )  
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    为研究空调通风系统中因存在三通等局部构件而引起的气流再生噪声产生机理,从声源处对其进行控制,采用声学有限元与计算流体动力学相结合的方法,对分流三通局部管段内气动噪声进行分析,获得了管道内表面气动噪声源的强度及其分布规律。探讨了支管前过渡倾角和支管流量分配比对声源强度与噪声传播特性的影响。研究结果表明:当气流流经分流三通管道时,由湍流运动引起的偶极子声源占主导地位,且主要噪声源位于支管处;在支管入口前增加倾角,可削弱声源强度,减少声波向声场传递的声能量,存在某个最优倾角角度使最大声源强度最低;若仅改变支管流量分配比例,声源强度改变,气动噪声主要声源位置不发生变化。倾角与流量分配比变化会导致管道内流体的非定常涡旋运动改变,从而影响到表面偶极子声源强度与噪声传播。

    飞行器燃料再生冷却热管理系统参数设计
    陈玮玮, 方贤德, 鹿世化, 林福建, 张烨
    化工学报. 2020, 71(S1):  204-211.  doi:10.11949/0438-1157.20191223
    摘要 ( 17 )   HTML ( 0 )   PDF (903KB) ( 6 )  
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    考虑飞行器的服役环境以及热管理系统质量与几何尺寸的设计要求,探讨了以航空燃料再生冷却技术为基础的高超声速飞行器综合热管理系统的方案。根据不同的热载荷种类和换热方式,结合新提出的超临界压力碳氢燃料管内传热关联式,给出了飞行器热管理系统中两种类型换热设备的传热参数设计方法。利用MATLAB/SIMULINK平台的图形化交互界面创建并封装了飞行器热管理系统的主要功能模块,并以国内典型的RP-3型航空煤油为例,实现了以航空燃料为热沉的热管理系统参数设计过程。

    机载冷源参数对蒸发循环系统性能的影响
    王瑞琪, 高赞军, 杨华, 胡文超, 詹宏波
    化工学报. 2020, 71(S1):  212-219.  doi:10.11949/0438-1157.20191274
    摘要 ( 15 )   HTML ( 0 )   PDF (1164KB) ( 5 )  
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    为了深入研究机载蒸发循环系统的工作特性及为搭建仿真计算模型做准备,基于试验室已有设备和条件,以一台新型微通道换热器作为研究对象,以R134a为工质,通过控制压缩机转速和电子膨胀阀开度一定,分别调节冷源温度和流量,考察冷源温度和流量对压缩机入口过热度、热源出口温度和制冷量的影响,并基于试验数据搭建了针对该蒸发器的仿真计算模型。试验结果表明在试验工况下,冷源防冻液入口温度对系统性能的影响明显,随冷源入口温度升高,压缩机入口过热度逐渐降低、热源出口温度明显升高,但冷源流量对系统性能的影响不显著。基于试验数据,建立了蒸发器仿真计算模型,将该模型应用于蒸发循环系统模型中,对比试验数据和仿真计算数据,可知,该蒸发器仿真计算模型准确可靠,可用于针对该蒸发器的性能仿真计算。

    基于纳米增强相变材料的铜-水热管传热性能分析
    田东民, 吴延鹏, 陈凤君
    化工学报. 2020, 71(S1):  220-226.  doi:10.11949/0438-1157.20200113
    摘要 ( 25 )   HTML ( 1 )   PDF (1153KB) ( 7 )  
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    基于磁力搅拌和超声振荡处理工艺制备了含有不同质量分数纳米氧化铝颗粒的月桂酸固体悬浮液,并测试其热导率。利用相变材料与普通热管绝热段的耦合方式,通过测量不同加热模式下热管各部分的温度,对热管的性能进行分析。结果表明:月桂酸包裹在热管绝热段周围时,可有效降低蒸发段的温度。加入适量浓度的金属氧化物纳米颗粒后,其导热能力得到强化。热管的冷却性能随着月桂酸中氧化铝纳米颗粒浓度增长,先增长后降低,质量分数1.0%为最佳浓度。相比纯月桂酸与普通热管的耦合模块,加入1.0%的氧化铝颗粒可降低10%的蒸发段温度,降低60%的风机能耗,可在加热期间存储27%的热能。

    不同推进式桨叶对搅拌反应器内气液两相混合特性的影响
    黎义斌, 宋亚娟, 歹晓晖, 李正贵
    化工学报. 2020, 71(S1):  227-235.  doi:10.11949/0438-1157.20191315
    摘要 ( 26 )   HTML ( 1 )   PDF (1159KB) ( 21 )  
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    为了研究不同推进式桨叶对搅拌反应器内气液两相混合特性的影响,以某搅拌反应器的推进式桨叶为研究对象,将搅拌聚合物简化为含5%气体的清水介质,基于螺旋桨叶片设计方法和CFD流场仿真技术,采用VOF多相流模型和RNG k-ε 湍流模型,对四种推进式桨叶内部气液两相流动进行数值分析,实现了推进式桨叶参数设计和性能优化。分析设计转速在400 r/min时的径向速度、0~18 s的时间范围内气体体积分数的变化、无量纲气体体积分数以及无量纲轴向速度,来评价四种推进式搅拌反应器搅拌性能的剪切、混合、分散。研究结果表明:变螺旋角(FDC-450-γ)非对称桨叶的流动更均匀、混合速率更快和剪切分散能力能强。通过对四种不同推进式桨叶的比较分析,为后续的研究和工程实践奠定了基础。

    蒸发冷却冷水机组的原理、性能与适用性分析
    常健佩, 黄翔, 安苗苗, 李朝阳
    化工学报. 2020, 71(S1):  236-244.  doi:10.11949/0438-1157.20191210
    摘要 ( 34 )   HTML ( 4 )   PDF (2146KB) ( 11 )  
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    总结了蒸发冷却冷水机组结构类型和工作原理,理论和实测验证了间接蒸发冷却的湿通道侧发生的并非绝热等焓直接蒸发冷却。根据对间接预冷式蒸发冷却冷水机组的性能测试分析,间接蒸发冷却器的湿球效率在41%~92%之间,立管、板管、露点间接蒸发冷却器比卧管间接蒸发冷却器效率高,间接预冷式蒸发冷却冷水机组制备冷水可达到亚湿球温度,制备冷水温度受间接蒸发冷却器效率、填料塔内气水比、外热源影响。以间接预冷式蒸发冷却冷水机组、机械制冷冷水机组、乙二醇自然冷却为冷源的数据中心空调系统,水侧蒸发冷却与乙二醇自然冷却应用在乌鲁木齐市、北京市、上海市的时间分别为8736、6261、4708 h,相比机械制冷的全年节电率分别为62%、53%、46%。

