新型平板太阳能PV/T空气集热器传热特性的数值研究

文中设计了一款新型PV/T一体化空气集热器,建立了新型PV/T空气系统内部传热过程的一维非稳态数学模型,并利用差分法对模型进行了数值计算。根据计算结果对一体化系统的性能及影响因素进行了分析。结果表明:在一定的光照强度下,随着空气质量流量增加,电池板温度Tp逐渐下降,空气温升逐渐降低;而热效率、光电转化效率、联合效率随空气流量的增加有所升高。模型的建立为高性能太阳能PV/T一体化空气集热器的优化设计提供较好理论依据。     

主、被动冷却的微槽道热管PV/T组件光电/光热性能对比分析

利用吸液芯为Ω形轴向微槽道热管在中低温余热回收领域中较高的热回收率和品质,设计与构建了一种基于Ω形微槽道热管风冷冷却的PV/T组件。测试分析了在主动冷却条件和被动冷条件下PV/T组件的热/电性能以及热风温度。试验结果表明,组件平均光电效率高于11%,平均光热效率为30%左右,平均（火用）效率高于13%,热风温度可达41℃以上,且主动冷却PV/T组件的光电、光热效率以及（火用）效率均高于被动冷却PV/T组件。与传统PV/T组件相比,该PV/T组件具有较明显的光电/热性能优势,收集的热风可用于建筑采暖、强化通风及热风干燥。     

太阳能光伏/热（PV/T）技术的研究进展

太阳能光伏/热（PV/T）技术是将光伏和光热结合在一起,可实现较高的太阳能利用率。本文首先简要介绍了PV/T集热器的概念、基本原理及分类。然后从PV/T集热器结构和运行参数两方面综述了近几年来国内外PV/T集热器的相关研究,对比分析了水冷型、制冷剂型和热管型3种类型PV/T的优缺点。概述了目前常用的PV/T性能评估和经济性分析的方法。最后指出了当前的PV/T集热器存在诸如结构复杂、工质渗漏、初始投资大等问题,并且缺少对其长期的动态性能研究。未来需对现有结构作进一步优化,同时开发新型PV/T集热器。     

基于相变材料的太阳能PV/T系统性能

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。     

余热利用集热器性能的实验研究与数值计算

以回转窑表面余热回收用集热器为研究对象,采用实验研究和数值计算方法,分析了集热器的流动和传热特性及其在线运行规律。实验中选取了一种辐射型和两种耦合型结构的集热器进行研究,分析了出口水温、出口压力和工质流量的变化对集热器性能的影响,总结了三种结构类型的集热器在换热量上的变化规律。采用Matlab软件编程进行数值求解,将数值计算结果与实验结果对比,验证了数值计算的准确性。数值分析了入口空气温度、入口空气流速和窑体温度变化时对应的集热器内熵增、火积耗散以及有效度的变化规律。相关计算结果为集热器的优化设计和在线运行参数的选择提供了数据支持。     

混合工质太阳能平板热管集热器的传热性能

介绍了平板热管的基本结构与原理,在分析乙二醇及其混合工质的热物理学特性的基础上,建立平板热管的物理与数学模型。采用数值计算模拟方法,分析了混合工质平板热管集热器的传热性能,研究了集热器的效率、温升和启动性能随工作时间的变化规律。研究表明,乙二醇水混合工质平板热管集热器适宜于低温寒冷地区,具有较高的集热性能。     

PV/T模块复合冷却模式性能对比测试与数值模拟分析

目前PV/T集热器有关双流体复合冷却的研究还少有涉及,基于此,本文通过搭建两套PV/T模块测试平台开展复合冷却与无工质冷却的对比实验,研究不同流量工况下模块的性能表现。数据表明：同时增大空气与水的质量流量有助于提高PV/T模块的电热性能,综合效率最高可达84.46%;复合冷却模式下玻璃盖板表面温度分层明显,电效率较无工质冷却模块可提升16.09%。通过对比实验数据与模拟结果,验证了PV/T数值模型的可信度,并进一步模拟分析运行参数对PV/T模块工作性能的影响,结果显示：单一地提高空气或水的质量流量,PV/T模块的总热效率、综合性能均得到提升;增大进口工质温度降低了模块的电热性能;而辐照强度的增加能够有效提升模块的综合效率。     

基于CAD/CAE/ERP塑料异型材挤出口模流道优化设计

针对复杂中空塑料异型材挤出口模,以出口处型材截面上各子区域的流速相等为优化目标,以对流动均匀性有较大影响的压缩段间隙为设计变量;把有限元数值模拟和基于CAD/CAE/ERP建立的挤出口模数据库相结合.通过优化设计实例证明,优化后模具出口处塑料熔体各区域流速均匀性显著提高,很好地满足了客户的要求.     

