基于多参数耦合的蓄冷温控箱冷板对流换热参数优化

蓄冷温控箱利用低温相变材料储存冷量,通过缓慢释放调节并保持箱内温度,目前仍存在冷量释放速率无法控制、剩余冷量预测难等问题,而蓄冷板表面对流换热系数直接影响冷量的释放速率。针对以上问题,搭建了蓄冷板表面对流换热系数测量试验平台,研究不同环境及蓄冷板参数对表面对流换热系数的影响。采用二次回归正交试验设计方案,探究了蓄冷区进口空气流速、进口空气温度、蓄冷板传热面积以及蓄冷板间距对表面对流换热系数的影响,并对结果进行分析,建立了表面对流换热系数二阶预测模型,获得影响表面对流换热系数大小较显著的因素及较优的参数组合。试验结果表明：各因素间存在明显交互作用,进口空气温度和蓄冷板传热面积的交互效应最大;通过响应曲面法建立的表面对流换热系数预测模型,得到最优参数组合为：进口空气流速4 m/s,进口空气温度25 ℃,蓄冷板传热面积0.455 m2,蓄冷板间距0.04 m,R2值为0.927 4,变异系数CV为5.78%。回归模型计算结果与试验结果吻合,最大误差为3.58%,平均相对误差为2.69%,表明该模型可以快速、准确地预测不同条件下的蓄冷板表面对流换热系数。试验结果为蓄冷温控箱冷量释放速率精准调控及剩余冷量预测提供参考。     

逆流式气-气换热器的设计与性能试验

介绍了一种逆流式气-气换热器的结构、设计及工作过程,并利用数值计算与现场试验的方法对该换热器进行了性能测试。该气-气换热器采用聚丙烯（PP）塑料材料作为换热片,流体方向为逆流式换热。数值方法计算结果表明,换热器换热量与风量呈正相关关系,换热效率随热端风量的增大而提高：热端风量为4 475 m3/h时,换热效率为0.55～0.75;热端风量为7 800 m3/h时,换热效率为0.6～0.8。性能测试的结果表明,该换热器的实际换热效率与数值计算的换热效率基本吻合：热端风量为4 475 m3/h时,实测值为0.45～0.7;热端风量为7 800 m3/h时,实测值为0.65～0.9。因此,该PP逆流式气-气换热器具有很好的换热性能。     

石蜡相变储热系统的放热效率

相变储热技术是节能的重要技术之一,对相变储热系统的换热系数以及放热效率的研究,有助于提高相变储热系统的放热效率,对相变储热系统的实际应用有着重要意义。该试验研究了叉排石蜡管束储热系统的整体放热性能,测定了该系统的换热系数及放热效率,并分析了管排数,风速等影响因素。研究表明,在小于3m/s的风速下,空气温度变化在20～55℃的范围内,该类储热系统的换热系数与使用现有准则关联式计算得到的理论值基本吻合;放热效率则随着风速的增大而下降,随管排数的增加而有所提高,最大可达83%;另外,延长放热时间,可以提高换热效率,最高可使放热效率提高62%。     

冷库冰水混合间接换热器的传热与流动特性

北方地区冬季寒冷漫长,夏季炎热,冬季储冰夏季利用有利于节能减排。利用冰水混合间接换热系统进行冷量交换,不仅节能环保而且空气质量明显提高。采用有限体积法商业软件FLUENT,应用SIMPLE算法对翅片管式换热器平直翅片的换热与流动特性进行数值研究,计算结果与试验结果对比分析。结果表明:数值模拟与试验偏差不超过15%;迎面风速均匀分布情况下,随着迎面风速的增加,换热系数和压降分别增加了133%和428%;平均场协同角随迎面风速的增加而增大,速度场和温度场的协同程度变差,对换热不利;在相同的空气体积流量下,迎面风速沿冰水流动方向呈逐渐降低的分布方式对换热有利。     

