板式换热器及其热力系统的运行特性和高级分析

针对不同换热设备组合之间以及换热设备在系统中的分布情况进行了研究,建立了高级分析模型,将换热设备与系统的损进一步分割成不可避免性部分和可避免性部分,计算相应的损失和效率,确定换热设备与系统中能量损失的主要部位,并在有机朗肯循环（organic Rankine cycle,ORC）系统试验台中进行验证,为换热设备及其热力系统的运行优化提供科学依据。结果表明,不同的换热面积对换热设备的能效有着非常大的影响,同时常规分析和高级分析提出了不同的系统优化次序。高级分析表明,蒸发器可避免损占蒸发器损的41.2%～60.0%,冷凝器可避免损占冷凝器总损最高可达91%～97%,整个ORC系统有52.5%～66.3%的损可以避免,有很大的改造潜力,且发现不合理设计的管道也会影响ORC系统性能。     

变热源工况下非共沸工质有机闪蒸循环热性能分析

有机闪蒸循环（OFC）能有效利用中低温热能,非共沸工质的变温相变特性可以改善循环和换热器之间的匹配性。为了提高系统的循环性能,本文基于Matlab2018b构建了一种采用正丁烷/1,1,1,3,3-五氟丙烷（R600/R245fa）制冷剂非共沸混合工质的OFC热力学模型,以100℃～200℃地热水作为热源,研究了非共沸工质摩尔分数和热源温度对系统净输出功率、热效率、煤用效率和总煤用损的影响。结果表明：热源温度为200℃,R600摩尔分数为0.4时,系统净输出功率和热效率达到最大值,分别为48.92 kW和7.12%;当热源温度超过一定值,煤用效率开始减小;热源温度为150℃,R600摩尔分数为0.4时,煤用效率最大为32.44%。采用非共沸工质能有效提高系统净输出功率、热效率和煤用效率,同时也能降低系统总煤用损。     

回热器对双级压缩和复叠式压缩制冷系统影响的分析

为了研究回热器对双级压缩制冷系统和复叠式压缩制冷系统的影响,以R404A双级压缩制冷系统和R404A/R23复叠式压缩制冷系统为例,通过建立两种制冷系统的热力学模型和(火用)分析法,分析了回热器效率对压缩机排气温度、单位质量制冷量、制冷剂质量流量、系统制热能效比(COP)、系统总(火用)损、系统各部件(火用)损和系统(火用)效率的影响。结果表明,在双级压缩制冷系统中,当回热器效率ε 取0.1～0.9时,系统COP增大4.0%,系统的总(火用)损减少9.6%,而系统(火用)效率增大7.1%;在复叠式压缩制冷系统中,系统COP和系统(火用)效率随高温级回热器效率ε 增大而增大,随低温级回热器效率ε增大而减小,而系统总的(火用)损随高温级回热器效率ε 增大而减小,随低温级回热器效率ε 增大而增大。     

具有相变的三介质换热器的分析

具有混合能源的暖通空调与制冷（heating, ventilation, air conditioning & refrigerating, HVAC&R）系统通常需要在3种或多种流体之间传递热量。三介质换热器能满足多流体换热需求,在该领域具有应用前景,其优化具有重要意义。对于具有相变的三介质换热器,现有的热阻定义不能很好地发挥作用,而最新提出的理论提供了另一种方法。本文采用分布参数法建立了翅片管三介质换热器的仿真模型,并用实验结果进行了验证。此外,还推导了三介质换热器中基于耗散的的热阻。根据传热量和理论,分析了不同结构和空气流量下的三介质换热器的换热性能。结果表明,采用基于耗散的热阻作为评价标准与采用传热量为评价标准相比,改变管路排布方式获得的优化结果不同,改变管径或风量获得的优化结果相同。以基于耗散的热阻为标准,考虑不同流体侧之间的传热和压降的匹配,以获得最佳的管路排布方式。本文的实验结果有利于制冷空调系统中三介质换热器的优化以及理论新应用领域的拓展。     

