超臨界CO2降壓、閃蒸過程膨脹機理與能量輸出特性研究基本信息

本項目立足在新型制冷和熱泵循環(huán)裝置中應(yīng)用CO2自然制冷劑，重點解決CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵問題- - 降低系統(tǒng)節(jié)流損失，提高運行效率。研究集中在超臨界CO2流體在降壓、閃蒸相變過程中流體的膨脹機理、流動特性以及能量釋放規(guī)律的分析，此理論研究將對指導(dǎo)設(shè)計制冷系統(tǒng)中的能量回收裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的節(jié)流系統(tǒng)，減少系統(tǒng)不可逆損失，提高系統(tǒng)效率具有重大的指導(dǎo)意義。本課題研究的意義在于對CO2跨臨界系統(tǒng)的實際應(yīng)用起到積極的促進作用。由于CO2具有優(yōu)良的物理特性和環(huán)境特性，是環(huán)害工質(zhì)的永久性替代物，具有非常光明的應(yīng)用前景，已有的研究表明, CO2跨臨界循環(huán)有極大的開發(fā)潛力, 可從根本上解決臭氧層破壞和溫室效應(yīng)問題，達到可持續(xù)發(fā)展。因此本課題是節(jié)約能源和環(huán)境保護的重要課題，對制冷空調(diào)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。 2100433B

單螺桿膨脹機是一種新型膨脹動力設(shè)備，兼具速度型和容積型膨脹機的特點，具有非常好的發(fā)展?jié)摿ΑＨ欢壳叭狈ο嚓P(guān)基礎(chǔ)研究工作。單螺桿膨脹機的工作過程十分復(fù)雜，由工質(zhì)/潤滑油組成的多相多組分流體在復(fù)雜的三維流道內(nèi)相互作用、相互影響，通過全流膨脹過程實現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換。為提高單螺桿膨脹機熱力完善度，需要開展單螺桿膨脹機全流膨脹過程的作用機理研究，展開在單螺桿膨脹機復(fù)雜流道內(nèi)多元多相流體的流動、傳熱和能量轉(zhuǎn)換機理的研究，分析影響效率的主要因素，結(jié)合有機朗肯循環(huán)全工況性能測試的實驗研究，找到優(yōu)化單螺桿膨脹機結(jié)構(gòu)及運行方式的方法，為單螺桿膨脹機的實用化提供研發(fā)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，為我國節(jié)能減排事業(yè)貢獻力量。

本項目選取目前污水處理廠普遍采用的生物脫氮工藝----A/O工藝和SBR工藝進行試驗研究，研究生物脫氮過程絲狀菌污泥膨脹的發(fā)生條件、影響因素、作用機理和微生物特性，考察其對生物脫氮效果和有機物降解效果的影響。主要研究內(nèi)容包括生物脫氮過程絲狀菌污泥膨脹發(fā)生的環(huán)境因素研究、生物脫氮過程絲狀菌污泥膨脹機理研究、生物脫氮過程絲狀菌污泥膨脹的分子生物學(xué)研究以及生物脫氮過程絲狀菌污泥膨脹的控制方法研究四個方面。研究取得的成果主要包括以下幾個方面。 一是明確了低C/N比生活污水在生物脫氮過程中環(huán)境因素對絲狀菌污泥膨脹的影響過程。確定了在不加外碳源的情況下A/O工藝處理實際低C/N生活污水較優(yōu)運行條件，確定了以乙酸鈉作為外加碳源時A/O工藝處理實際低C/N生活污水的最低碳源投加量。 二是明確了A/O工藝處理實際低C/N生活污水時低氧絲狀菌污泥微膨脹的發(fā)生條件。在有機負荷(F/M)為0.28 kg/(kgMLSS?d)，溶解氧為0.5mg/L時，系統(tǒng)的SVI能穩(wěn)定維持在250mL/g以下，系統(tǒng)的曝氣能耗可節(jié)省約40%。明確了A/O工藝H.hydrossis絲狀菌惡性膨脹的發(fā)生及膨脹機理與原因。在低氧條件運行過程中，發(fā)生由H.hydrossis型絲狀菌引起的惡性污泥膨脹，分析了其快速生長的主要原因。 三是確定了針對A/O工藝H.hydrossis絲狀菌污泥膨脹的有效控制方法。將A/O反應(yīng)器的好氧區(qū)由三格室增加到五格室，使水流接近推流式流態(tài)；同時，逐漸提高溶解氧至2mg/L，能有效控制污泥膨脹。 四是明確了針對SBR工藝H.hydrossis絲狀菌污泥膨脹的有效控制方法。維持有機負荷為0.37 kg/(kgMLSS?d)，采取完全好氧運行模式，能夠較好地控制H.hydrossis絲狀菌引起的污泥膨脹。 本項目共發(fā)表論文SCI 3篇，EI 7篇，申請專利4項，在國際會議做分組報告3項，培養(yǎng)博士研究生2名，碩士研究生7名，培養(yǎng)本科生3名。 2100433B