    基于红外测温的文物冷冻干燥监测技术
    张绍志, 李扬, 徐以洋, 郑幼明, 栾天, 卢衡
    化工学报. 2020, 71(S1):  245-251.  doi:10.11949/0438-1157.20191180
    摘要 ( 19 )   HTML ( 1 )   PDF (1269KB) ( 8 )  
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    为了给大型、大批量文物的冷冻干燥保驾护航,以饱水木质文物为样品,结合红外温度传感器和红外热像仪,对文物的冷冻过程进行温度监控。结果表明,红外温度传感器对样品表面温度变化十分灵敏,能有效跟踪温度的动态变化过程,但测量准确性会受样品发射率、环境波动等因素的影响。红外热像仪经发射率标定后可达到较高的测量精度,利用热成像得到的图像,可直观地筛查样品表面的最高/最低温度区。经过分析,样品在靠近仓内换热器端的位置,表面温度较低,靠近仓门的位置,表面温度较高,且样品上表面温度略低于侧面温度。根据红外测温结果,预期能给出冷冻干燥设备控制的建议,降低文物冻干失败的风险,减轻文保工作者的工作负担。

    分离工程
    电纺zein-SLS纤维膜的制备及其离子吸附性能研究
    武君媛, 霍伟智, 李志强, 曾嘉恒, 江燕斌
    化工学报. 2020, 71(S1):  252-260.  doi:10.11949/0438-1157.20191063
    摘要 ( 28 )   HTML ( 0 )   PDF (1901KB) ( 11 )  
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    选用玉米醇溶蛋白(zein)作为鞘层包裹材料、木质素磺酸钠(SLS)作为芯层强化材料,采用同轴电纺技术制备了可有效吸附重金属离子的zein-SLS纤维膜。优化了膜制备工艺条件,确定纺丝电压适宜为14 kV,芯鞘层进料速率比适宜为1∶1。TEM证实,SLS被成功包埋于zein纤维膜中,但其负载量、包埋率和流失率受溶液pH的影响。离子吸附测试结果表明,SLS的加入可强化zein纤维膜对三种金属离子Ni2+、Zn2+、Cd2+的吸附效果,其中对Zn2+吸附能力的强化效果最为显著,上述吸附过程符合准二级吸附动力学模型。同时,在酸性条件下,随着pH的上升,zein纤维膜对Ni2+、Zn2+、Cd2+的吸附能力逐渐提高。

    单通道陶瓷膜管低压透水性能实验分析
    滕达, 李铁林, 李昂, 安连锁, 沈国清, 张世平
    化工学报. 2020, 71(S1):  261-271.  doi:10.11949/0438-1157.20200067
    摘要 ( 20 )   HTML ( 0 )   PDF (3761KB) ( 9 )  
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    无机陶瓷膜作为多孔介质具有分离效率高、耐酸、耐碱等优点,被视为在海水淡化、废水处理、气体分离等领域的研究热点。采用Al2O3管式单通道陶瓷膜材料构建膜组件,以燃煤电厂自来水、烟气冷凝水、脱硫废水三种不同水质为例,开展低跨膜压差下的膜组件透水性能实验,研究了膜参数、跨膜压差及水体温度等因素对渗透通量、渗透水质的影响,并对引发膜污染的机理过程进行了探讨分析。实验结果表明:陶瓷膜管的结构参数是关键因素,如孔隙率、孔径及厚度等;低跨膜压差下的渗透通量随压力增大呈线性提高,并未发现浓差极化现象,水体温度变化通过改变黏度进而影响渗透通量,同时水质较差时会导致渗透通量降低;陶瓷膜管的孔径是影响渗透水质的核心要素,微滤与纳滤膜对改善悬浮物含量、浊度及色度效果明显,不同孔径对盐度、电导率影响不同;从SEM图可以看出,污染物在膜表面或膜内部发生的沉积、架桥等现象导致严重的膜污染。充分认识影响陶瓷膜管渗透特性的关键因素及污染物的作用机理,对提高无机陶瓷膜的应用前景具有重要意义。

    复合吸附剂MWCNT/MgCl2的水蒸气吸附性能
    赵惠忠, 雷敏, 黄天厚, 刘涛, 张敏
    化工学报. 2020, 71(S1):  272-281.  doi:10.11949/0438-1157.20190915
    摘要 ( 24 )   HTML ( 3 )   PDF (1258KB) ( 14 )  
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    通过研磨将多壁碳纳米管分别与质量分数为30%、40%和50%的无水氯化镁复合,制备了3种不同配比的复合吸附剂MWCNT/MgCl2。采用数字化扫描电子显微镜(SEM)观察复合吸附剂表面材质的结构样貌,通过Hot Disk热常数分析仪测得复合吸附剂的热导率,使用恒温恒湿箱选取具有代表性的温湿度,测试复合吸附剂在不同工况下的水蒸气吸附性能,并采用准二级动力学模型对25℃、50% RH工况下的实验数据进行拟合,应用Autosorb-IQ全自动气体分析仪测试了三种样品在25℃下的等温吸湿曲线。实验结果表明,相同温湿度工况下,随着氯化镁含量增加,复合吸附剂的吸附量提高,25℃、50% RH下氯化镁含量为30%、40%和50%的复合吸附剂M1、M2和M3的吸附量分别为0.62、0.79和0.94 g/g;恒定湿度为50% RH,温度变化为15~35℃时,复合吸附剂吸附量受温度和饱和水蒸气分压力的双重影响,表现为先增加后减小;温度固定为25℃,相对湿度从50% RH增加到80% RH时,复合吸附剂吸附量均大大提升;复合吸附剂在35℃、25% RH中高温、低湿条件下仍表现出较好的吸附能力;在相对压力P/P0为0.3时,M1、M2和M3的吸附量分别为0.24、0.25和0.30 g/g,随着吸附压力的增加,复合吸附剂的吸附量也不断提升,最大吸附量分别达到3.54、3.75和4.42 g/g。复合吸附剂MWCNT/MgCl2的制备研究,为吸附剂的性能研究提供了基础,对太阳能吸附式空气取水的研究具有潜在意义。

