冰漿儲能技術(shù)

　　1 冰漿簡介

　　冰漿也稱二元冰，一般是指含有大量懸浮冰晶粒子的固液兩相溶液，冰晶粒子的平均直徑一般小于1mm。與常規(guī)冷凍水相比，冰漿具有低溫顯熱和相變潛熱大的優(yōu)點，同時冰漿還具有更高的冷卻速率、更大的換熱面積和便于運輸?shù)奶匦?。目前，冰漿已應(yīng)用于區(qū)域能源系統(tǒng)及建筑物空調(diào)、工業(yè)冷卻和食品冷藏等領(lǐng)域，潛在的應(yīng)用包括管道、換熱器的清理除垢、消防滅火、礦井冷卻及生物醫(yī)學上人體器官快速冷卻等。

　　2 研究內(nèi)容

　　2.1 真空閃蒸模型

　　為了進一步改善真空法制取冰漿系統(tǒng)，根據(jù)低壓下液滴閃蒸數(shù)理模型進行了數(shù)值計算，為真空法冰漿制備裝置的設(shè)計和使用提高參考依據(jù)。為了研究物性參數(shù)對冰晶形成的影響，基于以上液滴模型，分析了真空壓力、噴水粒徑、過冷度及添加劑對冰晶粒子生成的影響規(guī)律。

　　針對現(xiàn)有真空法制取冰漿過程中水蒸氣冷凝存在的問題提出了一種新型捕冷方式。該新型真空室捕冷結(jié)構(gòu)主要特點是：(1)捕冷結(jié)構(gòu)壁面由內(nèi)壁、夾層空間和外壁構(gòu)成，其中夾層空間有制冷劑循環(huán)。(2)捕冷結(jié)構(gòu)內(nèi)壁內(nèi)側(cè)要求光滑并附有涂層，保證水蒸氣被捕集形成冰晶粒子后能順利下落至真空室底部。(3)捕冷結(jié)構(gòu)下部有制冷劑進口，上部有制冷劑出口，供制冷劑流入與流出。新型捕冷方式在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上有較大優(yōu)勢，能有效捕集水蒸氣增強制冰效果。

　　為了進一步改善真空法制取冰漿系統(tǒng)，提出了一種新型的真空法制取冰漿系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行了理論研究。該系統(tǒng)利用熱能驅(qū)動，由噴射式制冷子系統(tǒng)、噴射式抽取真空子系統(tǒng)和真空閃蒸子系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)在大空間內(nèi)冷凝形成冰晶，能有效防止冰堵，且換熱效率高，運行可靠。

　　基于固體表面異質(zhì)成核及過冷壁面熱量傳遞機理，結(jié)合實驗觀測的具體現(xiàn)象，建立了冰層生長模型，推導了冰層生長速率的計算公式，并探討了主要系統(tǒng)和運行參數(shù)（基底材料、過冷度、流體流速等）對過冷壁面冰層生長過程的影響規(guī)律。

　　通過分析引起冰層粘附和分離的作用力，根據(jù)不同階段冰層及冰層與流體相對位置的不同，建立了各個階段冰層的分離條件?？紤]到壁面冰層的生長和分離，分析其過程中冰層厚度的變化規(guī)律，提出了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行和較高換熱效率的壁面零冰層和過冷器冰層不持續(xù)生長（不發(fā)生冰堵）兩種工況的系統(tǒng)參數(shù)條件，并對其進行了驗證實驗。

　　提出的脈動流防冰堵技術(shù)主要是利用脈動流增大流體剪切力從而實現(xiàn)對形成的冰層及時剝離。采用數(shù)值模擬方法，對圓管內(nèi)脈動層流的動力學特性進行深入研究，并詳細分析了脈動振幅、頻率對近壁面速度、剪切應(yīng)力分布的影響規(guī)律及脈動流強化流體壁面剪切力的效果。同時研究了利用余熱預防過冷法生產(chǎn)冰漿冰堵的裝置及其控制方法。