冲击式速冻设备上下送风速度对虾仁冻结过程的影响

随着人们对速冻食品品质的要求不断提高,商家对食品速冻技术的要求也在不断提高,冲击式速冻技术作为目前先进的速冻技术之一成为研究热点。但由于其高速射流冲击导致的内部换热区流场的不均匀会造成设备换热效率差,能效比低等问题。为找到使得设备换热区流场最优的送风速度,该文以明虾虾仁为研究对象,利用数值模拟结合试验验证的方法研究了冲击式速冻设备中上下送风速度对虾仁冻结过程的影响,分为上下两侧风速保持一致且同时改变;上侧送风速度为15 m/s、下侧为0~15 m/s;以及下侧送风速度为15 m/s、上侧为0~15 m/s 3个试验组进行研究。研究结果为:当冲击式速冻设备两侧送风速度保持一致时,随着风速的增大,虾仁冻结时长缩短但减小幅度也会不断减小;当上下两侧送风速度大小相差悬殊时,两股冲击射流相对冲击会在低速侧形成促进虾仁表面流场流动的涡流,提高换热效率,减小虾仁冻结时长;当上下两侧送风速度大小相差不大时,两股冲击射流相对冲击会在虾仁表面形成流速较低的射流"真空区",降低虾仁换热效率,增大虾仁冻结时长;在试验的两侧送风速度范围内,当上侧送风速度为15 m/s,下侧送风速度为2 m/s时,虾仁对流换热强度最大,冻结时长最短。     

牧区G303公路典型挡雪墙的防风作用

针对挡雪墙在草原牧区公路风雪流雪害防治过程中与公路之间的设置距离和设计高度存在的问题,该文以对内蒙古境内G303公路两侧2.0 m高典型公路挡雪墙为研究对象,对高2 m,宽0.5 m的浆砌石不透风式公路挡雪墙内外不同距离的防风效果进行系统研究,利用PC-2F多通道自动风速仪对挡雪墙内外的风速进行了野外实测,应用SUFER8.0、Grapher2.03软件对风速流场进行分析。结果表明：不透风式公路挡雪墙迎风侧1～5 m范围对风速的影响最大,特别是0.5 H（H表示防护长度）高度以下削减风速26.67%～45.18%,背风侧有效防护长度可达10～12 m,且旷野风速越大,对作用风速的影响越大;当不同的旷野风速作用于挡雪墙时,在0～2 m范围内0.75 h（h表示挡雪墙的试验测量高度）高度以上形成涡流,因而直接减小0.5 m高度及以下风速,有效的发挥了公路挡雪墙的作用;2 m高不透风式挡雪墙整个的防护范围可达16 m(6～10 m),且对0.5 h高度以下风速具有显著的影响作用;风速剖面线模型研究发现,迎风侧近地表0.5h、1h风速预测趋势线变化与防护长度(H)的关系为3阶多项式函数,其趋势线变化的特点是一个向上倾斜较为平缓变化的"∽"型,在1.5和2.0 h高度的预测趋势线变化为开口向上的2阶多项式函数,变化特点是相对平缓的"U"型。背风侧五组不同高度的风速预测趋势线都为3阶多项式函数,1 H及以下高度的三组风速趋势线变化从挡雪墙迎风侧到背风侧是先小后大的变化过程,而1.5 h和2.0h高度处的趋势线则为先大后小的变化过程。根据研究结果,建议草原牧区公路设置不透风式挡雪墙时,适宜位置应该在距公路上风侧10～12 m之间,该文为牧区公路设置挡雪墙防治风雪流灾害提供参考。     

槽式太阳能聚光集热器传热特性分析

为了研究槽式太阳能集热器的传热特性及为槽式太阳能集热器的设计提供理论依据,该文分析了槽式太阳能集热器的传热特点,建立了槽式太阳能集热器传热过程一维数学模型:利用该数学模型,计算分析了槽式太阳能集热器的传热特性。选取了2014年9月21日、10月25日的太阳直接辐照数据进行计算分析,10月25日太阳直接辐照数据均值比9月21日高37.5894 W/m~2,9月21日集热器吸收的太阳辐射热能计算均值比10月25日高196.644.W/m:接受管内外壁导热量随内外壁面温差升高而增加,接受管外径与内径的比值大于1.05时导热热阻增加到0.0004679 K/(W·m);接受管和玻璃管之问传热主要是辐射换热,辐射换热量随玻璃管内壁面温度升高而增加:对流换热量数值上可以忽略不计,且与接受管和玻璃管之间的环形空间残存气体类型有关,环形空间为氢气的对流换热量大于空气,空气大于氩气:玻璃管对外界的传热主要是辐射换热和对流换热,环境温度每下降lO℃,玻璃管对环境的辐射放热量增加约105 W/m:玻璃外管壁温度为50℃时,风速为6 m/s比0.5 m/s时的对流换热量增加约116W/m,玻璃外管壁温为80℃时,该值增加约为340 W/m;集热器的瞬时热效率随传热工质温度的升高而下降,随太阳直接辐照增加而升高;利用该文建立的数学模型计算的瞬时效率与美国可再生能源实验室的试验数据最大偏差约为3%。     