    过程系统工程
    基于分子表面电荷密度分布与机器学习的混合物设计方法研究
    毛海涛, 王璐, 许志颖, 解万翠, 都健, 张磊
    化工学报. 2020, 71(S1):  282-292.  doi:10.11949/0438-1157.20190795
    摘要 ( 38 )   HTML ( 2 )   PDF (1637KB) ( 19 )  
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    由于混合物性能的可调控性,当前市场对其关注与日俱增。对于这类产品,基于模型的设计方法由于具有高效性以及普适性,相较于其他产品设计方法得到了更快的发展。但是对于很多性质,如气味、颜色等,准确且普适的模型尚不可得。因此,本文提出了一种基于分子表面电荷密度分布描述符(S描述符)和机器学习模型的混合物设计方法,采用描述符表征产品、再通过机器学习模型将其与性质关联,直接用于混合物产品设计。具体地,根据给定的产品性质需求,机器学习模型直接预测/设计混合物产品的S描述符;然后以欧几里德距离为指标,在给定的数据库中筛选出S描述符满足要求的候选混合物组成。最后,对候选混合物及其组分性质进行实验验证,完成设计。本文以香精的混合替代物设计作为算例,设计得到丙酸叶醇酯的两种混合香精替代物,通过实验对混合物进行了验证。结果表明,混合替代物的气味及其组分的各理化性质均与丙酸叶醇酯相近,证实本文所提出方法的有效性。

    基于分时电价的区域管网系统储能应用研究
    郭晓雨, 田喆, 牛纪德, 祝捷
    化工学报. 2020, 71(S1):  293-299.  doi:10.11949/0438-1157.20191155
    摘要 ( 36 )   HTML ( 0 )   PDF (1245KB) ( 11 )  
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    区域供冷系统主要分为源、网、用户三部分,其中管网不仅可以作为能量输送环节,还可以实现能量的储存,因此可以利用管网的储能效应实现制冷站与电网的互动。以广东惠州某园区制冷站为例,基于Modelica语言在Dymola平台上搭建了区域供冷系统。基于分时电价,应用管网的储热与延迟特性,提出三种控制策略以探讨热网在电力响应中的应用。仿真结果显示,在案例中管网储热维持室温的效果为0.31 h,利用管网储热能够使供冷系统节省6.4%的电耗和6.7%的电费,可见管网的虚拟储能效应是制冷站参与电网需求响应的重要资源。

    载人航天器环热控一体化仿真分析
    齐玢, 段希希, 阿嵘, 江泓升
    化工学报. 2020, 71(S1):  300-306.  doi:10.11949/0438-1157.20191193
    摘要 ( 20 )   HTML ( 0 )   PDF (1055KB) ( 18 )  
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    采用系统建模及仿真方法搭建了一种典型载人航天器环热控一体化系统模型,分析了系统的性能。针对3人7天载人飞行工况开展了仿真分析,结果表明,经过合理设计,该系统可将舱内温湿度、压力、氧分压等参数控制在航天医学指标要求范围内。环热控系统仿真结果较好地预测了系统工作过程,显示了主要参数的变化情况,结果合理,验证了仿真方法、系统仿真模型的正确性。通过控制流体回路外回路旁通阀门开度,可准确控制外回路控温点温度,保证舱内温湿度在合理范围之内。此外,外回路控温点的设定会对环热控系统状态带来影响,通过合理设计外回路控温点,可保证舱内温湿度满足航天医学指标要求。

    基于LSTM神经网络的流化床干燥器内生物质颗粒湿度预测
    方黄峰, 刘瑶瑶, 张文彪
    化工学报. 2020, 71(S1):  307-314.  doi:10.11949/0438-1157.20190692
    摘要 ( 34 )   HTML ( 0 )   PDF (1176KB) ( 57 )  
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    生物质作为一种储量丰富、环境友好且易于获取的可再生能源,日渐成为能源研究利用领域的热点。生物质湿度是影响生物质利用效率的关键因素,因此干燥是生物质利用之前的必要步骤。流化床由于其良好的传热传质特性,在干燥过程中得到了广泛的应用。为了实时监测生物质颗粒的干燥过程,利用弧形静电传感器阵列,结合用于时间序列建模的长短期记忆(LSTM)神经网络,实现了流化床干燥器内生物质颗粒湿度的预测。在实验室规模的流化床干燥器上进行了多工况实验获取训练和测试数据,通过模型参数优化确定了LSTM模型。通过与标准循环神经网络(RNN)模型的预测结果的对比表明,LSTM神经网络模型的平均相对误差较小,能够较为准确地预测流化床干燥器内生物质颗粒的湿度。

    高速飞行器机载综合热管理系统设计与优化
    阿嵘, 庞丽萍, 杨东升, 齐玢
    化工学报. 2020, 71(S1):  315-321.  doi:10.11949/0438-1157.20191197
    摘要 ( 24 )   HTML ( 0 )   PDF (1213KB) ( 12 )  
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    先进的高速飞行器面临着气动加热与大功率电子设备发热的双重热负荷,使得机载热沉与能量需求呈指数上升趋势,进而导致发动机性能下降、耗油量增加,严重制约着飞行器的功能和性能提升。机载热管理系统的优化设计,旨在提升系统制冷和供电性能的同时减小发动机性能损失。以Mach数Ma=1~4.4的大热负载高速飞行器为背景,针对三种机载综合热管理系统,开展适应飞行任务的系统优化设计,实现燃油热沉、外涵道引气热沉、冲压空气引气、发动机引气与飞行任务的最优匹配。研究过程采用等效质量方法,将各系统质量、能耗、气源消耗等成本统一等效为燃油代偿损失,并作为目标函数,对多种工况进行优化设计。研究结果表明:在Ma≤2时,采用外涵道空气热沉模式更为合适,但随飞行速度的进一步提高,其制冷循环压比显著上升制冷效率降低,燃油代偿损失急剧上升;基于燃油热沉的综合热管理模式更适用于Ma=2~4.5的飞行任务,其制冷循环功耗和能耗在各飞行工况下性能表现较为稳定,燃油代偿损失仅因飞行速度增大而增大;与发动机引气相比,冲压空气引气更适合Mach数较高的飞行任务规划。因此,对于巡航Ma≤2的飞行器,搭载“外涵道引气热沉+发动机引气”的机载综合热管理系统,发动机性能损失更低;对于巡航Ma=2~4.5的飞行器,搭载“燃油热沉+可切换发动机引气/冲压空气引气”的机载综合热管理系统,发动机性能最优。

