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应用于散热领域的吸热反应化学热沉研究

应用于散热领域的吸热反应化学热沉研究

作者：赵恒华南理工大学

学位级别：硕士

随着微电子、激光技术、航天技术等高科技领域突飞猛进的发展,在高温或超高热流密度环境下工作的场合越来越多,冷却技术也始终伴随着它们的进步而发展,并为它们提供基础的保障。但由于冷却工质的温升显热和汽化潜热大小的限制、对空间... 详细信息

随着微电子、激光技术、航天技术等高科技领域突飞猛进的发展,在高温或超高热流密度环境下工作的场合越来越多,冷却技术也始终伴随着它们的进步而发展,并为它们提供基础的保障。但由于冷却工质的温升显热和汽化潜热大小的限制、对空间条件要求严苛,传统的物理冷却手段逐渐不能满足这些领域的超高热流密度移除要求,使得研究新的冷却概念和冷却技术成为一大热点。新颖的高效冷却技术研究,已成为解决如今高温高热流密度的场合散热问题的支撑技术之一。正是基于这样的背景,并为了推动化学热沉用于超高热流密度快速散热的发展和研究,满足各个领域对高效冷却技术的需求,本文继续研究化学/相变复合吸热的新冷却工艺,该冷却概念因应用时的温度范围不同,冷却工质的选择是多样性的,针对选取的活性炭-二氧化碳水合物混合冷却工质开展研究。在一定温度、压力条件下,利用间歇合成法制备二氧化碳水合物。通过TG-DSC热重实验获得高纯度活性炭与二氧化碳气体反应的反应特征和吸热焓值,验证了该反应具有超强的吸热能力。并且利用Gambit、Fluent等仿真软件对三维模型下高温热基板的碳-二氧化碳气体化学热沉用于高温热基板散热进行了模拟计算,分析其温度场分布、一氧化碳质量分数分布等模拟结果,其结论表明热源温度最高,达到1220K左右,热源上表面温度为850K,接近反应触发的起始温度。同时对高温热基板的碳-二氧化碳气体化学热沉散热构建了二维模型并进行了模拟,同样获得了其温度场分布、一氧化碳质量分数分布等模拟结果,结果表明当CO2气体入口速度为0.05m/s,碳粉喷入速度为0.05m/s时,相对于无反应发生的情况,有反应发生时热源温度会低500K,且上表面温度仅为910.5K。最终改变模拟过程中入口速度和热源热流密度大小设置,对比分析了碳-二氧化碳气体化学热沉用于散热的不同模拟结果,总结了入口速度和热流密度大小等条件对高温热基板散热效果的影响规律。

关键词：碳二氧化碳气体温度化学热沉散热

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氧化铁和活性炭吸热化学反应的热沉研究

氧化铁和活性炭吸热化学反应的热沉研究

作者：马平华南理工大学

学位级别：硕士

随着微电子、激光技术、航天技术等高科技领域突飞猛进的发展,在高温或超高热流密度环境下工作的场合越来越多,冷却技术也始终伴随着它们的进步而发展,并为它们提供基础的保障。但由于冷却工质的温升显热和汽化潜热大小的限制,传统的物... 详细信息

随着微电子、激光技术、航天技术等高科技领域突飞猛进的发展,在高温或超高热流密度环境下工作的场合越来越多,冷却技术也始终伴随着它们的进步而发展,并为它们提供基础的保障。但由于冷却工质的温升显热和汽化潜热大小的限制,传统的物理冷却手段逐渐不能满足这些领域的超高热流密度移除要求。使用新颖高效的化学热沉冷却技术解决如今高温高热流密度的场合散热问题正逐渐被关注,在研究化学热沉冷却的技术背景下,为了推动化学热沉用于超高热流密度快速散热的发展和研究,满足各个领域对高效冷却技术的需求,本文研究化学反应热沉吸热的新冷却工艺,针对选取氧化铁和活性炭混合冷却工质开展研究,通过热分析实验和计算机模拟的手段验证氧化铁和活性炭混合工质化学热沉的降温效果。根据TG-DSC热重实验获得活性炭和氧化铁反应的反应特征和吸热焓值,得到了Fe2O3被活性炭还原成为Fe3O4、FeO和Fe的温度段分别为40000℃、60050℃、750℃以上,反应整体的吸热焓值能达到5203.4J/g即926KJ/mol,同时计算了氧化铁和活性炭三个阶段反应的动力学模型函数f(α)=1/(1-α)-1,三个阶段动力学方程的指前因子A和活化能Ea的动力学补偿关系式分别为lnA=0.087Ea+22.63、lnA=0.041Ea+37.51和lnA=0.095Ea+20.39。根据Fluent仿真软件对三维模型下高温热基板的氧化铁和活性炭化学热沉用于散热进行了模拟计算,分析其温度场分布,其结论表明化学热沉将热源温度最高会从1240K降低至704K左右。同时设置不同的混合工质入口流速和热基板热流密度分析温度场分布,结果表明随着入口流速增加热基板温度呈先减小后稳定的趋势,随着热基板热流密度的增加温度呈线性增大趋势。当入口流速超过15m/s后,氧化铁和活性炭吸热化学热沉对热基板的降温效果影响不大,维持在700K左右。根据实验和模拟相结合的手段对氧化铁和活性炭混合工质的化学热沉进行分析表明当该混合工质应用于高温高热流密度场合时能起到很好的降温效果。