蓄能型振荡热管太阳能集热器的热性能

太阳能集热器是太阳能热泵系统的核心部件.该文设计了一种蓄能型振荡热管太阳能集热器,将其应用于蓄能型太阳能热泵系统中,可根据太阳辐射强度切换工作模式,实现太阳能分季节全天候利用,能提高系统热力性能.搭建了蓄能型振荡热管太阳能集热器热性能测试试验台,对振荡热管换热器内充灌不同工质(R134a、乙醇/水、丙酮/水)、集热管内分别利用空气显热蓄能或者石蜡潜热蓄能的蓄能型振荡热管太阳能集热器在白天和夜间工况下的热性能开展了试验研究.结果表明:振荡热管换热器内充灌R134a的集热器,白天工况下集热效率最高,平均集热效率在0.45以上,利用石蜡蓄热时最高达到了0.90;日有用得热量最大,最低可达到7.14 MJ/(m2·d);夜间工况下供热水水温最高.无论利用空气和石蜡蓄能,白天工况下集热器瞬时集热效率均与太阳辐射强度的变化规律相反.真空管内利用石蜡蓄能的蓄能型振荡热管太阳能集热器,阴雨天其集热效率远高于利用空气蓄能的集热器,平均提高64.0％,夜间供水水温均能保持在50℃以上,高于利用空气蓄热的集热器.该研究可为蓄能型太阳能热泵的推广应用提供参考依据.     

基于Weibull分布函数的马铃薯丁薄层热风干燥特性

为了实现马铃薯的规模化热风干燥,提高脱水制品的品质、降低生产能耗和成本,该文以薄层干燥试验为基础,研究了鲜切马铃薯丁在不同热风温度（40、50、60、70、80、90℃）、风速（0.5、1.0、1.5、2.5、3.5 m/s）和切丁长度（2.5、5、10、15 mm）条件下的干燥曲线、水分有效扩散系数和干燥活化能。利用Weibull分布函数拟合了干燥曲线,并建立了风温、风速和切丁长度与模型参数的定量关系。研究表明：鲜切马铃薯丁的热风干燥过程服从 Weibull 分布函数（R2=0.991～0.999）,是典型的降速干燥过程,模型的尺度参数与热风温度、风速和切丁长度有关;模型的形状参数与风速和切丁长度有关,而温度对其影响不显著（P＞0.05）;水分有效平均扩散系数在1.859～12.509×10-9 m2/s之间,与热风温度和风速显著相关（P＜0.05）,而物料切丁长度对其影响不显著（P＞0.05）;几何尺寸值与干燥物料的切丁长度和风速有关;马铃薯丁热风干燥的活化能为19.107 kJ/mol。该研究可为马铃薯热风干燥提供理论和技术基础。     

振动上吸式破壳油菜籽分选机性能试验

为优化破壳油菜籽分选机有关参数,以提高其分选性能。利用研制的振动上吸式破壳油菜籽分选机进行了三因素五水平的二次正交旋转回归试验,研究了喂入量、前风道风速和后风道风速对壳中含仁率和仁中含壳率的影响。结果表明影响壳中含仁率和仁中含壳率的因素主次顺序为：前风道风速、喂入量、后风道风速;较优参数：喂入量为650～750 kg/h、前风道风速为1.5 m/s、后风道风速为5.14 m/s。研究结果为破壳油菜籽分选机设计与性能改进提供基础资料。     

蓄能材料对内插热管式太阳能热泵系统冬季性能的影响

为充分利用太阳能,提高太阳能热泵系统能效比,该研究提出了一种蓄能型内插热管式太阳能热泵系统,可实现太阳能分季节最大化利用。搭建了系统性能试验台,在南京地区开展了2 a的试验研究,对比分析了相近环境条件下充灌或未充灌相变材料的系统瞬时集热效率、平均集热效率、系统性能系数和供水水温等随太阳辐射波动性的变化规律。结果表明在与冬季白天相近的太阳辐射强度、太阳辐射波动性和环境温度下,充灌相变材料系统的瞬时集热效率波动性比未充灌的系统降低近60%,平均集热效率较未充灌的系统提高25%以上。夜间工况下,充灌相变材料系统的COP(coefficient of performance)可达3.0以上,且能更快达到供热水温50℃,时间缩短20%以上。研究结果可为太阳能热泵系统的推广应用提供参考。     