    大型民用飞机座舱区域多级温度控制系统的研究
    史璐璐
    化工学报. 2020, 71(S1):  322-327.  doi:10.11949/0438-1157.20191188
    摘要 ( 19 )   HTML ( 0 )   PDF (767KB) ( 7 )  
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    大型客机温度控制系统对象既有大舱容的延时和滞后,又有小舱容的快速动态反馈的特征;同时流量变化对飞机的性能影响也会带来温度的变化,增加系统控制难度。大型客机的座舱温度控制要保持在舒适区范围内,采用传统控制系统有一定的局限性,需要使用更为先进的控制方法。针对座舱区域温度特点设计一种多级温度控制结构,运用抗饱和PID控制算法的模型进行控制。使得温度控制系统既有控制的快速性,又有迟滞控制的稳定性和抗干扰能力。同时冷路控制采用四轮式空气循环系统的转速代替传统控制中的组件出口温度来控制混合腔温度,避免系统出现结冰等现象时组件出口温度传感器测量不准确引起的系统故障。

    飞机环控系统空气循环机仿真建模及试验校核
    孟繁鑫, 孙佳宁, 周月, 高赞军, 程定斌
    化工学报. 2020, 71(S1):  328-334.  doi:10.11949/0438-1157.20191125
    摘要 ( 21 )   HTML ( 0 )   PDF (460KB) ( 12 )  
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    建立了飞机环境控制系统中压气机-涡轮-风扇式空气循环机的数学模型并开发了性能仿真模型;提出了性能试验原理及方法并开展了性能试验获得了设计工况下测试数据;通过对比不同转速下压气机增压比和效率特性、不同膨胀比条件下涡轮的温降特性、风扇压升特性等仿真结果与试验数据,修正了所建仿真模型相关参数并校核了模型有效性。结果表明,提出的仿真建模方法能够对空气循环机进行准确计算,经修正后仿真误差可以控制在±10%以内,仿真精度满足飞机环境控制系统工程设计要求,对环控系统及部件研制具有重要意义。

    特种车辆舱室送风系统布局仿真优化
    徐刚, 庞丽萍
    化工学报. 2020, 71(S1):  335-340.  doi:10.11949/0438-1157.20191102
    摘要 ( 19 )   HTML ( 0 )   PDF (799KB) ( 20 )  
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    特种车辆由于其功能特殊性和封闭性,无法像民用车辆一样利用窗户的开闭来控制舱室通风,长时间驾驶特种车辆,驾驶舱面临空间小、冷源少、热负荷大、缺乏新鲜空气等问题,且外部环境条件复杂。这就要求特种车辆舱室送风系统精细设计,满足人员和多个装置的热舒适和热控需求,因此有必要基于特殊车辆的驾驶舱特点,合理布局并优化通风系统,保证整舱热要求。为了让座舱送风与舱内热源热交换尽量完全,带出更多的热量,首先针对某型特种车辆,建立了典型舱室和乘员的三维物理模型和仿真模型。针对10种送风模式进行了详细的气流组织仿真优化分析,获得了特种车辆舱室多物理场。气流组织优化是从风口形式和送风口位置两方面进行,风口形式优化中提出多种风口组合形式,分别进行仿真。以设备温控、人员热舒适和空气龄等为目标,利用评价函数对仿真结果进行评价,对10种类型的送风工况进行了仿真。从仿真结果中,以上述多优化目标为依据,进一步开展了针对初步优选的送风形式的风口位置优化。在风口形式优化结果的基础上,采用遗传算法,将位置参数设为优化参数,选取两个评估函数作为优化的目标函数,并将头足温差等约束条件设置到优化模型中,对仿真结果进行筛选和逆优化研究,最终得到最优风口位置,完成气流组织优化。研究对于全密封特种车辆的有限空间热舒适性和空气质量研究具有一定意义。

    典型空气循环制冷系统仿真研究
    周月, 张鹤林, 程定斌, 尹俊成
    化工学报. 2020, 71(S1):  341-345.  doi:10.11949/0438-1157.20191381
    摘要 ( 20 )   HTML ( 0 )   PDF (471KB) ( 33 )  
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    对四轮升压式空气循环制冷系统进行了稳态仿真,并与已有的研究数据进行对比。进一步针对系统主要的扰动源,分析系统的温度扰动特性。仿真结果表明:当引气温度或冲压空气温度发生扰动时,系统温度随之变化,其变化程度与扰动程度相当;而引气压力扰动会造成系统温度大幅度变化,引气压力扰动对四轮升压式空气循环系统制冷能力影响最为剧烈。本文为环控系统的设计和优化提供参考。

    表面与界面工程
    一种自适应柱状密封气膜特性分析
    陆俊杰, 张炜, 谢方民, 焦永峰
    化工学报. 2020, 71(S1):  346-354.  doi:10.11949/0438-1157.20191025
    摘要 ( 18 )   HTML ( 0 )   PDF (1909KB) ( 8 )  
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    提出一种自适应柱状气膜密封,构建气膜-密封环为研究对象,考虑了偏心间隙发散问题,并定义Rayleigh台阶对气膜周期的突变性,建立了气膜雷诺方程和膜厚变化函数关系式的动力润滑数值模型,获得了摩擦副气膜润滑特性,研究结果表明:气膜力随转速和压力升高而增加,泄漏量随压力升高而增加但是随转速增加而下降,说明密封内部压力流占主导地位。随后,利用曲面槽型雕刻技术,结合高速试验台对密封进行测试,结果表明:理论计算模型与试验结果吻合度较高,斜槽区域存在更多擦痕与磨损,说明斜槽浮动性弱于直列槽;但斜槽的切向流动小于直列槽,导致斜槽泄漏量小于直列槽。该研究成果为自适应柱状气膜密封的气体流动规律和应用提供了理论基础。

    能源和环境工程
    循环转轮空调系统变工况除湿特性
    吴文翔, 韩小渠, 周志杰, 王宇, 种道彤
    化工学报. 2020, 71(S1):  355-360.  doi:10.11949/0438-1157.20191224
    摘要 ( 22 )   HTML ( 0 )   PDF (956KB) ( 6 )  
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    转轮除湿空调系统可回收船舶余热将其作为转轮再生热源并改善舱室内空气品质,有望实现低能耗高效除湿。为此,建立了一种新型循环转轮除湿空调系统,定量研究了变工况条件下系统的除湿特性,获得了不同循环分流系数(45%~85%)、处理空气温度(28~40℃)、处理空气相对湿度(50%~85%)、再生空气温度(130~160℃)对系统除湿效果的影响。结果表明:所提出的转轮除湿空调系统相比常规海水直接冷凝除湿方式可有效提高除湿率;在相同循环分流系数下,系统的除湿率随着处理空气温湿度以及再生空气温度的升高而逐渐增大;系统的除湿率存在最优值,其对应的最佳循环分流系数为50%~75%,该系数随着处理空气温湿度的增大而减小,随着再生空气温度的升高而增大。