关键词：活性炭氧化铁化学热沉散热动力学分析

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化学推进剂裂解热沉的测定新方法及其应用

化学推进剂裂解热沉的测定新方法及其应用

中国化学会第五届全国化学推进剂学术会议

作者：朱权王建礼李象远四川大学

化学推进剂裂解热沉的准确测定能够为化学推进剂的配方设计和发动机的工程设计提供重要的基础参数。化学推进剂的裂解热沉主要包含物理热沉和化学热沉两个方面:对于化学热沉,本研究利用热力学状态函数方法的基本原理,根据状态函数的性... 详细信息

化学推进剂裂解热沉的准确测定能够为化学推进剂的配方设计和发动机的工程设计提供重要的基础参数。化学推进剂的裂解热沉主要包含物理热沉和化学热沉两个方面:对于化学热沉,本研究利用热力学状态函数方法的基本原理,根据状态函数的性质和盖斯定理,引入燃烧热测定的标准手段,实现化学推进剂化学热沉的准确测定;在物理热沉测定方面,我们利用系统单纯放热时热交换相对容易测定的特点,实现物理热沉的水浴法在线测定,准确得到化学推进剂冷却过程所释放的显热和相变潜热,同时在线测定裂解气相产物的化学组成。本文选取某航空煤油A-01作为研究对象,测定了超临界条件下,该推进剂在不同温度时催化裂解产生的化学热沉和物理热沉。并在此基础上,构建了一套具有可迁移性的推进剂裂解热沉的标准测定和计算方法。

关键词：化学推进剂物理热沉化学热沉燃烧热

来源： cnki会议评论

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超临界碳氢燃料蒸汽重整一维模型研究

推进技术 2022年第9期43卷 226-235页

作者：吴坤冯宇刘玉娜秦江黄洪雁哈尔滨工业大学能源科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院广东深圳518055

为了获得关键参数对超临界碳氢燃料蒸汽重整化学热沉分布特性的影响,建立了超临界碳氢燃料蒸汽重整非稳态一维计算模型,通过与实验数据的对比验证了模型的准确性,并基于该模型采用RP-3的四组分替代模型对RP-3蒸汽重整过程中入口流速、... 详细信息

为了获得关键参数对超临界碳氢燃料蒸汽重整化学热沉分布特性的影响,建立了超临界碳氢燃料蒸汽重整非稳态一维计算模型,通过与实验数据的对比验证了模型的准确性,并基于该模型采用RP-3的四组分替代模型对RP-3蒸汽重整过程中入口流速、压力和含水量等关键参数对热沉沿流向分布特性的影响进行了研究。结果表明:随着入口流速的增加,蒸汽重整反应化学热沉的峰值减小,且出现峰值的位置逐渐向出口移动。随着压力的升高,相同位置处的化学热沉都减少,但是出现峰值的位置不变。在入口含水量由5%增大到12%的过程中,微通道同一位置处的化学热沉增大,且化学热沉的最大值也是增大的,峰值出现的位置向微通道出口移动。

关键词：超临界碳氢燃料蒸汽重整数值模拟一维模型化学热沉

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碳氢燃料热裂解机理及化学动力学模拟

化学学报 2010年第3期68卷 239-245页

作者：李军邵菊香刘存喜饶含兵李泽荣李象远四川大学化工学院成都610065 四川大学化学学院成都610065

发动机设计中,燃烧室的热管理问题日益突出.其根源必然涉及到碳氢燃料的化学机理模型.讨论了大分子烃类燃料热裂解反应的反应类型,分析了各反应类型的详细动力学以及对热裂解反应的灵敏度、重要性.根据热裂解反应类型有限和基于物质的... 详细信息