　　基于結(jié)晶動力學理論，分別簡歷描述冰晶生長、團聚、破碎、熟化等動力學行為的表達式。建立非熱力平衡條件下冰晶粒徑及分布演化CFD-PBM模型，模擬研究冰漿在生長、存儲、管內(nèi)流動過程中冰晶粒徑演化規(guī)律，分析過冷度、冰漿濃度、冰晶運動狀態(tài)等對冰晶粒徑演化的影響。

　　以過冷法制備冰漿為研究對象，研究過冷狀態(tài)下冰晶形成及存儲過程中粒徑分布狀態(tài)，進而分析過冷度、添加劑、存儲方式等因素對冰晶生成及粒徑分布的影響。建立了冰漿儲能技術(shù)實驗，主要實驗系統(tǒng)包括過冷法冰漿制備系統(tǒng)、冰漿儲存系統(tǒng)、冰晶粒徑測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。該實驗裝置克服了系統(tǒng)易冰堵、運行參數(shù)不可調(diào)節(jié)等問題，并實現(xiàn)了冰漿成核、存儲及流動過程的可視化觀察。

　　冰漿在直管內(nèi)的流動特性對設(shè)計和控制冰漿輸運過程具有重要的意義。采用CFD-PBM耦合模型研究含冰率、流動速度兩個因素對于流動過程的影響，主要考察的指標為壓力、速度、含冰率和粒徑的分布規(guī)律。搭建試驗臺研究了不同流速、流態(tài)、含冰率、粒徑分布對流體壓力損失及換熱系數(shù)的影響規(guī)律，探究流體進出口速度及位置、換熱器翅片節(jié)距、翅片高度、翅片角度等換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱器熱力性能的影響關(guān)系，分析得出換熱器達到*佳換熱效果時的結(jié)構(gòu)參數(shù)值。

　　在高濕環(huán)境下除濕，對機組的除濕性能要求比較高。通過對高濕環(huán)境下空氣處理設(shè)備的理論研究，提出一種將冰漿用于高濕環(huán)境下的空氣處理系統(tǒng)。通過實例的理論計算分析，采用EES軟件模擬在不同參數(shù)（含冰率、冰漿流速、進口空氣溫濕度等）下的除濕效果，旨在為冰漿儲濕技術(shù)的推廣提供參考。

　　真空冷凍干燥

　　1 研究背景

　　真空冷凍干燥技術(shù)是將含水物質(zhì)先凍成固態(tài)，然后使其中的水直接從固態(tài)升華成氣態(tài)，以去除水分而保存物質(zhì)的方法。相比于其他干燥技術(shù)，真空冷凍干燥技術(shù)具有物料骨架保持相對完整、復水性好、能抑制酶活性的特點，因此被廣泛的應(yīng)用于食品和藥品行業(yè)，除此之外，真空冷凍干燥技術(shù)也是材料科學中制備超細粉體材料的新技術(shù)手段，通過真空冷凍干燥技術(shù)制備的粉體具有形狀規(guī)則、團聚少和化學均勻性好等優(yōu)勢。

　　然而，真空冷凍干燥技術(shù)也存在一些問題，阻礙了真空冷凍干燥技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。比如冷凍干燥設(shè)備能耗高、凍結(jié)工藝依靠經(jīng)驗數(shù)據(jù)、凍干機理研究不夠深入等。盡管冷凍干燥技術(shù)在材料與醫(yī)學領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但研究大都集中在物料的形貌、尺寸與用途方面，缺乏對影響粉體顆粒形成的微觀機制的研究。

　　本研究團隊結(jié)合熱力學、傳熱傳質(zhì)理論、低溫工程、顆粒動力學、控制工程等學科知識，采用理論研究與實驗研究相結(jié)合的方法，針對上述問題圍繞真空冷凍干燥技術(shù)展開了一系列的研究。