    基于相变材料的太阳能PV/T系统性能
    张晨宇, 王宁, 徐洪涛, 张剑飞, 曹萌
    化工学报. 2020, 71(S1):  361-367.  doi:10.11949/0438-1157.20191092
    摘要 ( 28 )   HTML ( 0 )   PDF (1158KB) ( 11 )  
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    利用相变材料(phase change material, PCM)的定温储放热特性,将脂肪酸类PCM填充在装有金属肋片的集热器中,对太阳能光伏(photovoltaic, PV)板进行温度调控,实验分析了不同间歇性热量调控策略下PV/T(photovoltaic/thermal)-PCM系统宏观性能。结果表明:PCM能有效缓解光伏电池的温度波动,但系统运行中PCM的温度分层现象较为严重,制约了其实际利用率;合理的热量调控策略对防止PV/T-PCM系统中光伏电池过热及提升系统性能至关重要,数据显示工况二(调控温度设为45℃,调控时长30 min)和工况三(调控温度设为50℃,调控时长30 min)在调控前后,其光电转换效率分别提升3.4%和2.6%;工况二对应的系统总效率为90.8%,工况三为84.45%,均在工况一(无调控)的基础上有显著提升。

    新型光伏直膨式太阳能/空气能多能互补热泵性能
    杜伯尧, 全贞花, 侯隆澍, 赵耀华, 任海波
    化工学报. 2020, 71(S1):  368-374.  doi:10.11949/0438-1157.20191150
    摘要 ( 24 )   HTML ( 0 )   PDF (1161KB) ( 6 )  
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    以平板热管(微热管阵列)为核心部件,设计了一种新型太阳能光伏/空气集热蒸发器并建立了光伏直膨式太阳能/空气能多能互补热泵系统,实现全年供热水、冬季供热、夏季供冷以及全年光伏发电的功能。对北京地区3月至5月天气条件下的热泵系统性能进行不同运行模式(S、SA以及A模式)的实验研究。实验结果表明,在典型工况下S、SA与A模式的多能互补系统COPs分别为4.8、4.2与3.8,综合效率分别为109.7%、125.9%、32.4%,即在有太阳辐照的条件下,S与SA模式下多能互补系统性能优于A模式。该新型光伏直膨式太阳能/空气能多能互补热泵系统性能优良,研究结果为该系统应用提供了基础数据支撑。

    新型太阳能/空气能直膨式热泵与空气源热泵供热性能对比
    马坤茹, 李雪峰, 李思琦, 高翠娟
    化工学报. 2020, 71(S1):  375-381.  doi:10.11949/0438-1157.20191138
    摘要 ( 25 )   HTML ( 1 )   PDF (991KB) ( 9 )  
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    针对传统空气源热泵制热时极易出现室外机结霜的现象,提出了可同时吸收太阳能和空气能的新型太阳能/空气能直膨式热泵机组,把太阳能集热器和热泵蒸发器合二为一,使室外机结霜得到有效缓解。为了验证新型太阳能/空气能直膨式热泵机组性能优劣,分别搭建新型太阳能/空气能直膨式热泵系统和空气源热泵系统,在2月26日—3月2日期间,对邯郸某一农村建筑的地板辐射采暖用户进行5天实际测试,对比分析了两种系统的制热性能、耗电量和COP变化情况。通过测试发现室外平均温度为10℃,太阳辐射达到峰值571.5 W·m-2时太阳能/空气能直膨式热泵的制热量较空气源热泵提高大约70%,全天总制热量较空气源热泵提高大约12%。0~8℃的低温状态时,COP值仍可达到3.46,基本满足建筑采暖需求。并在此基础上对太阳能-空气能直膨式热泵提出进一步的优化措施,逐步推广其在寒冷地区的实际应用。

    变温吸附碳捕集系统能效性能实验研究
    刘博文, 邓帅, 李双俊, 赵力, 杜振宇, 陈丽锦
    化工学报. 2020, 71(S1):  382-390.  doi:10.11949/0438-1157.20191075
    摘要 ( 29 )   HTML ( 1 )   PDF (2156KB) ( 27 )  
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    燃烧后CO2捕集技术(PCC)因易于与既有电厂结合而被认为是一项减少二氧化碳排放的重要技术。化学吸收、吸附和膜分离是PCC的主流技术。在CO2吸附技术类中,变温吸附(TSA)是一种有效的吸附方法。近年来,TSA技术的能源消耗和能源转换效率问题成为人们对其大规模部署的关注焦点。然而,大多数的研究都是将数学模型和仿真方法应用于TSA的性能评估,缺乏足够的实验研究支持。为了对TSA系统的能源转化效率进行实验分析,开发了一套四步法TSA系统,能效性能是基本分离性能外的主要考察指标。实验采用沸石13X-APG作为吸附剂材料,根据实验测得的两组吸附等温线,计算了CO2/N2的吸附选择性系数。通过进气CO2浓度、解吸时间、吸附温度和解吸温度对纯度、回收率、单位能耗和第二定律效率的影响分析,得到了4组实验结果。结果表明,第二定律效率的范围为3.24%~9.23%,回收率和纯度最高分别为83.97%和94.70%。解吸温度和进气CO2浓度的升高,吸附温度的降低有利于分离及能效性能提升。延长解吸时间有利于分离和能效提升,但过长的操作时间反而使得效果变差,这会对工程中的运行策略优化产生积极的指导意义。