发动机设计中,燃烧室的热管理问题日益突出.其根源必然涉及到碳氢燃料的化学机理模型.讨论了大分子烃类燃料热裂解反应的反应类型,分析了各反应类型的详细动力学以及对热裂解反应的灵敏度、重要性.根据热裂解反应类型有限和基于物质的一维表示,开发了大分子烃类反应机理的自动生成程序ReaxGen.建立了相应的热、动力学数据库,探讨了如何建立碳氢燃料的详细热裂解化学动力学模型.最后我们建立了正庚烷热裂解反应的详细机理,并用该机理模型模拟预测了产物分布和转化率,理论上计算了热沉值.所得结果与文献结果进行对比讨论.

关键词：热裂解详细机理化学热沉吸热碳氢燃料

气膜冷却在超燃冲压发动机上的应用及影响因素研究

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气膜冷却在超燃冲压发动机上的应用及影响因素研究

作者：郑宽哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

超燃冲压发动机被认为是最理想的高超声速飞行器的推进装置,然而由于飞行的马赫数较高,热环境恶劣,为了保证发动机长时间可靠工作,需要一种高效的主动冷却方式。本文针对碳氢燃料的超燃冲压发动机提出了一种再生/气膜复合的冷却方案,以... 详细信息

超燃冲压发动机被认为是最理想的高超声速飞行器的推进装置,然而由于飞行的马赫数较高,热环境恶劣,为了保证发动机长时间可靠工作,需要一种高效的主动冷却方式。本文针对碳氢燃料的超燃冲压发动机提出了一种再生/气膜复合的冷却方案,以解决更高马赫数下单一再生冷却燃料热沉不足的问题,并对超声速主流中的气膜冷却展开了系统的研究。本文首先建立了气膜冷却的数值模拟方法,并利用试验数据对其进行了验证。之后对再生/气膜复合冷却的冷却效果进行了评估,对比分析了复合冷却与再生冷却的冷却效果,表明气膜冷却的引入明显提高了冷却效果。因此需要对气膜冷却展开深入的研究。通过数值模拟对无激波情况下的超声速主流中的气膜冷却展开了一系列的研究。利用量纲分析的方式对超声速主流中的气膜冷却的影响因素进行了归纳总结,然后分析了冷却流湍流度,主流边界层厚度,主流压力梯度及冷却流入射角度对气膜冷却的影响。结果表明湍流度的增加降低了气膜冷却效率,主流边界层厚度的影响则比较复杂,主流扩张则能提高冷却效率,冷却流入射角度的影响在较高吹风比下比较明显。通过数值模拟分析了斜激波与激波串对气膜冷却的影响,讨论了斜激波强度,位置,及激波与扩张段和吹风比的共同的影响。结果表明不同气膜冷却区域抗激波影响能力不同,激波强度的增加会降低气膜冷却效率,扩张段角度的提高和吹风比的增加会提高气膜冷却效果。最后对带有化学热沉的油气膜冷却进行了数值和试验研究,对比分析了化学热沉对气膜冷却效果的影响,讨论了吹风比对带有化学热沉的油气膜冷却效果的影响。结果表明裂解反应一方面会吸收热量,提高气膜冷却效率,另一方面由于体积膨胀也会干扰流动提高湍流度,促进主流与冷却流的掺混,降低气膜冷却效率,因此化学热沉并没有使的气膜冷却效率一直提高。吹风比的增加增强了裂解反应对流动的干扰,导致冷却效率降低的区域增大。

关键词：超燃冲压发动机气膜冷却复合冷却激波化学热沉

应用于高热流密度散热的吸热反应数值模拟与实验研究

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应用于高热流密度散热的吸热反应数值模拟与实验研究

作者：贺高明华南理工大学

学位级别：硕士

现代高新技术的发展，存在着许多高热流密度，甚至超高热流密度的场合，因此，高热流密度的散热问题显得越来越重要。目前较为成熟的强化冷却方式，包括强迫风冷、强迫液冷、水池沸腾、喷雾冷却、微槽道冷却以及微射流阵列冷却等，均属... 详细信息