非共沸制冷剂非完全冷凝现象的假想及判据

为了探讨空调系统中非共沸制冷剂的变工况循环特性,揭示系统循环参数与冷凝器中的换热流体温度和流量之间的关系,进行了大量的实验研究。根据实验数据发现了一种特殊的实验现象,即在换热流体进口温度不变的前提下,系统性能系数（COP）随换热流体流量的逐步增大呈现先升高后降低的特性,为解释此现象提出了制冷剂非完全冷凝的假想。在此基础上,初步建立了非共沸制冷剂非完全冷凝的理论判据,并将该判据推广应用到了15种已商品化的非共沸制冷剂上,预测了这些制冷剂发生非完全冷凝现象的条件。     

蒸发器换热过程对ORC系统混合工质选择和运行工况的影响

在有机朗肯循环（ORC）系统其他部件的效率均相同的条件下，蒸发器的换热量越大，不可逆损失越小，系统的做功潜力就越大。由于混合工质的相变温度滑移与热源的温度变化具有较好的“匹配性”，采用混合工质为循环工质，并使用流耗散率来描述混合工质与热源流体换热过程中的不可逆损失。结合 T-Q 图来分析蒸发器中混合工质与热源流体换热过程，发现混合工质与热源流体换热曲线围成的面积为流耗散率，并且分别得出了蒸发器换热量最大与不可逆损失最小的条件，以此指导系统最佳混合工质和运行条件的选择。针对确定的热源条件，在蒸发器换热量达到最大的条件下，以不可逆损失最小为目标，建立了基于蒸发器性能的系统最佳混合工质和运行条件的选择方法。采用参考文献中热源条件，筛选出最佳混合工质为R600a/R134a(0.2/0.8)，在最佳蒸发器出口温度为365.75 K的运行条件下，换热量是文献中最佳混合工质的3.3倍，在系统其他部件的参数选择均相同的条件下，系统的净输出功率是文献中最佳混合工质的2.4倍。     

高通量换热器用于低温发电系统的研究

针对高通量换热器用于有机朗肯循环（organic Rankine cycle,ORC）低温发电系统进行了理论研究,以芳烃装置二甲苯塔余热回收为实例,选取6种工质运用Aspen Plus模拟软件分析了普通光管蒸发器夹点温差对ORC系统的影响,并将使用高通量蒸发器时ORC系统的发电性能与使用普通蒸发器时进行了对比分析。结果表明：芳烃装置ORC发电系统蒸发器夹点温差越小,发电性能越好,但小于10℃后普通换热器面积急剧增大,成本升高,限制了ORC系统发电性能的提升。以最佳工质R601夹点温差12℃时作为基础工况,高通量蒸发器的总换热系数比普通蒸发器可增加26%以上,使用高通量蒸发器比普通蒸发器的换热面积减小21%,若换热面积保持不变,夹点温差可减小2.5℃,此时ORC系统的净输出功率可增加约49kW,R601流量减少1559kg/h,发电性能得到了提升。     

耦合过热蒸汽干燥的MVR蒸发结晶系统热力性能分析

机械蒸汽再压缩（MVR）作为目前最先进的蒸发结晶技术得到广泛关注和应用，本文结合过热蒸汽干燥技术的优势，提出一种耦合过热蒸汽干燥的MVR蒸发结晶干燥系统。基于EES软件建立数值模型，通过系统仿真的方法分析闪蒸压力p_flash、进料浓度c₀、循环倍率CR、换热温差ΔT_mhex等对压缩机能耗W_comp和系统能效系数COP、下降管结晶盐含水率的上限值ω和换热器UA值的影响情况。结果表明：耦合过热蒸汽干燥的MVR系统相比常规系统具有更高的COP、更低的W_comp，并且能够获得干燥的结晶盐；循环倍率CR增大，压缩机压比π降低，有利于提高COP和降低W_comp，但同时换热器UA_mhex值会增大，设备成本增加；系统COP随p_flash的变化关系与循环倍率CR有关，CR较低时，随P_flash的增大，系统COP增大，CR超过某一定值，随着p_flash的增大，系统COP呈先升后降趋势，其最大值在p_flash为40~50kPa；进入干燥器的下降管结晶盐含水率的上限值ω与进料浓度c₀有关，随进料浓度c₀的升高而增大；?T_mhex对MVR系统性能有显著的影响，?T_mhex每增大1K，COP平均降低5.6%、W_comp平均升高5.8%、UA_mhex平均减少14.4%，ω平均升高1.7%。     