    高速运载器发电/制冷联合系统稳态性能
    郭良, 李恒, 庞丽萍, 毛晓东, 赵竞全, 杨晓东
    化工学报. 2020, 71(S1):  391-396.  doi:10.11949/0438-1157.20191130
    摘要 ( 20 )   HTML ( 0 )   PDF (627KB) ( 11 )  
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    目前高速运载器的研究已成为国内外航空科学领域的热点问题,速度的提高导致传统的空气热沉已经不能单独作为环境控制系统的制冷工质,同时电子设备的剧增带来更多的热负荷和更大的电量消耗,因此发电量和制冷量成为制约高速运载器性能提高的两大难题。从最基本的空气压缩制冷循环出发,结合现有的燃油作为热沉的环境控制系统,提出一种新型的高速运载器发电制冷技术方案,并对其稳态性能做出详细的分析研究。该方案可以充分利用燃油作为热沉,在保证燃油不超过安全温度限时将机载热负荷有效传递给燃油,最后送入发动机燃烧,而且可以实现利用高温高压的空气作为动力驱动发电装置,满足高速运载器对于电能的需求。经过详细的理论计算和计算机建模仿真,得出的研究结果表明,在1.45 kg·s-1、644℃和3.89 bar(绝压)的引气条件下,通过调整系统的各个部件参数,保证燃油最高温度不超过150℃时,系统的发电量可以达到200 kW;同时在100 kW热负荷条件下可以将舱室的温度控制在30℃左右,能够很好地满足高速运载器对于电能的需求和热负荷的控制。

    充注量对小型CO2水源热泵热水器性能的影响及其最佳值的确定
    王栋, 刘雅如, 陈卓, 寇遵丽, 鲁月红
    化工学报. 2020, 71(S1):  397-403.  doi:10.11949/0438-1157.20191098
    摘要 ( 19 )   HTML ( 0 )   PDF (689KB) ( 9 )  
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    基于一套已有的小型CO2水源热泵热水器实验台,运用不同的理论方法对其最佳充注量进行计算,通过实验研究不同充注量对系统性能的影响,并利用实验结果对理论计算结果的准确度进行验证。研究结果表明:小型CO2水源热泵热水器存在着最佳充注量,在此充注量条件下,系统的COPheat最大,实验系统的最佳充注量为270 g。当充注量减小为最佳值的89%时(230 g),COPheat降低10.8%,增大为最佳值的111%时(300 g),COPheat降低了2.6%,即充注量不足时,COPheat对充注量的变化更为敏感。此外,充注量增加会提高系统热水的出水量,但超过最佳值后,效果不明显。实验数据法和额定工况法均适用于本文所研究的CO2水源热泵热水器系统,最大误差不超过3.7%。本研究可以为小型CO2跨临界系统最佳充注量的确定及如何维持系统高效运行提供理论指导。

    基于热电效应的高效环控系统
    郭栋才, 盛强, 杨鹏, 徐捷, 王泽, 杨波, 曹娇坤
    化工学报. 2020, 71(S1):  404-410.  doi:10.11949/0438-1157.20191078
    摘要 ( 21 )   HTML ( 1 )   PDF (1187KB) ( 10 )  
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    部分空间科学实验对环境温度有较高的要求,环境温度高于或低于空间科学系统能够提供的热沉温度,需要有可靠有效的加温降温处理措施。使用可靠性强的热电制冷片作为制冷制热方式和气液换热器二次换热来实现环境温度控制的需求,并对不同流体温度制冷制热效果进行分析,结果表明流体温度和目标温度差越小,热电制冷制热的效果越好。在环境温度制冷工况中,热电单元数量随电流增加先减少后增加,在制热工况中则单调递减,设计中需按照制冷工况进行热电单元数量的确定。当流体温度接近制冷制热的目标温度时,会出现整个系统总效率优于热电系统效率的区间。通过对热电单元和气液换热器的组合系统的性能计算,提供一种适于热电环控系统的计算方法和部件选型思路,对空间站环控系统的设计有重要参考意义。

    某高校既有建筑室内人员相关VOCs目标污染物的实测分析
    贾亚宾, 郑旭, 高凯, 关军, 魏翩, 祁冰, 郑慧研
    化工学报. 2020, 71(S1):  411-416.  doi:10.11949/0438-1157.20190926
    摘要 ( 32 )   HTML ( 0 )   PDF (473KB) ( 13 )  
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    为研究高校既有建筑室内人群散发对室内VOCs的影响,对高校不同人群样本的教室及会议室两类典型人群密集房间,共82个人群样本对象进行了VOCs采样分析,得到不同实际场景下的人员相关的VOCs浓度水平,并对其潜在的影响因素进行分析。结果表明,共确认了29种与室内人员相关的高检出率且较高浓度值的物质,包括芳香族化合物9种,烷烯烃类9种,酮类和醛类8种,醇酯类以及卤化物3种,并得到主要VOCs物质的浓度水平和I/O比。对影响因素的统计分析表明,室内人员密度、季节和房间类型对不同VOCs物质存在显著性影响,其中季节性因素对目标VOCs污染物影响最为广泛,其次是房间类型与室内人员密度。该研究可为进一步了解人员密集室内VOCs污染现状及控制策略提供一定的科学参考。

    高空长航时无人机综合热能管理的构型分析
    马慧才, 刘毅玲, 党晓民
    化工学报. 2020, 71(S1):  417-424.  doi:10.11949/0438-1157.20191356
    摘要 ( 24 )   HTML ( 1 )   PDF (1431KB) ( 6 )  
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    高空长航时无人机机载机电系统中,有供电、燃油、液压和环境控制系统等独立分系统,在热量的需求和使用上,它们又是相互紧密关联的。根据现有技术,提出了一种无人机的综合热能管理构型,针对该构型进行系统参数匹配计算,并对关键产品——热交换器、回热器、冷凝器、压气机、涡轮进行部件级的初步设计和仿真建模,得到可工程化的结构参数,并在Flowmaster仿真平台上完成两轮升压式制冷/液冷一体化系统仿真,仿真结果与设计目标匹配良好,用于将空气循环制冷系统与液冷系统热量交换的空-液热交换器,将不同使用工况下不同系统的富裕制冷量进行综合利用,得到综合热能管理可以减少飞机代偿损失的依据,体现出综合热能管理构型在节能方面的优越性。

    高速飞行器燃油热管理系统飞行热航时
    杨晓东, 庞丽萍, 阿嵘, 金亮
    化工学报. 2020, 71(S1):  425-429.  doi:10.11949/0438-1157.20191117
    摘要 ( 21 )   HTML ( 0 )   PDF (525KB) ( 6 )  
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    目前高速飞行器机载热负荷呈指数上升趋势,而由于气动加热作用,机身温度随航时增长也持续上升,这两者严重限制了高速飞行器的续航时间和电子设备的使用时长。燃油作为飞行器所必须携带的大比热容液体工质,是机载热沉的优选。燃油热沉利用会受气动加热、耗油量、飞行时长的综合影响。本文以机载燃油热沉为核心,研究高速飞行器燃油热管理系统参数设计对飞行热航时的影响。建立了燃油-消耗性冷却剂热利用系统的动态特性方程,并提出热航时的概念以衡量热负荷作用下燃油不发生超温的飞行时长,详细讨论了上述各影响因素与热利用系统参数对热航时的影响。上述研究可为高速飞行器热管理系统设计选型提供参考。

