熱力循環
關注創建者：SoftInWay中國 創建時間：2021-02-01
熱力循環的視頻教程
使用AxCYCLE對超臨界二氧化碳sCO2循環進行熱力分析
本視頻節選自SoftInWay公司往期研討會《sCO2循環構建及分析》 SoftInWay是一個已有20年歷史，全球設有多個辦公室的葉輪機械領域的專業公司，公司旗下擁有自主研發的集設計，分析和優化為一體的專業葉輪機械設計軟件平臺AxSTREAM。
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熱力循環的實例教程
制冷系統中，熱力循環的理想狀態是什么樣的？實際過程又是什么樣的？熱力循環的過冷和過熱分別是什么機理？熱力循環回熱過程又該怎么理解？
理想狀態下的熱力循環
實際狀態下的熱力循環
熱力循環——過冷
1、液體過冷
2、制冷系數增加
熱力循環——過熱
1、蒸汽過熱
1、制冷系數變化情況
熱力循環——回熱
如果要使回熱循環的單位容積制冷量及制冷系數比無回熱循環高，其條件應是：
熱力循環——冷凝溫度的變化
1、冷凝溫度
蒸發溫度不變，冷凝溫度增大：
（1）單位制冷量減少
（2）單位壓縮功增大
（3）循環制冷劑的流量：不變？一般減少
（4）制冷機的制冷量減少，理論耗功增加
（5）單位容積制冷量降低
結論：對于同一臺制冷機的制冷量減少，耗功增大，COP降低。如果冷凝溫度降低，則變化情況相反；
2、蒸發溫度
冷凝溫度不變，蒸發溫度降低：
（1）單位制冷量減少
（2）單位壓縮功增大
（3）循環制冷劑的流量：減少
（4）制冷機的制冷量減少，
（5）制冷機的理論耗功不定：但制冷機的COP肯定降低
熱力循環——工況變化
兩級壓縮一級節流中間完全冷卻
兩效溴化鋰－串聯
展開 論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114134
研究發現Ti6Al4V合金在400℃和650℃之間經歷熱力變化后逐漸軟化，塑性壓縮應變極限為1%。α和β相之間的動態應變分配伴隨著(a→β)相變。在熱力變化循環中觀察到的β相變化相當出乎意料(約5%)，因為熱力學平衡預測在該溫度范圍內相變可忽略不計。在加工狀態下，測得的β相中的V含量約為30%，而在α相中，測得的V含量約為2.27%。同樣，測得的α相中鋁含量約為8%，在β相中約為2%，對45和75次循環樣品進行了相同的分析，測得β相中的V含量分別為18%和17%。在兩個階段中鋁含量的變化可以忽略不計。與未進行循環樣品相比，大量的V在熱力變化(45和75循環)過程中重新分配。
展開 本次研究使用到以下軟件工具：
AxCYCLE? 用于執行循環熱力學計算；在設計點對壓縮機和透平進行初始設計時，AxSTREAM? 中的解決方案生成器有助于在給定的邊界條件下找到可能的機器設計；在AxSTREAM? 中，Meanline(1D） / Streamline(2D)求解器針對設計和非設計工況計算了葉輪機械的參數和性能，包括質量流量、壓力、功率和效率等。AxSTREAM ION? 用于將上述所有模塊和工具集成到一個仿真系統中，實現數字孿生，并執行自動化過程。本次研究還利用NIST RefProp[10]工具來確定CO2的熱力學和傳輸物理性質。
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非設計工況下超臨界二氧化碳燃氣輪機底循環的軸配置分析比較.pdf
展開 模擬的結果證明了TELEMAC-MASCARET具備構建靈敏且穩定模型進而對湖泊水動力、熱分層和熱力循環現象進行模擬預測。區別于傳統的方法，環境仿真技術可以獲得更加全面的湖泊熱力學信息。
近期培訓通知
TELEMAC水動力專題培訓
培訓時間
2021年9月15日-18日
報名截止時間：2021年9月15日
本次培訓名額有限，報名從速。
培訓地點
河海大學：南京市鼓樓區西康路 1 號嚴愷館 702
擬定培訓內容
1、TELEMAC-MASCARET 軟件理論知識
2、TELEMAC-MASCARET 軟件安裝編譯
3、TELEMAC-MASCARET 軟件的上機實踐和應用實例
1）TELEMAC 2D: 水動力模型
2）TOMAWAC: 波浪譜模型
3）ARTEMIS: 波浪解析模型
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展開 從熱力循環的角度，燃燒室基本決定了發動機的工作范圍，也就決定了壓氣機和渦輪的性能要求。
（航空發動機熱力循環——布雷頓循環。我保證，只有這一張看不懂的圖）
航空發動機是個大坑，這個大家都知道，但是航空發動機燃燒室就算一個很小眾的領域了。雖然屬于發動機三大核心部件之一，但前有壓氣機一堆復雜的流體力學理論和數值研究，飄逸的風扇造型，后有高大上的單晶/粉末冶金的渦輪，燃燒室夾在中間，顯得很弱小也不那么高調。
