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近(超)临界区新型热力循环工质热流迁移特性的研究

批准号:
51936009
项目类别:
重点项目
资助金额:
300.0 万元
负责人:
何茂刚
依托单位:
学科分类:
热物性与热物理测试技术
结题年份:
2024
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
何茂刚

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
近(超)临界区工质热导率、比热容、黏度等热流迁移特性奇异变化规律和机理是实现先进超(跨)临界循环系统高效安全运行的重要保障。本项目针对新型环保工质在近(超)临界区热流迁移性质突变规律及其与循环耦合机理开展研究,基于激光法和流动法热物性测试平台,发展近临界区和超临界高参数区新型工质的热导率、黏度、比热容的精确获取方法,并对烷烃、卤代烯烃、CO2及其混合物的相关物性进行测量,完善新型工质的热物性实验数据库;基于分子动力学、第一性原理等直接模拟方法,探究近临界区热物性奇异变化的分子机理,重点考虑临界跨接项的构造,建立从亚临界到超临界区域相关物性的计算模型;根据新工质精确的热物性数据,分析不同热物性对循环性能的影响规律,建立新型循环和工质性质耦合作用的热力学模型,探究超(跨)临界循环节能原理,并提出工质设计理论。本项目的研究成果对于新型动力和制冷循环以及与其适配的新型工质开发和应用具有重要的意义。
英文摘要
The thermophysical properties of fluids in the supercritical region as well as near the critical point are very different from those in other thermodynamic regions, which include thermal conductivity, heat capacity, and viscosity. The knowledge of the singular behavior of these properties is key issues for modern cycle systems operating efficiently and safely at extreme conditions. This project will address two main problems about alternative working fluids: 1) The fluctuations of their transport properties near the critical point; 2) The coupling mechanism of transport properties on the performances of cycle systems. First, based on the laser method and the flow method, the accurate determinations of thermal conductivity, heat capacity, and viscosity will be studied for alternative working fluids in the supercritical region and near the critical point. The thermophysical properties of alkane, halogenated olefin, CO2, and their mixtures will be measured to develop better experimental databases for the corresponding working fluids; Then, molecular dynamics simulations as well as ab initio methods will be employed to investigate the singular behavior of the considered properties and their mechanism near the critical point, which will be used to construct crossover terms near the critical point and to develop prediction models covering a wide thermodynamic range; Finally, based on the accurate thermophysical property data obtained in this project, thermodynamic models coupling modern cycles with their working fluid properties will be established, which will be utilized to analyze the effect of different thermophysical properties on cycle performances, to find the principle of energy saving for the cycle systems working in extreme conditions, and to further develop the theory of working fluid designs. In conclusion, the research outcome of this project will be significantly important to modern power cycles and refrigeration cycles as well as the R&D of alternative working fluids.
围绕新型环保工质在近(超)临界区热流迁移性质及其与热力循环耦合机理开展研究工作。在实验方面,基于微观涨落激发光散射机理,研发了微秒级软件数字相关器,突破了硬件数字相关器中采样时间、通道数固定的限制,搭建了光散射热扩散率实验装置;改进保温层温度稳定性,修正漏热测量误差,搭建了近临界区变化剧烈的比定压热容实验装置;对动能损失、进出口两端能量损失以及热膨胀损失进行修正,搭建了毛细管法流体高压黏度实验装置。热流迁移性质测量精度达到了世界领先水平,精确测量了超临界CO2、低碳烃、卤代烯烃及其混合物在宽广温度压力范围内的热物性数据。在分子模拟方面,采用从头算势能对近(超)临界区简单流体的热力学性质进行模拟,该势能考虑了非相对论相互作用能、高耦合簇项的非相对论贡献、相对论修正和对角修正相互作用;利用ReaxFF MD研究了超临界水中木质素的裂解过程和气体的生成途径,揭示了木质素气化反应的机理,研究了不同纳米颗粒催化剂的木质素超临界水气化过程及其微观反应机理。在计算模型方面,建立了基于White跨接方法的PC-SAFT状态方程,并精确预测了CO2、低碳烃、卤代烯烃及其混合物的近临界区热力学性质;结合Amooey关联式和Asgelrsson模型,提出了一种近/超临界导热系数计算关联式,建立了基于自由体积理论和状态方程的近(超)临界黏度计算模型,实现了CO2、低碳烃、卤代烯烃及其混合物迁移性质的精确计算。在热力系统耦合方面,分析了工质、变工况参数对热力性能的影响机制,提出了三种热力系统性能优化策略;建立了热物性测量不确定度、计算偏差与热力系统性能的关联模型,揭示了热物性数据精度对近(超)临界循环热力性能的影响规律;基于机器学习方法构建了工质分子结构与热流迁移性质、热力系统性能的关联模型,建立了性能导向的工质分子结构设计模型。获省科技进步二等奖1项;发表SCI论文84篇;出版专著2部;授权发明专利15项、软件著作权13项,作特邀报告10次。培养国家优青和省杰青各1人、博士11人,硕士30人。
第十二届亚洲热物性会议
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    --
  • 资助金额:
    8万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    何茂刚
  • 依托单位:
近(超)临界区新型热力循环工质热流迁移特性的研究
  • 批准号:
    51942608
  • 项目类别:
    重点项目
  • 资助金额:
    300万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    何茂刚
  • 依托单位:
高温熔融氟化盐相图的实验测量和理论研究
  • 批准号:
    51376141
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    90.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    何茂刚
  • 依托单位:
流体导热系数动态光散射法测量及理论推算
  • 批准号:
    50976091
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    40.0万元
  • 批准年份:
    2009
  • 负责人:
    何茂刚
  • 依托单位:
国内基金
海外基金