    土壤源热泵供暖间歇运行时间的计算分析
    王刚, 赵琰
    化工学报. 2020, 71(S1):  430-435.  doi:10.11949/0438-1157.20191111
    摘要 ( 23 )   HTML ( 0 )   PDF (576KB) ( 9 )  
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    为了充分利用土壤热能,对热泵供热量、运行时间与系统性能之间的关系进行研究。通过对采暖房间建立逐时热平衡方程,推导出房间温度变化与时间关系的计算式。通过该式计算出不同情况下室内平均温度、热泵运行时间、停机时间、供热运行份额的数值,对5种运行方案进行模拟计算分析。结论如下:地下盘管长度设计计算中供热运行份额应根据热泵机组制热量计算得出。热泵制热量相同时时间周期(一次运行时间与停机时间之和)小,运行时间短,地下盘管出口平均水温高,热泵运行效率高,但是随着时间周期变小,室内平均温度下降,热舒适性降低。时间周期相同时热泵制热量越大,运行时间越短,地下盘管出口平均水温高,热泵运行效率高。根据这些特点可采用100%设计热负荷的热泵机组+20%~30%设计热负荷的辅助热源的形式进行热源的配置。

    机载综合环控系统的热管理
    马德胜, 庞丽萍, 毛晓东, 董素君
    化工学报. 2020, 71(S1):  436-440.  doi:10.11949/0438-1157.20191083
    摘要 ( 21 )   HTML ( 0 )   PDF (1072KB) ( 6 )  
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    利用燃油作为主要热沉,同时引入液体PAO与R134a作为辅助热沉,提出了一种环控系统热管理的新方案。空气压缩制冷子系统与高温PAO子系统以空气-PAO换热器为连接点,耦合为座舱与电子舱室1的热管理子系统;低温PAO子系统与蒸发压缩制冷循环以蒸发器为连接点,耦合为电子舱室2的热管理子系统。采用数学理论计算与计算机建模仿真研究相结合的方法,建立了空气-液体换热器、液-液蒸发器/冷凝器等主要元件的仿真模型,对环控系统进行性能分析。结果表明,在一定的引气温度和压力条件下,燃油作为主要热沉可以吸收大量的热量,同时各子系统的热量互补能够满足驾驶舱与电子舱的温度控制,保证其稳定、高效的运行。

    基于随机配置网络的机载电子吊舱多工况热模型
    张洁, 庞丽萍, 曲洪权, 王天博
    化工学报. 2020, 71(S1):  441-447.  doi:10.11949/0438-1157.20191082
    摘要 ( 16 )   HTML ( 0 )   PDF (1292KB) ( 6 )  
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    机载电子吊舱是搭载多功能机载电子设备的主要平台,能够显著提升战机性能。然而,不断增加的电子设备功率和高度低气压力飞行环境会造成吊舱内恶劣的热环境,严重影响电子设备的可靠性。因此,十分有必要建立准确的电子吊舱热模型,用于预测不同飞行工况下的电子设备热响应。综合热网络分析思想和随机网络算法思想,提出一种基于随机配置网络的热模型建立方法,并通过采用冲压空气冷却系统的电子吊舱实验数据加以验证。为了建立准确的舱内温度响应模型,通过传热机制将高温贮存、高温工作、低温贮存、低温故障和低温工作工况下的实验数据分为3组并分别用于建立设备贮存热模型、设备工作热模型和综合热模型,利用热网络分析获取随机配置网络的有效输入,采用四折交叉验证和灰度图分析综合确定了3个热模型的超参数。建模结果表明:3个热模型的范围序列可统一为[1~40],最大隐含层节点数可分别设为6、9、11,设备温度拟合效果较好,仅在边界条件约束下进行多工况全过程的电子设备温度预测,预测误差在3.512℃内。总体看来,该热建模方法从数据挖掘的角度较为简单、准确、快速地描述了电子设备热关系,可用于开展预期飞行环境下的机载电子吊舱温度预测,用于评估热管理系统的性能。

    材料化学工程与纳米技术
    添加碳纳米颗粒对磷氮双掺杂石墨烯电化学特性的影响
    韩超灵, 陈振乾
    化工学报. 2020, 71(S1):  448-453.  doi:10.11949/0438-1157.20191135
    摘要 ( 31 )   HTML ( 1 )   PDF (2765KB) ( 36 )  
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    燃料电池作为新型清洁能源技术具有高效的能源转化效率和环境友好等优点,在诸如交通运输以及航空航天等领域有着重要而广泛的应用。在影响燃料电池性能的众多因素中,电极的高效催化与稳定性对于整个燃料电池系统的性能至关重要。近年来,石墨烯材料由于优异的电学与力学性质为低铂高效催化研究提供了理论上的可行性。本研究以六氯环三磷腈(HCCP)为原料设计了一步热还原合成法实验制备了磷氮双掺杂石墨烯,并通过添加碳纳米颗粒增加了石墨烯层间间距,改善了石墨烯层间的团聚效应,提高了氧化还原(ORR)性能。研究结果表明,当AC添加含量与GO的质量比为10%时,其比表面积与电化学性能提升最为明显,极限电流密度达到-6.89 mA·cm-2并且氧化活性能保持80%以上。因此,使用添加碳纳米颗粒对磷氮双掺杂石墨烯作为燃料电池非金属催化剂材料的进一步探索具有巨大的潜力。