高低双螺旋片强化套管换热器壳侧换热

采用实验和数值模拟相结合的方法,研究了高低双螺旋片对套管换热器壳侧的强化换热效果.以仅带有高螺旋片的换热器结构为基础,研究了曲率ε分别为0.44、0.321和0.131时,Reynolds数在4000~20000范围内,低、高螺旋片高度之比l/W对壳侧换热平均Nusselt数Nu_m和流动阻力系数f的影响,考察了等泵功条件下换热器的综合传热性能.对ε=0.44的换热器研究结果表明:当l/W>1/2时双螺旋片强化传热效果显著,且研究工况中l/W=3/4时最优,此时与单一高螺旋片相比,Nu_m值平均提高了10.8%;研究范围内,综合强化传热因子PEC数在1.044~1.204.对不同曲率换热器的研究结果表明,同一l/W值下,PEC数随着曲率ε值的增大而增大,说明双螺旋片结构更适合强化曲率较大的套管换热器壳侧换热.     

非牛顿流体在波节套管换热器中流动与换热的实验研究

针对非牛顿流体在波节套管换热器管程的流动与换热进行了实验研究。重点研究了0.2%黄原胶溶液(XG)在不同波节套管换热器管程流动时的传热与阻力特性,并分析了强化传热机理。结果表明在相同工况下,随着管程黄原胶溶液Reynolds数Re_XG的增大,套管换热器总传热系数k和管程进出口压降Δp逐渐增大;波高H和波距S影响黄原胶溶液在套管换热器管程的流动与换热。随波高H增大,黄原胶溶液受波节处的涡旋效应的影响更明显,流体层间剪切力变大导致黄原胶溶液黏度变小,湍流程度更大,管程传热性能提高,压降也增大,但综合传热性能不断优化;随波距S增大,单位长度波节数量减少,对黄原胶溶液扰动影响降低,湍流程度降低,管程传热系数先增大后减小,流动阻力不断降低,综合传热性能先提高后减弱。当H=3.5 mm、S=30 mm时管程波节管的综合换热因子η_tube达到最大,η_tube是相同条件下圆管的5.11~6.69倍。     

涡轮增压柴油机余热利用的有机郎肯循环烃类高温工质热力学分析

通过能量分析和㶲分析,对涡轮增压柴油机的不同余热源进行优选;在此基础上,对余热利用的有机朗肯循环进行了热力学分析,选取了10种烷烃类高温工质,通过建立能量平衡方程和㶲分析方程,研究了蒸发压力对不同烷烃类工质的热效率、单位质量烟气净功、㶲效率、系统㶲损和膨胀机体积流量比（VFR）的影响规律。结果表明：废气再循环余热为最佳热源;所有工质的热效率、单位质量烟气净功、㶲效率和VFR随着蒸发压力的增加而增加,㶲损随着蒸发压力的增加减少;相同蒸发压力下,直链烷烃类工质的热效率、单位质量烟气净功、㶲效率和VFR随着工质临界温度的增加而增加,㶲损随着工质临界温度的增加而减少;在保证VFR≤50的工况下,环戊烷具有最高的热效率和㶲效率。     

