超臨界CO2降壓、閃蒸過(guò)程膨脹機(jī)理與能量輸出特性研究項(xiàng)目摘要

本項(xiàng)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(diǎn)解決CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題- - 降低系統(tǒng)節(jié)流損失，提高運(yùn)行效率。研究集中在超臨界CO2流體在降壓、閃蒸相變過(guò)程中流體的膨脹機(jī)理、流動(dòng)特性以及能量釋放規(guī)律的分析，此理論研究將對(duì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)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(duì)CO2跨臨界系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用起到積極的促進(jìn)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(kāi)發(fā)潛力, 可從根本上解決臭氧層破壞和溫室效應(yīng)問(wèn)題，達(dá)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(hù)的重要課題，對(duì)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(jī)是一種新型膨脹動(dòng)力設(shè)備，兼具速度型和容積型膨脹機(jī)的特點(diǎn)，具有非常好的發(fā)展?jié)摿?。然而目前缺乏相關(guān)基礎(chǔ)研究工作。單螺桿膨脹機(jī)的工作過(guò)程十分復(fù)雜，由工質(zhì)/潤(rùn)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(guò)全流膨脹過(guò)程實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換。為提高單螺桿膨脹機(jī)熱力完善度，需要開(kāi)展單螺桿膨脹機(jī)全流膨脹過(guò)程的作用機(jī)理研究，展開(kāi)在單螺桿膨脹機(jī)復(fù)雜流道內(nèi)多元多相流體的流動(dòng)、傳熱和能量轉(zhuǎn)換機(jī)理的研究，分析影響效率的主要因素，結(jié)合有機(jī)朗肯循環(huán)全工況性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)研究，找到優(yōu)化單螺桿膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式的方法，為單螺桿膨脹機(jī)的實(shí)用化提供研發(fā)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，為我國(guó)節(jié)能減排事業(yè)貢獻(xiàn)力量。

本項(xiàng)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(jìn)行試驗(yàn)研究，研究生物脫氮過(guò)程絲狀菌污泥膨脹的發(fā)生條件、影響因素、作用機(jī)理和微生物特性，考察其對(duì)生物脫氮效果和有機(jī)物降解效果的影響。主要研究?jī)?nèi)容包括生物脫氮過(guò)程絲狀菌污泥膨脹發(fā)生的環(huán)境因素研究、生物脫氮過(guò)程絲狀菌污泥膨脹機(jī)理研究、生物脫氮過(guò)程絲狀菌污泥膨脹的分子生物學(xué)研究以及生物脫氮過(guò)程絲狀菌污泥膨脹的控制方法研究四個(gè)方面。研究取得的成果主要包括以下幾個(gè)方面。 一是明確了低C/N比生活污水在生物脫氮過(guò)程中環(huán)境因素對(duì)絲狀菌污泥膨脹的影響過(guò)程。確定了在不加外碳源的情況下A/O工藝處理實(shí)際低C/N生活污水較優(yōu)運(yùn)行條件，確定了以乙酸鈉作為外加碳源時(shí)A/O工藝處理實(shí)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(shí)際低C/N生活污水時(shí)低氧絲狀菌污泥微膨脹的發(fā)生條件。在有機(jī)負(fù)荷(F/M)為0.28 kg/(kgMLSS?d)，溶解氧為0.5mg/L時(shí)，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(jī)理與原因。在低氧條件運(yùn)行過(guò)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(zhǎng)的主要原因。 三是確定了針對(duì)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(shí)，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(duì)SBR工藝H.hydrossis絲狀菌污泥膨脹的有效控制方法。維持有機(jī)負(fù)荷為0.37 kg/(kgMLSS?d)，采取完全好氧運(yùn)行模式，能夠較好地控制H.hydrossis絲狀菌引起的污泥膨脹。 本項(xiàng)目共發(fā)表論文SCI 3篇，EI 7篇，申請(qǐng)專(zhuān)利4項(xiàng)，在國(guó)際會(huì)議做分組報(bào)告3項(xiàng)，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(duì)單螺桿膨脹機(jī)的基本原理和實(shí)際工作過(guò)程展開(kāi)初步的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，獲得影響單螺桿膨脹機(jī)性能的主要影響因素，主要研究工作如下：對(duì)單螺桿的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解析法計(jì)算分析，比較了不同公式的計(jì)算精度，并獲得了容積隨轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律；對(duì)單螺桿膨脹機(jī)實(shí)際工作過(guò)程進(jìn)行了熱力學(xué)分析。通過(guò)減小配合間隙可減小泄漏量，但會(huì)增加機(jī)械摩擦，因此二者之間存在優(yōu)化關(guān)系。通過(guò)分析還發(fā)現(xiàn)，泄漏對(duì)于單螺桿膨脹機(jī)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?dòng)功；對(duì)單螺桿膨脹機(jī)的一些工藝問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)和分析，提出了確保單螺桿膨脹機(jī)性能的幾個(gè)關(guān)鍵工藝問(wèn)題。提出了基于單螺桿膨脹機(jī)的氣體動(dòng)力制冷循環(huán)的熱力學(xué)模型，并分析了各種因素對(duì)循環(huán)熱力性能的影響。結(jié)果表明，增加回?zé)崞鲿?huì)惡化系統(tǒng)性能，但可以有效降低膨脹機(jī)出口溫度，實(shí)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；提出了基于單螺桿膨脹機(jī)的有機(jī)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(duì)循環(huán)熱力性能的影響。結(jié)果表明，在有機(jī)朗肯循環(huán)熱源側(cè)換熱過(guò)程中，不能忽略有機(jī)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(shuō)明膨脹機(jī)性能對(duì)工質(zhì)的選擇具有決定性影響。開(kāi)展了配合間隙對(duì)膨脹機(jī)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，通過(guò)合理的間隙控制可顯著提高膨脹機(jī)的性能，測(cè)試的自制膨脹機(jī)最大軸效率達(dá)到58.5%，最大容積效率達(dá)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(shí)，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(huì)提高其工作性能，驗(yàn)證了“全流膨脹”現(xiàn)象，但這種提高的有效性隨著膨脹機(jī)性能的提高而減弱；開(kāi)展了了基于單螺桿膨脹機(jī)的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的初步實(shí)驗(yàn)研究，膨脹機(jī)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(xiàng)目共發(fā)表論文8篇，其中SCI收錄2篇，EI收錄2篇，在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上做分組報(bào)告1篇，全國(guó)學(xué)術(shù)會(huì)議上做分組報(bào)告2篇。 2100433B