现代高新技术的发展，存在着许多高热流密度，甚至超高热流密度的场合，因此，高热流密度的散热问题显得越来越重要。目前较为成熟的强化冷却方式，包括强迫风冷、强迫液冷、水池沸腾、喷雾冷却、微槽道冷却以及微射流阵列冷却等，均属于基于工质物理相变的物理热沉冷却方法，受到工质汽化潜热能力的限制，已经无法满足超高热流密度，比如超高温反应釜、超高温燃气轮机发动机、超高马赫数推进器、大功率激光泵等极端物理条件的散热需要。因此，从20世纪60年代开始，美国开展了以化学热沉作为散热方式的研究，许多研究着眼于将化学吸热反应应用于冷却的方法，例如，成功地将乙醇脱水制乙烯的吸热反应应用于列管式换热器，带走热量，避免结焦;将甲烷的吸热重组反应应用于燃气轮机叶片的内部冷却等等。伴随着大马赫数飞行器的研究，化学热沉方式更具有普通换热不可替代的地位，但是目前化学热沉的研究都着眼于复合链分解吸热的长链碳氢燃料，应用于其他场合具有较大的局限性。对化学吸热反应的研究起步较晚，研究领域较窄，对于超高热流密度快速散热的理论研究没有深入，热量传递时间控制问题更是很少涉及，更需要从传热角度进行理论探索和研究。针对以上问题，本文提出化学/相变复合传热新思路，采用活性碳-二氧化碳水合物作为冷却介质，利用化学热沉快速移除热量。该过程中，有三个步骤会吸收系统中的热量：二氧化碳水合物汽化分解吸收热量;混合物相变以及升温至反应温度吸收热量;碳与二氧化碳及水发生吸热反应吸收热量。其中，吸热反应吸收的热量占吸收总热量的主要部分。理论计算得知，单位摩尔水合物通过该过程吸收的热量是等量的水汽化潜热的10倍，另外，反应产物一氧化碳和氢气可以作为高热值燃料再次循环使用，相当于将能量从一种工质转移到另一种工质，为能量循环使用提供了必要的条件，同时，由于反应时间的可控性，从根本上解决了瞬间热移除的问题。本文采用理论计算、数值模拟与实验验证三者结合的方法，重点研究了C-CO2化学吸热反应。理论计算结果表明，C-CO2化学吸热反应的散热能力远大于水相变的散热能力，同时，反应非常迅速，当达到一定温度时（1400K左右），反应时间可以达到百分之一秒数量级。模拟计算了在高热流密度条件下，运用C-CO2化学吸热反应进行散热的结果，与理论计算的结果相符，说明了数值模拟的有效性。高温热基板喷射冷却数值模拟结果表明：CO2进气速度一定时，热基板表面温度随着碳粉喷射速度的增加而降低;碳粉喷射速度一定时，热基板表面温度随着CO2进气速度的减小而降低。通过自行设计的喷射冷却实验平台，探究将碳与二氧化碳吸热反应应用于实际散热的初步可行性。实验结果表明：在高温下，利用该吸热反应，可以达到降温的效果。

关键词：高热流密度复合传热化学热沉二氧化碳水合物活性碳

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超临界压力下航空煤油热裂解特性研究

超临界压力下航空煤油热裂解特性研究

第一届高超声速科技学术会议

作者：仲峰泉范学军王晶中国科学院力学研究所高温气体动力学重点实验室LHD

本文介绍了大庆3号煤油在超临界条件下热裂解特性的实验研究。通过改进的煤油二级加热系统以及裂解产物收集和分析系统,研究了煤油在温度700-1100K,压力3.5-4.5MPa,以及驻留时间0.6/1/2.5s时的热裂解吸热特性。同时实验测量了裂解产物... 详细信息

本文介绍了大庆3号煤油在超临界条件下热裂解特性的实验研究。通过改进的煤油二级加热系统以及裂解产物收集和分析系统,研究了煤油在温度700-1100K,压力3.5-4.5MPa,以及驻留时间0.6/1/2.5s时的热裂解吸热特性。同时实验测量了裂解产物的成分以及裂解混合物的流量随温度、压力、驻留时间的变化。研究发现:裂解特性,如裂解度、化学热沉、裂解产物成分均随裂解温度、驻留时间显著变化,而受压力的影响不大。当裂解度大约45%时,裂解反应的化学热沉达到最大值,该值随着驻留时间的增大而减小。气相产物的成分分析结果表明随着裂解温度的升高和驻留时间的增大,产物中饱和烃的比重增加,因此反应的吸热能力明显减小。在目前的裂解条件下,可获得的最大化学热沉为0.5MJ/kg,小于美国JP-7燃料的最大热沉0.7MJ/kg(裂解度60%)。

关键词：航空煤油热裂解超临界化学热沉驻留时间

来源： cnki会议评论

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吸热燃料研究进展

吸热燃料研究进展