膜分离捕集燃煤电厂烟气CO2过程优化设计

全球CO₂的排放量不断升高,导致气候问题频发。“双碳”目标下,如何高效、低成本地捕集燃煤电厂烟气CO₂已经成为迫在眉睫的问题。传统的化学吸收法由于能耗高、成本高、溶剂易挥发等问题严重制约了其发展,而膜法碳捕集因为其操作简单、能耗低、环境污染小等优势被认为是最有前景的捕集方式。本文以PI中空纤维膜为分离膜,建立和求解了气体分离膜模型。并以燃煤电厂烟气CO₂为捕集目标,利用多岛遗传算法求解了膜分离捕集CO₂工艺的不同配置,并优化了分离过程中的关键参数(膜面积、操作压力)。结果显示：在二级膜分离工艺中,二级一段膜分离工艺的第一级膜和第二级膜操作压力分别为5.8 bar和7.1 bar,第一级膜和第二级膜的面积分别为448000 m²和180000 m²时,单位捕集成本为27.36 USD/t CO₂。与二级二段膜分离以及其他几种传统的CO₂捕集方法(MEA法、相变吸收法)相比,二级一段膜分离捕集CO₂的捕集成本和能耗均最小。本研究将为CO₂捕集实现低能耗和低成本化提供依据。     

饮料PET瓶坯的数值模拟及优化设计

根据相应的吹塑成型工艺要求限定瓶坯各参数的范围,设计8个瓶坯,在Moldflow环境中模拟各个瓶坯的注塑成型过程,得到相应的充填和保压时间,通过BP算法建立模型,并以充填和保压的总时间为目标值,得到在参数范围内的最优设计方案。结果表明,该方法能够指导瓶坯设计,具有一定的实际意义。     

扰流板太阳能空气集热器的流道优化

通过改变常规的蛇形流道的扰流板式太阳能空气集热器的扰流板布置，开发出一种涡旋形流道太阳能空气集热器，并对其进行实验与模拟研究。研究发现在平均太阳辐照度819.7W/m²、温度7.33℃、流量0.025kg/s的条件下，涡旋形太阳能空气集热器的集热效率可达59.14%，比蛇形太阳能空气集热器高2.18%；而其压力损失仅为蛇形太阳能空气集热器的37.26%，且随着流量的增加，压损降低更加明显；同时得到在出口温度为30～90℃范围内，涡旋形太阳能空气集热器的热损系数在4.6～5.6W/(m²·K)之间，热迁移因子在0.64～0.72之间，二者的平均值各自较蛇形太阳能空气集热器高0.06W/(m²·K)与0.019。与蛇形太阳能空气集热器相比，涡旋形的太阳能空气集热器增加了太阳能空气集热器的集热效率，同时大幅降低压力损失。     

两种集热结构的太阳能光伏/光热一体化热泵性能分析

探讨了一种直接将热泵蒸发管设置在太阳能光伏集热板背面的新型光伏/光热一体化热泵（PV/T-HP）系统。设计了采用普通铜管和多孔铝扁管的两种集热/蒸发器结构,对二者进行性能模拟与对比分析。结果显示：采用多孔铝扁管集热蒸发器的热泵系统因其更好的传热性能而具备更高的电效率和制热性能系数。对PV/T-HP系统的全年运行性能模拟表明,该系统可同时高效地输出电能和制得50℃热水。此外还提出,根据季节和天气变化控制压缩机容量的控制策略优化系统运行以提高其全年综合性能。     

Ba(OH)2·8H2O复合相变材料及其在太阳能光伏/热集热器上的释热特性

开发了一种熔点为78℃的八水氢氧化钡复合相变材料,通过添加成核剂使复合相变材料的过冷度降低3~5℃,结合纳米技术使材料的热导率提高了11.7%。基于包含复合相变蓄热材料与石蜡、水蓄热的梯级蓄热太阳能光伏、光热集热器,对该新型材料的释热特性进行了实验,实验结果表明,八水氢氧化钡复合相变蓄热材料无过冷,在其相变温度上相变平稳。在水流量为90 L·h^-1,环境温度为20℃时,集热系统可以有效地储存太阳能,以50℃为参考点放热时间长达60 min以上,且在放水前20 min内,系统的出水温度都高于70℃,因此该系统能够在降低太阳电池工作温度的同时,满足日常生活需求。     