　　2 研究內(nèi)容

　　2.1 真空冷凍干燥過程機理研究

　　建立完整的理論體系來描述真空冷凍干燥過程中的熱質(zhì)傳遞現(xiàn)象以及動力學行為。綜合運用熱質(zhì)傳遞理論、多場協(xié)同理論、非平衡熱力學、分形理論相關(guān)知識，并與實驗研究相結(jié)合，建立起能夠描述溶質(zhì)偏析、小尺度下的質(zhì)量非平衡效應(yīng)、結(jié)合水的吸附與解吸等多種復雜現(xiàn)象的理論。

　　建立數(shù)學模型研究不同因素之間的影響關(guān)系，明確不同因素對于冷凍干燥過程各個參數(shù)的影響規(guī)律，確定影響冷凍干燥耗時的主要因素，并結(jié)合*優(yōu)化方法理論，給出*優(yōu)參數(shù)搭配，為實際生產(chǎn)提供理論指導。

　　2.2 基于冷凍干燥技術(shù)的顆粒粒度調(diào)控研究

　　結(jié)合結(jié)晶動力學、分子動力學、顆粒動力學等相關(guān)理論，研究不同因素對于晶體粒度的影響，探究冰晶粒度與粉體粒度之間的作用關(guān)系，尋找冷凍干燥過程參數(shù)對超細粉體粒度形成的影響機理，力圖通過優(yōu)化冷凍干燥法制備粉體材料工藝實現(xiàn)對顆粒粒度的有效調(diào)控，指導實際工業(yè)生產(chǎn)。

　　2.3 凍干設(shè)備開發(fā)與優(yōu)化研究

　　結(jié)合機械設(shè)計、低溫工程、真空工程、控制工程等多學科知識，設(shè)計新型凍干結(jié)構(gòu)，如氣固相相變換熱器結(jié)構(gòu)。并通過數(shù)值仿真技術(shù)驗證改進效果。同時，研究加熱方式、托盤等部件擺放等因素對于干燥過程的影響，并結(jié)合機械設(shè)計相關(guān)要求，探求凍干機*佳配置，指導凍干設(shè)備的設(shè)計與制造。

　　2.4 新型干燥方式的探索研究

　　探索新型干燥方式，將真空冷凍干燥技術(shù)與其他干燥技術(shù)結(jié)合，如噴霧冷凍干燥、高壓電場-冷凍干燥、微波-冷凍干燥等。比較不同聯(lián)合干燥方式的能耗、應(yīng)用范圍、對物料品質(zhì)的影響程度。為實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

　　3 研究成果

　　目前已發(fā)表多篇論文和授權(quán)專利兩項。冷凍干燥法制備超細粉體材料方面的綜述論文系統(tǒng)闡述了真空冷凍干燥過程的機理、影響材料粒度的因素、傳熱傳質(zhì)數(shù)學模型、以及真空冷凍干燥法制備超細粉體材料的應(yīng)用。采用多孔焓法對液態(tài)物料的凍結(jié)過程做了研究，利用數(shù)值仿真技術(shù)對不同凍結(jié)方式下的冰晶粒徑變化規(guī)律做了研究，發(fā)現(xiàn)不同的凍結(jié)方式下會形成不同大小的冰晶，此外還得到了不同凍結(jié)參數(shù)和冰晶粒徑的回歸關(guān)系式，為凍干曲線的優(yōu)化提供了參考。采用準穩(wěn)態(tài)模型研究了冰晶粒徑對于干燥過程的影響規(guī)律，揭示了凍結(jié)過程和干燥過程之間的潛在聯(lián)系，突破了將凍結(jié)過程和干燥過程獨立處理的傳統(tǒng)方法。

　　針對傳統(tǒng)冰溫庫溫度波動大、果蔬儲藏質(zhì)量較差的問題，團隊提出了將相變材料冰漿與冰溫庫相結(jié)合的方法，將冰漿引入冰溫庫，利用冰漿吸熱時溫度不變的特性，降低冰溫庫的溫度波動，從而減少果蔬田間熱和呼吸熱的影響，提高儲藏質(zhì)量。利用毛細管強化散熱的特性提出了一種可同時制熱制冷的便攜式保溫箱，利用微型制冷系統(tǒng)實現(xiàn)冷量由制冷箱向制熱箱內(nèi)的傳遞，達到同時制冷制熱效果。滿足了人們對于不同保鮮食品的需求。