（GEnx發動機，燃燒室就像發動機的小蠻腰一樣）
另一方面，航空發動機（或燃氣輪機）燃燒室在國內的研究團隊也不多，除了幾大研究所之外，主要是北航、清華、中科院、西工大、南航等高校，真正有能力開展高溫高壓實驗的團隊屈指可數。當然并不是說燃燒室的研究多么的厲害，我反而覺得燃燒室研究（并非燃燒研究，后者屬于基礎科學）總的來說還處于比較傳統的階段。
這里首先給大家普及一個概念，現代航空發動機的燃燒室基本都采用環形燃燒室結構，就是圍繞發動機主軸一圈，大概由15~30個頭部組成，單個頭部就叫做單頭部燃燒室。所以這樣看起來，全環燃燒室也不算小，但相對于整個發動機的尺寸來說就太小了。一個單頭部的橫截面積不過半張A4紙，絕對算是小蠻腰了。
（全環燃燒室結構示意圖）
燃燒室的研發也是從單頭部燃燒室開始，逐漸過渡到全環乃至整機測試，一共分為9級技術成熟度。一般來說，限于實驗條件和經費，高校主要集中1~3級，研究所大概可以到6級，更高的就需要企業來完成。我所在的課題組也主要是做1~3級，隨著北航國家實驗室的建設，以后可能會擴展到4級（扇形燃燒室）。當然，如果從學術的角度，1級更接近研究物理本質的，也更容易發文章。
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制冷：利用蒸汽壓縮熱力學，循環使用壓縮、冷凝、膨脹和相變從熱源中吸取熱量。環境溫度遠高于電子設備所需的工作溫度時，這種方法尤為實用。數據中心，是利用制冷來為自由對流、強制對流及液冷系統的工作流體散熱的一個常見示例。
電阻加熱：大多數熱管理方法都是為了電子系統或組件散熱。但在某些應用中，設備在極冷環境下工作，工程師需要在其設計中納入電阻式加熱器，以將溫度提高到可接受的工作范圍。
根據圖2 所述熱力學循環,計算DAP-2H的酸堿性pKa。
環路熱管作為一種高效的熱管理技術，可以通過毛細結構和熱力循環過程實現高效的熱量傳遞。隨著設備性能的不斷提高和集成度的增加，高頻率、高功耗零部件的應用日益廣泛，導致大量熱量產生，影響設備性能和可靠性。傳統散熱技術難以滿足散熱需求，而環路熱管因其基于相變散熱原理，具有傳熱能力強、無需外部能量輸入等優點，在微電子和航空航天等領域應用廣泛。
如下圖所示，直接計算受體-配體之間的結合自由能是比較困難的，但是通過煉金術方法，可以將自由能的計算轉化在熱力學循環中。
（Chem. Sci., 2016, 7, 207–218）
而在具體的計算中，不需要將配體分子和受體分子之間的相互作用按照熱力學循環每一個步驟進行單獨計算，只需要慢慢的打開和關閉兩者之間的相互作用，通過轉換，就可以得到最后的自由能。
如：采用NPSS計劃的研究成果，完成了大量的應用，包括：PW6000高壓壓氣機一維歐拉可壓流分析模塊與零維整機縮放演示仿真；E3發動機進氣道壓力畸變三維非定常仿真和低壓系統三維穩態氣動仿真；AE3007A1發動機熱力循環分析/電子樣機建模/帶冷卻氣的高低壓渦輪耦合仿真；T58發動機壓氣機三維非定常仿真。
2003年，圖爾納等使用APNASA、NCC和NPSS熱力學循環建模系統，模擬了GE90發動機在定常條件下馬赫數（Ma）0.25和海平面起飛工況下的運行情況。其模擬范圍包括風扇、增壓器、高壓（HP）壓氣機、圓周角為24°的燃燒室、高壓渦輪和低壓渦輪。圖爾納等通過對三維計算流體力學（CFD）模擬的周向平均，再與循環分析相結合，得到部分整機特性曲線。
數字孿生體可以實時預測發動機總體性能，包括設計點熱力循環分析、非設計條件下的性能分析，如速度特性、高度特性以及節流特性，（在給定油門桿位置、飛行高度、大氣條件以及調節規律的情況下，推力和耗油率等參數隨飛行馬赫數的變化關系成為發動機速度特性；給定油門桿位置、飛行馬赫數、大氣條件以及調節規律的情況下，推力和耗油率等參數隨飛行高度的變化關系成為發動機高度特性；給定飛行馬赫數、飛行高度、大氣條件以及調節規律的情況下
常用的熱力循環包括布雷頓循環、跨臨界循環和（有機）朗肯循環等，而常見的儲熱技術，如顯熱儲熱、相變儲熱和熱化學儲熱均可用于相應的儲熱/冷裝置。
CAE 軟件是一套完整的渦輪機械設計套件，從熱力循環開始一直到詳細的 3D 設計，包括 3D CFD 和 FEA。該系統的 CFD 部分是來自 Cadence（以前稱為 NUMECA）的 Fine Turbo 產品，我們已經將其無縫集成到我們的整體設計系統中，并且正在集成到 Cadence FidelityTM 平臺中。
最終的結果是一個全新的更好地利用整個熱力循環并產生高達200% (見圖2)的天然氣能源效率的熱泵。在獨立審計中，我們的技術得分非常高(見圖3)。
顯然，創新是我們成功的關鍵。我們一直在使用計算流體動力學(CFD)工具-來至于MSC軟件的Cradle scFlow(見圖4)。它已經在我們的設計探索關鍵過程中，在最高效的鍋爐系統中優化熱通量(熱能的轉移)。