农业基站室外自然冷能微热管阵列式空冷器性能

针对农业生产服务基站内通讯及储备电源等设施发热量高的问题,该文设计了一种基于微热管阵列的室外空冷器,在北方冬季及过渡季节利用自然冷能对通讯基站散热降温,节能降耗。利用多功能气候实验室模拟不同的室外环境温度,对空冷器在不同流程(顺流和逆流)和不同温度及流量下的换热性能、温度分布、?效率及阻力特性等进行分析。结果表明:逆流式空冷器的换热性能相较于顺流式提升了16.9%。微热管阵列传热单元具有优良的导热性能和均温性能。试验过程中空冷器最大换热量为7.5 kW,空气流动的平均压降为164.9 Pa,水循环管路平均压降为7.96 kPa,?效率最高为38.8%,相较于常规冷却塔,微热管阵列式空冷器适用环境温度范围广且阻力较小。与平直翅片的板翅换热器的流动特性与阻力特性对比结果表明,本文锯齿形翅片的空冷器综合性能提升了36.1%。研究结果可为微热管阵列式空冷器在农业基站的应用提供参考。     

用热管换热器回收密闭式鸡舍冬季换气中的余热

中国北方地区冬季气温低且冬季长，鸡舍结构上多采用密闭式以保温，使得冬季舍内空气质量恶化，须强制通风换气以保证空气质量，其结果使舍内气温降低。各种鸡舍在通风换气下舍温仅-2～3℃(东北地区舍温更低)，导致蛋鸡舍在冬季的生产性能下降5%～10%。由于冬季舍内排出的废气与补充的新风温差可达10～25℃，废气与新风还有湿度差，废气余热(包括显热和极少量的潜热)有一定的利用价值。为解决通风换气与保温这一对矛盾，该文提出将热管换热器用于回收密闭式鸡舍冬季排出废气中的余热。利用热管换热器可以将废气的50%以上余热回收以加热由舍外强制送入鸡舍的新风，以适当提高新风的温度。文中对热管换热器作了传热及阻力设计计算，对一定工况进行了参数优化并编制了通用程序。将热管换热器系统运用在鸡舍中运行，热管换热器实测热效率可达50%～65%，可节能、节省饲料 、提高产蛋率，有一定的推广价值。     

拖拉机排气余热板翅式蒸发器热力性能分析与参数优化

利用拖拉机排气余热能够有效降低燃油消耗,其中基于有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle, ORC)的余热能量转换效率最高。该研究根据拖拉机实际空间尺寸,试制了一种板翅式蒸发器用以回收柴油机排气余热。基于移动边界法建立排气与工质对流传热数值模型,结合台架试验数据验证模型有效性,并定量分析了柴油机全工况下蒸发器热力性能。为提高蒸发器传热量和适用范围,采用CFD仿真和BP神经网络进一步分析非设计工况时蒸发器传热特性,并对结构与工质参数进行优化。结果表明:1)蒸发器热力性能随转速和负载增大而提高,最大传热量为69.89 kW,在中低转速负载工况下,蒸发器出现传热不稳定现象;2)增加接管倒角和改变翅片形状,在蒸发器尺寸不变条件下传热量可提高5.2%,传热面积增大0.19m~2;3)通过优化流道、工质流量和进口温度,能够改善中低负载工况热力性能,如柴油机1 500 r/min时,工质流量可在0.03～0.08 kg/s范围变化,最大传热量可达19.46 kW。研究结果可为蒸发器实际应用于拖拉机及与柴油机工况匹配提供参考。     