　　能源系統(tǒng)優(yōu)化

　　1 研究背景

　　能源系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)能為不同的能源利用過程帶來顯著的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益。多能源互補系統(tǒng)的多目標優(yōu)化問題分為關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化、系統(tǒng)設(shè)備類型及容量優(yōu)化設(shè)計和系統(tǒng)運行策略的優(yōu)化，以及衍生的系統(tǒng)不確定性分析、動態(tài)響應(yīng)等。多目標優(yōu)化問題具有復雜性及非線性，而智能算法具有較強的全局搜索能力，被廣泛用于多目標問題的求解，*具代表性的為遺傳算法和粒子群算法。

　　本團隊利用流程模擬軟件以及智能優(yōu)化方法，對不同的能源系統(tǒng)進行流程模擬研究，針對不同的能源利用過程進行技術(shù)經(jīng)濟分析，獲取系統(tǒng)設(shè)備*佳容量及相應(yīng)的能量管理策略、用能優(yōu)化策略等，并從生命周期角度對能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性能、資源能源消耗和環(huán)境性能進行分析與評價。

　　2 研究內(nèi)容

　　2.1 能源系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟分析

　　利用Aspen軟件開展了基于水合物分離技術(shù)的碳捕集系統(tǒng)能效分析，在給定煙氣流量和煙氣成分的條件下研究過程參數(shù)對系統(tǒng)能耗和有效能損失的影響，并與化學吸收法進行了詳細對比。提出了具備儲冷功能的CO2水合物新型制冷系統(tǒng)，模擬研究了系統(tǒng)運行參數(shù)以及設(shè)備效率對系統(tǒng)能效的影響，并針對不同的用冷對象設(shè)計了兩種不同的儲冷策略。此外，本團隊還利用Aspen軟件優(yōu)化設(shè)計了低溫甲醇洗、生物質(zhì)制氫等化工過程，基于流程模擬進行了深入研究。

　　2.2 多能互補能源系統(tǒng)優(yōu)化

　　主持設(shè)計建設(shè)了集成多種可再生能源的多能互補系統(tǒng)，形成了運行數(shù)據(jù)實時采集、能量管理策略、及系統(tǒng)運行優(yōu)化等方面研究的實驗平臺。利用TRNSYS研究了該多能互補系統(tǒng)不同運行方式下運行特性、能效水平與經(jīng)濟效益，為多能互補系統(tǒng)的應(yīng)用推廣提供參考。針對設(shè)計過程從經(jīng)濟性和火用效率的角度提出了一種經(jīng)濟-能效的非線性多目標優(yōu)化模型，結(jié)合多目標優(yōu)化方法得到了設(shè)備*佳容量選擇及相應(yīng)的能量管理策略；針對運行過程含提出了一種基于改進NSGA-II算法的多目標運行優(yōu)化方法，結(jié)合多屬性決策方法，獲取用能優(yōu)化策略來指導系統(tǒng)運行。

　　2.3 能源系統(tǒng)全生命周期評價

　　以長沙新能源與可再生能源綜合利用示范與展示中心為研究案例，在全生命周期的視角下，對該系統(tǒng)的經(jīng)濟性能、資源能源消耗和環(huán)境性能進行系統(tǒng)地分析與評價，主要包括生命周期評價、生命周期成本分析和生命周期可持續(xù)評價。本研究能夠?qū)ξ覈ㄖ植际侥茉聪到y(tǒng)今后的發(fā)展提供重要參考意義。

　　爐窯效率提升

　　1 研究背景

　　基于CFD技術(shù)可以實現(xiàn)對爐窯內(nèi)和燃燒器的氣體流動狀況、各點溫度分布情況、各點濃度分布等進行耦合計算與全息仿真，以預示爐內(nèi)的氣動特性和燃料的燃燒效率，指導優(yōu)化運行。理論結(jié)合工程實際，通過試驗研究和計算機數(shù)值模擬試驗分析，可以有效地模擬了鍋爐實際運行狀況，指導爐窯的運行優(yōu)化和技術(shù)改造。