槽式太阳能集热管内相变微胶囊悬浮液的热力性能分析

针对传统使用水基和油基的太阳能集热器换热效果低和管壁热应力大的问题,以相变微胶囊悬浮液为工作流体,对抛物型槽式太阳能集热器进行了三维建模。采用蒙特卡罗射线追踪法结合有限容积法和有限元法的方法求解了太阳能集热管的光?热?力耦合问题,采用欧拉?欧拉多相流模型研究了相变微胶囊悬浮液在集热管内的流动换热特性。结果表明,相变微胶囊悬浮液强化了集热管内的对流换热,不仅降低了集热管的沿程壁温,且减少了集热管的周向温差,均化了集热管温度分布。集热管周向等效热应力呈花瓣型分布,对应的5个高温度梯度的位置附近(圆周角θ=5°, 90°, 175°, 225°和315°)出现等效应力局部峰值。吸热管内壁面θ=90°处轴向热应力为压应力,作用于整个管程,而径向热应力和切向热应力为拉应力,主要作用在进出口端。相变微胶囊悬浮液浓度越高,强化换热效果越好,集热管热应力越小,但产生的压降也随之增大。     

并行流道风冷式电池热管理系统的导流板形状优化

针对并行流道风冷式动力电池热管理系统,开发了一种导流板形状优化方法。采用控制点描述导流板的形状,结合数值模拟方法,以电池组温差极小化为优化目标,通过逐步调整控制点高度优化导流板形状。典型算例结果表明,采用提出的优化方法优化Z形风冷系统的进口导流板形状,可显著提高系统的散热性能。在不同冷却空气流量下,与原始系统相比,优化后系统在压降增加20%的情况下,电池组最高温度下降了3.7 K以上,最大温差减小了85%以上;与文献中的Z形流道优化系统相比,本研究的优化系统在保证系统压降基本不变的情况下,电池组温差减小了48%以上。     

Multistream heat exchanger modeling and design

A new model formulation and solution strategy for the design and simulation of processes involving multistream heat exchangers (MHEXs) is presented. The approach combines an extension of pinch analysis with an explicit dependence on the heat exchange area in a nonsmooth equation system to create a model which solves for up to three unknown variables in an MHEX. Recent advances in automatic generation of derivative‐like information for nonsmooth equations make the method tractable, and the use of nonsmooth equation solving methods make the method very precise. Several illustrative examples and a case study featuring an offshore liquefied natural gas production concept are presented which highlight the flexibility and strengths of the formulation. © 2015 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 3390–3403, 2015     

Experimental and numerical investigations on the thermal response of multilayer glass fibre/unsaturated polyester/organoclay composite

Organoclay glass fibre reinforced polymer (GFRP) nanocomposites are fabricated using the vacuum assisted resin transfer moulding. The unsaturated polyester resin is prepared with and without organoclay involving mechanical mixing, sonication, dilution solvent and heat treatment. Three levels of organophilic clay content are added, and its influences on the fire performance of composite samples are investigated. A novel numerical procedure combining pyrolysis analysis of the organoclay‐composites and the fire dynamic simulation of the combustion process are developed to validate the thermal responses obtained from the cone calorimetry experiments. Kinetic parameters obtained from the TGA tests and pyrolysis analyses are used as inputs for the models measuring the fire growth index and total heat release. To account for multilayer composite structure and organoclay distribution, three numerical models are proposed including composite (CPS), component (CPN) and CPN‐layer models. While CPS model assumes the homogeneity of the composite, later models consider multilayer effects with uniform (CPN model) or concentrated (CPN‐layer model) distribution of organoclay. Numerical results are compared with experimental ones in terms of total heat release, fire growth index. Finally, the fire resistance and total smoke release of the polyester/glass composites with the addition of organoclay will be evaluated taking into account influences of the fabrication processes.     

基于热舒适性纳米喷泉的流动与传热特性

目前关于纳米喷泉流动与传热特性及微区域热舒适度方面的研究较少,为了研究其流动与传热机理,本文基于气-液两相流模型和金刚石-乙二醇/水纳米流体高沸点、低冰点等优良特性,在有限柱体空间内建立了一种基于热舒适性的新型高效换热喷泉-“纳米喷泉”,对比研究了金刚石-乙二醇/水纳米流体、水射流工质分别对喷泉流动与传热的影响,同时讨论了纳米颗粒体积分数v和表征流体流动情况的雷诺数（Reynolds,Re）对喷泉流动与传热的影响,分析了局部温度分布、流线分布、平均温度和流体换热量在空间内的变化,并依据ASHRAE 55-1992标准和ISO7730标准对微区域的热舒适度进行了评价。结果表明：随着Re数和v增大,换热强度均得以不同程度地提升,热舒适程度也逐渐增加。Re=1.0×10⁵和Re=1.2×10⁵时,纳米颗粒体积分数从0增加至1%的换热强度提升较为明显,前后两种Re数可分别强化1.5%和2.8%;Re=1.4×10⁵时,体积分数从3%增至5%的换热强度可提升11.5%,强化效果最为明显。故较小Re数下,较低组分的纳米流体强化换热效果较好;而在较大Re数下,较高组分纳米流体的强化换热效果更好。