畜舍热交换芯体-风机热回收通风系统的热回收效果

热回收通风作为一种节能的通风换气方式,可缓解畜舍保温能耗与通风的矛盾。然而民用一体式热回收通风系统在畜舍中直接应用时存在通风量小、单位通风量的设备造价高等问题。该研究设计了适用于畜舍的新型节能热回收通风系统,并研究该热回收通风系统在以下3种不同配置条件下的热回收效果,探究该系统在畜舍中的较佳运行条件:板翅式热交换芯体配置不同迎面风速的热回收效果;新风依次经过2个串联连接的板翅式热交换芯体后的热回收效果;优化了板式热交换芯体与噪声小、风量大的轴流风机的参数配比后的热回收效果。结果表明:在舍内外温差为12.08℃,芯体配置迎面风速分别为1.05和0.86 m/s时,新风温度经过板翅式热交换芯体后分别升高了1.93和2.79℃,显热回收效率、热回收负荷和能效比分别为35.88%和43.63%、0.16和0.19 kW,1.37和1.61,两者显热回收效率均未达到冬季65%的节能标准。在舍内外温差为10.49℃时,新风依次经过串联的2个板翅式热回收芯体,经过第1次热交换后新风温度升高2.59℃,显热回收效率为52.11%,热回收负荷及能效比分别为0.39 kW,3.26;新风经过第2次热交换芯体时热回收作用甚微。优化板式热交换芯体与风机配比后,在舍内外温差为12.12℃,迎面风速为4 m/s时,新风温度升高8.23℃,显热回收效率为69.9%,能效比为8.0,达到了冬季节能标准。从该研究热回收效果看,第3种配置参数条件平衡了热回收效率及通风需求的关系,可满足畜舍大通风量及节能的需求。     

基于微热管阵列的平板太阳能热水器的性能试验

为了检验一种新型平板太阳能热水器的性能,该文对其核心部件—基于微热管阵列的集热器及其组成的热水器进行了热性能试验。集热器热性能测试结果表明,微热管阵列平板太阳能集热器瞬时效率的斜率为4.7,截距为0.80,分别优于国家标准要求值11.0%和22.3%。在满足测试要求的天气情况下,对微热管阵列平板太阳能热水器进行的多次热性能测试结果表明,热水器的日有效得热量均高于国家标准要求值,日平均集热效率均高于60%。同时,该热水器具有承压能力强、无炸裂、轻巧、成本低、无需焊接、抗冻性能好、易于建筑一体化等优势。基于微热管阵列的平板太阳能热水器由于性能优异,并能克服现有太阳能热水器的缺点,具有广阔的应用前景。     

埋土防寒区葡萄冬剪后挂枝的防风效果

为了改善葡萄传统栽培方式冬春季地表裸露导致的风蚀状况,该文研究了"爬地龙"栽培模式下,葡萄冬剪后枝条悬挂在铁丝上形成风障的防风阻沙效果。结果表明:此防护措施的透光疏透度值75.6%分布在0.48~0.68,均值0.58,确定为通风结构;分析风速与防护长度的关系,得到1 m高度处风速在途经风障时变化过程:遇风障减弱、集流加速、迅速减弱、恢复和背风侧消减;在风障中距迎风侧边缘34 m处风速达到最低值,较旷野风速值减小84.20%,防风效能达80.72%;从背风侧风障边缘到距离边缘34 m处,均属于相对有效防护距离以内,防风效能均值达40.94%;该研究中葡萄园的输沙量沿高度分布遵循幂函数,输沙量均集中在近地面。挂枝的距地表5~150 cm高度的总输沙量比对照高39.0%。该研究可为中国葡萄埋土防寒区的防风阻沙工作提供参考。     

人字形板式换热器流道传热特性及参数优化

为实现田间条件下快速、准确识别棉花与杂草,该文以自然光照下田间棉花与杂草为研究对象,采用垂直向下拍摄的方式获取棉花杂草视频,按1帧/s的速率从视频中提取图像,在人工去除冗余度过多的图片后,建立1 000幅图片的数据集。对比了Faster R-CNN和YOLOv3 2种典型卷积神经网络,将Faster R-CNN卷积神经网络的深度学习模型引入到棉花杂草图像识别中,并提出一种结构优化的方法,使之适用于复杂背景下的棉田杂草识别。该文选用残差卷积网络提取图像特征,Max-pooling 为下采样方法,RPN网络中引入特征金字塔网络生成目标候选框,对卷积神经网络结构进行优化。在使用700幅图片进行训练后,通过200 幅田间棉花杂草图像识别测试,结果表明：该方法的平均目标识别准确率达95.5%,识别单幅图像的平均耗时为1.51 s,采用GPU 硬件加速后识别单幅图像的平均耗时缩短为0.09 s。优化后的Faster R-CNN卷积神经网络相对于YOLOv3平均正确率MAP高0.3以上。特别是对于小目标对象,其平均正确率之差接近0.6。所提方法对复杂背景下棉花杂草有较好的检测效果,可为精确除草的发展提供参考。