螺旋扭曲管用于燃气轮机进气温度调节换热器的可行性研究

对将螺旋扭曲管用于燃机进气温度调节换热器进行可行性分析,模拟燃机进气加热器实际运行的工况条件进行综合传热性能实验研究,得到了传热与流阻准则关系式;引入综合评价因子概念并与传统钢铝翅片管换热器进行对比发现,螺旋扭曲管换热器是钢铝翅片管换热器的1.31~1.52倍。以某建设项目采用的E级PG9171E型机组为例,对采用螺旋扭曲管和钢铝翅片管的两种进气温度调节换热器进行对比发现：当采用螺旋扭曲管换热器时,在同样换热能力下,换热器风侧阻力增大了14.7%;在同等质量下,换热器换热能力提高9.9%左右。     

有机朗肯循环系统最佳蒸发温度和分析

随着能源问题日益突出,低温烟气余热深度利用成为了研究热点领域。其中,有机朗肯循环是实现低品位余热转换为电能的一有效途径。基于热力学基本定律,以有机朗肯循环系统最大做功能力和效率为目标函数,计算分析了10种不同工质在亚临界状态下以上两种目标函数的特性。结果表明,每种工质均存在一最佳蒸发温度使循环净输出功最大,而且工质临界温度越高,对应的最佳蒸发温度也越高;热源温度相同时,系统效率随窄点温差增大而减小;同一窄点温差时,当热源温度不超过临界温度两倍的窄点温差时,效率有一最大值;反之,则随蒸发温度升高不断增大。这些将为有机朗肯循环工质选择和性能优化提供理论指导。     

共冷凝器双循环有机朗肯发电系统㶲分析

有机朗肯循环（ORC）发电是将中低温热源转化为高品位电能的有效途径之一。本文针对热源温度为100~150℃的亚临界饱和有机朗肯循环系统,选用4种有机工质,首先分析热源温度和工质对单级/双循环发电系统?效率和加热器?效率的变化规律,进而对双循环系统窄点温差对系统和加热器?效率的影响进行分析。主要结论包括：在相同热源温度下,R245fa为工质时,双循环系统及加热器的?效率相对于单循环系统的?效率大幅提升,在热源温度为130℃时,系统?效率提高了14.45%。随着窄点温差的增大,系统和加热器?效率减少;不同热源温度下窄点温差增大时,系统和加热器?效率的减小量接近相等,当窄点温差增加2℃,系统?效率平均减少1.9%左右。分析双循环系统采用4种有机工质时系统和加热器?效率,发现?效率都随热源温度增加而增大;当热源温度为100℃和150℃时,工质R245fa相对于R601的系统?效率相差为0.89%和3.54%;对应加热器的?效率相差为0.49%和4.82%。     

内回热器对低温有机朗肯循环热力性能的影响及工质选择

目前对有机朗肯循环(ORC)有无内回热器的对比研究主要集中在循环热力性能随初参数变化的对比,但很少考虑吸热量对两个系统热力性能的影响。本文以烟气余热为热源,构建无回热和带有内回热的ORC系统,选用10种干工质,通过热源参数变化引起工质吸热量的变化,分析工质分别在两种系统中的初温、净功量、热耗率及(火用)损的变化规律,得出了较优工质和各工质对内回热器的匹配性。结果表明:当热源温度为150℃、排烟温度在70~90℃间引起的工质吸热量变化时,在窄点温差为10℃下,带有内回热器的ORC系统更适用于吸热量较低的区间;当吸热量较高时,内回热器对系统热力性能提升的能力降低,甚至低于无回热的ORC系统;经综合比较,工质R236ea和R600a最优,工质R245fa和R600为较适合工质;以R123为工质的带有内回热器和无回热的ORC系统热力性能差异较小,热耗率最大差值仅为约600kJ/kg,净功量最大差值也仅为约2kW,因此,R123对内回热器的热匹配性相对较差。     