    负载羧基化球状介孔纳米颗粒TFN膜的研究
    孙艳, 刘士涛, 邓尚, 余丽芸, 吕东伟, 马军, 刘献斌
    化工学报. 2020, 71(S1):  454-460.  doi:10.11949/0438-1157.20190920
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    在薄层复合膜(thin-film composite membrane, TFC膜)中引入无机纳米颗粒,形成薄层纳米复合膜(thin-film nanocomposite membrane, TFN膜),近几年作为反渗透膜开始应用于水处理研究。但是无机纳米颗粒在TFC膜中的性能的不稳定性和膜的机械强度等变成了突出问题。合成制备了粒径约为110 nm修饰羧基的介孔氧化硅球状纳米颗粒(MSN—COOH),并将其成功地化学键合在TFC膜的表面功能层交联网络中。与TFC膜相比,键合有MSN—COOH的TFN膜,水通量提高了56.2%,保持高脱盐率;由于单分散介孔纳米颗粒表面亲水官能团的引入,使膜表面的亲水性有很大程度提高,单分散介孔纳米颗粒在基体中的有序排列,使膜表面粗糙度降低,提高了膜的抗污染能力。与普通TFN膜相比较,具有更好的稳定性和柔韧性,可以在长时间高压过滤操作下保持稳定。

    商业正渗透膜的改性及其用于处理焦化废水的研究
    李志强, 吕娜, 蒋兰英
    化工学报. 2020, 71(S1):  461-470.  doi:10.11949/0438-1157.20190670
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    正渗透技术是一种新兴的膜分离技术,在处理有机废水方面具有广阔的应用前景。分别对Poten以及HTI商业正渗透膜进行改性,并用于对焦化废水中难降解毒性小分子(吲哚和吡啶)的截留测试。探究了水相单体PIP浓度、膜朝向、汲取液浓度对改性前后两种膜水通量、Js/Jw比值、有机物截留率的影响,以及改性前后两膜特征参数的变化。结果表明:对Poten膜和HTI膜进行界面聚合改性后,膜水通量以及Js/Jw比值都不同程度地降低;改性后的两正渗透膜水渗透系数A、盐渗透系数B均降低,而膜结构参数S以及对NaCl和有机物的截留率均提高;其中HTI-IP复合膜对有机物的截留率(81%)明显高于IP-2(改性Poten膜)复合膜;与FO模式相比,IP-2复合膜在PRO模式下(汲取液面向活性层)具有更高的水通量及反向盐通量。此外,在两种膜朝向下,水通量及反向盐通量都随汲取液浓度的增大而增大,但是在FO模式下(料液面向活性层),通量呈现非线性增长。

    不同相对湿度下亲疏水纳米纤维膜空气过滤性能实验研究
    吴延鹏, 赵薇, 陈凤君
    化工学报. 2020, 71(S1):  471-478.  doi:10.11949/0438-1157.20191333
    摘要 ( 30 )   HTML ( 1 )   PDF (1295KB) ( 10 )  
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    利用静电纺丝法制备了表面静态接触角为23.6°的具有亲水功能的PAN/PVP复合纳米纤维膜、接触角为81.2°的PAN纳米纤维膜、接触角为131.9°的具有疏水功能的PAN/PVDF复合纳米纤维膜。利用自行搭建的空气过滤实验台,在40%、55%、70%三种相对湿度下对三种纳米纤维膜进行空气过滤实验,对纳米纤维膜的过滤效率、阻力损失及品质因子进行分析。结果表明:三种纳米纤维膜的过滤效率随着相对湿度的增大而升高,PAN/PVP膜和PAN膜的阻力损失随着相对湿度的增大而增加,PAN/PVDF的阻力损失随着相对湿度的增大而减小;PAN/PVP膜和PAN膜的品质因子随着相对湿度的增大而减小,PAN/PVDF膜的品质因子随着相对湿度的增大而增大,湿度越大,PAN/PVDF纳米纤维膜的过滤性能越显著。

    石墨烯纳米片-乙二醇纳米流体光热转化特性研究
    李富恒
    化工学报. 2020, 71(S1):  479-485.  doi:10.11949/0438-1157.20191033
    摘要 ( 37 )   HTML ( 2 )   PDF (971KB) ( 27 )  
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    纳米流体应用于太阳能集热器是太阳能光热转化的重要突破,石墨烯纳米材料在可见光和近红外区域具有较好的吸收特性,实验基于Hummer法制备了石墨烯纳米片材料,对其进行表征。并配制了不同质量分数石墨烯纳米片-乙二醇纳米流体,将其在太阳能模拟器下进行闷晒实验,计算石墨烯纳米片的光热转化效率,并以基液作对比分析其光热转化特性。结果表明纳米流体溶液的光热转化效率随着其浓度的增加而提高,在达到临界值后光热转化效率不再提高反而降低。其中浓度为0.0007%(质量)时的石墨烯纳米片纳米流体溶液温度增加最高,为65.56℃,光热转化效率达到最高约为76.35%,较乙二醇效率升高49.65%。表明石墨烯纳米片具有良好的光学特性,在太阳能集热器中具有较好的应用前景。

    航天器舱内环境下非金属增材制造热效应分析
    杨东升, 阿嵘, 张建斌, 王大鹏, 张斌, 徐迎丽, 秦俊杰, 刘淑芬
    化工学报. 2020, 71(S1):  486-493.  doi:10.11949/0438-1157.20191118
    摘要 ( 22 )   HTML ( 0 )   PDF (1320KB) ( 6 )  
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    针对未来空间站后续运营与维护发展中对无人自主非金属增材制造技术的应用需求,对空间舱内环境下增材制造过程中的热环境进行了分析,对增材制造装置建模,多热源空间分布与产热特性分析,局部保温及整体强化对流设计热扩散效应与温度场仿真,并对增材制造装置的热控措施开展了试验验证。分析表明:密闭装置功耗72~96 W,在初始温度为20℃条件下装置壁面温度维持在29℃左右,与环境之间的散热效率可达21.6 W·m-2,满足空间增材制造的温度要求,满足装置的温度稳定性与可靠性,为我国空间在轨试验验证给予了一定的理论指导,也为未来舱外环境下的热控设计提供新的思路与方案。

    退役电池回收产业现状及经济性分析
    李敬, 杜刚, 殷娟娟
    化工学报. 2020, 71(S1):  494-500.  doi:10.11949/0438-1157.20191585
    摘要 ( 41 )   HTML ( 5 )   PDF (1004KB) ( 24 )  
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    新能源汽车的快速发展使动力电池回收利用成为研究热点,但关于退役电池回收产业和经济性分析问题研究较少。研究了现阶段国内废旧电池回收产业现状及存在问题,对电池回收利用的经济性及生产经营过程产生的敏感性因素进行分析。同时指出电池回收技术的发展应以“退役动力电池资源再生-高值化锂电原材料”为主线,电池回收企业应积极与新能源汽车行业统筹协调发展、构建区域化回收利用体系、提升产业整体经济性水平,对动力电池回收行业具有一定的指导意义。