本課題針對單螺桿膨脹機的基本原理和實際工作過程展開初步的理論分析和實驗研究，獲得影響單螺桿膨脹機性能的主要影響因素，主要研究工作如下：對單螺桿的幾何結(jié)構(gòu)進行了解析法計算分析，比較了不同公式的計算精度，并獲得了容積隨轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律；對單螺桿膨脹機實際工作過程進行了熱力學(xué)分析。通過減小配合間隙可減小泄漏量，但會增加機械摩擦，因此二者之間存在優(yōu)化關(guān)系。通過分析還發(fā)現(xiàn)，泄漏對于單螺桿膨脹機性能的影響非常大，但由于螺桿槽道為三維扭轉(zhuǎn)空間，泄漏的工質(zhì)仍有部分做功能力，只是做功形式由體積功變?yōu)榱鲃庸Γ粚温輻U膨脹機的一些工藝問題進行了總結(jié)和分析，提出了確保單螺桿膨脹機性能的幾個關(guān)鍵工藝問題。提出了基于單螺桿膨脹機的氣體動力制冷循環(huán)的熱力學(xué)模型，并分析了各種因素對循環(huán)熱力性能的影響。結(jié)果表明，增加回?zé)崞鲿夯到y(tǒng)性能，但可以有效降低膨脹機出口溫度，實際系統(tǒng)中，回?zé)釡囟鹊倪x擇需要綜合考慮系統(tǒng)性能和其它降溫方法的結(jié)合并進行優(yōu)化設(shè)計；提出了基于單螺桿膨脹機的有機朗肯循環(huán)低溫?zé)崮馨l(fā)電系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，并分析了各種因素對循環(huán)熱力性能的影響。結(jié)果表明，在有機朗肯循環(huán)熱源側(cè)換熱過程中，不能忽略有機工質(zhì)定壓比熱隨溫度的變化情況。比較了典型的六種工質(zhì)（濕工質(zhì)、等熵工質(zhì)和干工質(zhì)各兩種），在相同蒸發(fā)溫度和冷凝溫度條件下，R245fa具有最佳的綜合性能，其次是R600和R600a，但如果在相同蒸發(fā)溫度和膨脹比條件下，R600具有最佳的綜合性能，其次是R600a，而R245fa的效果最差，這說明膨脹機性能對工質(zhì)的選擇具有決定性影響。開展了配合間隙對膨脹機性能影響的實驗研究。結(jié)果表明，通過合理的間隙控制可顯著提高膨脹機的性能，測試的自制膨脹機最大軸效率達到58.5%，最大容積效率達到66%，最小耗氣率約為60kg/kWh。結(jié)果還表明，即使在較低的容積效率時，仍可能產(chǎn)生較高的功率輸出和較大的溫降，這與前期的理論分析一致。帶濕膨脹會提高其工作性能，驗證了“全流膨脹”現(xiàn)象，但這種提高的有效性隨著膨脹機性能的提高而減弱；開展了了基于單螺桿膨脹機的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的初步實驗研究，膨脹機最大輸出功率約為1.7kW，軸效率約為70%左右，循環(huán)最大熱效率約為5.6%。本項目共發(fā)表論文8篇，其中SCI收錄2篇，EI收錄2篇，在國際學(xué)術(shù)會議上做分組報告1篇，全國學(xué)術(shù)會議上做分組報告2篇。 2100433B