　　2 研究內(nèi)容

　　2.1 基于CAT技術(shù)的鍋爐燃燒優(yōu)化與管理系統(tǒng)研究

　　非設(shè)計煤質(zhì)工況下的燃燒調(diào)整是我國熱電企業(yè)急待解決的問題。本課題以某企業(yè)熱電事業(yè)部鍋爐為研究對象，對爐內(nèi)的氣固兩相流動、傳熱和燃燒進行了數(shù)學模型的建立。基于組態(tài)王軟件，應(yīng)用模糊理論并結(jié)合專家知識，建立了風粉操作優(yōu)化模糊專家系統(tǒng)，可對鍋爐在線監(jiān)測與信息管理。該系統(tǒng)可在線計算爐內(nèi)溫度場分布，對當前爐況做出實時準確判斷，從而給出當前爐況下應(yīng)采用的操作指導。系統(tǒng)不但可監(jiān)控實際生產(chǎn)過程，同時可將現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行存儲，經(jīng)過處理后通過企業(yè)網(wǎng)發(fā)布，為管理提供實時、可靠數(shù)據(jù)，為企業(yè)決策提供支持，是一個管控一體化系統(tǒng)。

　　2.2 煤粉鍋爐富氧燃燒特性研究

　　富氧燃燒技術(shù)作為一種可提高燃燒效率降低污染物排放的新技術(shù)受到了全世界關(guān)注并被廣泛應(yīng)用。本課題基于數(shù)值計算和實驗方法對某石化公司鍋爐進行了富氧燃燒改造技術(shù)研究，以空氣-增氧型富氧燃燒技術(shù)在鍋爐上的應(yīng)用為研究對象開展了相應(yīng)的研究工作。針對復雜的煤粉燃燒過程建立了氣-粒兩相流顆粒動力學模型、燃燒反應(yīng)模型、輻射模型等，并自定義UDF程序?qū)崿F(xiàn)了氣、粒相之間的質(zhì)量傳輸。課題研究完成了對復雜工況條件下的煤粉燃燒的多場耦合計算。通過實驗數(shù)據(jù)測試驗證了數(shù)學模型的可靠性。設(shè)計了具體的工程技術(shù)改造方案。

　　2.3 燃氣鍋爐翅片管式冷凝換熱器傳熱與流動特性研究

　　冷凝式換熱器的合理設(shè)計和改進對提高燃氣鍋爐熱效率和能源利用率具有重要意義。本課題以某企業(yè)燃氣鍋爐尾部煙氣冷凝余熱回收為研究對象，對煙氣冷凝余熱潛力進行了分析計算，并設(shè)計了翅片管冷凝換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。基于ICEMCFD軟件建立了翅片管冷凝換熱器物理模型，采用FLUENT軟件及其多相流模型（VOF模型）對冷凝換熱器煙氣側(cè)的冷凝換熱過程進行了數(shù)值計算，分析了冷凝相變過程中的熱量傳遞和質(zhì)量傳遞，針對冷凝相變過程編譯了一套完整的UDF計算程序。

　　2.4 冷凝壁掛爐換熱器傳熱特性研究

　　冷凝壁掛爐可有效回收水蒸氣的汽化潛熱，降低排煙溫度，顯著提高熱效率。以冷凝壁掛爐的關(guān)鍵部件-冷凝換熱器為研究對象，通過對換熱器的傳熱性能分析和換熱器材質(zhì)分析，提出一種新型鑄鋁一體式冷凝換熱器，對換熱器外形、結(jié)構(gòu)、尺寸進行了設(shè)計。并對設(shè)計的冷凝換熱器復雜的傳熱特性研究建立氣液兩相流模型、組分傳輸模型，通過編譯UDF程序?qū)崿F(xiàn)了冷凝相變過程的耦合計算，研究發(fā)現(xiàn)，由于冷凝的出現(xiàn)，冷凝換熱器復合傳熱系數(shù)較普通換熱器高出40～60%。

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