基于多目标函数的亚临界有机朗肯循环的参数优化和性能分析

以系统净输出功率W_net、热源流体进出口(火用)降DE_g、系统总不可逆损失I和系统总投资成本C₂₀₁₃构建多目标优化模型,采用线性加权评价函数法对该模型进行求解,以R600a、R245fa、R601a、Pentane 4种纯工质以及R600a/R601a、R245fa/R601a、R245fa/Pentane和R600a/R245fa 4种非共沸混合工质为例,对亚临界有机朗肯循环（ORC）的蒸发温度T_e和冷凝温度T_c进行优化。研究结果表明：采用单目标有时得不到最优值,而采用多目标均能得到最优值,且多目标优化可以较好地协调各性能指标间的关系,使所要求的各项指标均能达到较优,因此多目标优化比单目标优化更加合理;存在最优蒸发温度T_e,opt和最优冷凝温度T_c,opt使多目标函数F（X）最小,同时,T_e,opt、T_c,opt随工质不同而不同;在T_e,opt或T_c,opt下,对比纯工质和混合工质的不同单目标函数值和F（X）值时,混合工质并不总是优于纯工质。     

Enhanced heat transfer in rectangular duct with punched winglets

Thermal performance of a heat exchanger duct with punched winglets(PWs) mounted on the upper duct wall has been examined for Reynolds number(Re) ranging from 4100 to 25,500. In the present experiment, two types of PWs: punched delta-and elliptical-winglets(P-DW and P-EW) with four punched-hole sizes were tested at a fixed attack angle, optimal relative pitch and height. Also, data of solid delta-and elliptical-winglets(DW and EW) were included for comparison. The investigation has shown that the P-DW yields higher thermal-performance enhancement factor(η) than the P-EW. Although the solid DW and EW with no punch have the highest heat transfer and friction loss, the PWs yield better η than the solid ones. For PWs, the P-DW with smaller hole size has the peak heat transfer and friction loss around 5.7 and 40 times over the smooth duct, respectively but the optimum η of 2.17 is seen for the one with a certain hole size. The PWs provide η at about 5%–8% above the solid winglets.     

Integrating expanders into heat exchanger networks above ambient temperature

The integration of expanders into heat exchanger networks (HENs) is a complex task since both heat and work are involved. In addition, the role of streams (as hot or cold), the utility demand, and the location of pinch points may change. With certain well‐defined conditions, four theorems are proposed for the integration of expanders into HENs above ambient temperature with the objective of minimizing exergy consumption. A straightforward graphical methodology for above ambient HENs design including expanders is developed on the basis of Grand Composite Curves (GCCs). It is concluded that to achieve a design with minimum exergy consumption, stream splitting may be applied and expansion should be done at pinch temperatures, hot utility temperature, or ambient temperature. In the majority of cases, however, and in line with the concept of Appropriate Placement from Pinch Analysis, expansion at pinch temperatures gives the minimum exergy consumption. © 2015 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 3404–3422, 2015     

非共沸混合工质ORC低温烟气余热利用分析与优化

以低温烟气余热的优化利用为目标,采用R245fa、R601a以及两者作为组分的9种不同质量配比的二元非共沸混合物共11种物质作为亚临界ORC工质,利用热力学以及热经济学分析循环性能,合理设计ORC系统并优化相关参数。研究表明,采用最大效率下的参数作为系统设计工况整个ORC系统热力性能较优。系统设计工况下,循环工质采用R245fa/R601a(0.6/0.4)相比其他纯工质与混合工质的热力学综合性能更优。热经济性分析中R245fa/R601a(0.9/0.1)热经济性最优,但R245fa/R601a(0.6/0.4)热经济性与R245fa/R601a(0.9/0.1)相差无几。考虑到R245fa/R601a(0.6/0.4)优良的热力学性能,故R245fa/R601a(0.6/0.4)依然是系统设计时综合考虑采用的循环工质。在混合工质中提高R245fa的质量比能降低APR与LEC,提高系统经济性。