跨臨界CO2引射制冷循環(huán)動態(tài)熱力平衡的運動穩(wěn)定性理論中文摘要

跨臨界二氧化碳引射制冷循環(huán)中，引射器引射系數(shù)和出口干度相互干涉，易使氣液分離器中氣相或液相工質(zhì)聚集而致系統(tǒng)失穩(wěn)。本課題針對這一涉及循環(huán)熱力平衡和穩(wěn)定性理論的非線性動態(tài)失穩(wěn)問題，從Lyapunov穩(wěn)定性理論出發(fā)，建立描述動態(tài)系統(tǒng)參數(shù)擾動、失穩(wěn)和破壞等穩(wěn)定性演化規(guī)律的穩(wěn)定模型，提出循環(huán)動態(tài)穩(wěn)定性的判別條件，發(fā)現(xiàn)影響熱力學(xué)循環(huán)運動穩(wěn)定性的控制因素，并對建立的系統(tǒng)中的子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能及相互作用原理進(jìn)行探討，獲得影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制參量，探究控制變量變化規(guī)律，用調(diào)整系統(tǒng)控制變量的方法來防治系統(tǒng)失穩(wěn)。課題還通過對系統(tǒng)構(gòu)建性能仿真數(shù)學(xué)模型和開展實驗研究，模擬、預(yù)測和驗證穩(wěn)定性控制律和鎮(zhèn)定下的系統(tǒng)熱力強化效果，研究有助于對引射循環(huán)新現(xiàn)象、新規(guī)律的進(jìn)一步認(rèn)知，同時將穩(wěn)定性理論嘗試應(yīng)用于復(fù)雜熱力學(xué)循環(huán)這一交叉領(lǐng)域具有重要的基礎(chǔ)科學(xué)研究意義，對拓展引射循環(huán)制冷系統(tǒng)的工程應(yīng)用也具有重要的理論指導(dǎo)價值。

在跨臨界CO2引射制冷循環(huán)中，由于引射器內(nèi)部跨音速、非平衡兩相流動，和耦合激波等復(fù)雜熱力學(xué)現(xiàn)象，使其動態(tài)失穩(wěn)機理相比一般熱力學(xué)過程更加復(fù)雜。本課題通過開展穩(wěn)定性理論、動態(tài)仿真和實驗研究，獲得引射系統(tǒng)失穩(wěn)的內(nèi)在演化機理，揭示系統(tǒng)動態(tài)控制規(guī)律和鎮(zhèn)定下的熱力強化方法。 本項目首先提出將失穩(wěn)歸為系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)間以及結(jié)構(gòu)和工況間不匹配導(dǎo)致的系統(tǒng)本征不穩(wěn)定和控制不穩(wěn)定兩個范疇，并提出了熱力系統(tǒng)本征穩(wěn)定性設(shè)計的方法論：通過構(gòu)建描述動態(tài)演化規(guī)律的熱力學(xué)模型，將高度非線性和滯后復(fù)雜性的模型線性化，分析系數(shù)矩陣特征值的分布來判定動態(tài)穩(wěn)定性，進(jìn)而探討循環(huán)失穩(wěn)規(guī)律和子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能相互作用的內(nèi)在機理，指導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定工況的設(shè)計。將穩(wěn)定性理論應(yīng)用于復(fù)雜熱力學(xué)系統(tǒng)設(shè)計是本項目研究的創(chuàng)新之處。 本項目控制研究不僅在于算法研究，還在于引射系統(tǒng)的鎮(zhèn)定機制、失穩(wěn)恢復(fù)和指導(dǎo)系統(tǒng)熱力強化功能上。所發(fā)展的基于狀態(tài)空間的線性動態(tài)模型獲得了小擾動下與仿真模型相近的動態(tài)響應(yīng)。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了多通道單輸入單輸出控制器及多目標(biāo)控制器，仿真結(jié)果表明兩種控制器都能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的快速穩(wěn)定。后續(xù)將深入研究寬工況下非線性控制算法及控制作用下的系統(tǒng)熱力強化。 項目開展了系統(tǒng)動態(tài)模擬研究工作?；谡鎸嵙黧w物性、壅塞流動、激波等引射器工作狀態(tài)建立了真實一維引射器模型。鑒于引射器各部分效率隨工況改變而變化，建立了引射器噴嘴、吸收室和混合段的動態(tài)效率關(guān)聯(lián)式。另外，項目還開展了引射器的CFD模擬研究，以期通過分析所獲得的流場信息，為一維引射器模型的改進(jìn)提供指導(dǎo)和驗證。目前已獲得了內(nèi)外擾動下的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，對比了不同控制參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的影響。后續(xù)工作中，有望通過動態(tài)特性分析開展系統(tǒng)熱力強化措施的模擬和驗證工作。 針對跨臨界CO2引射循環(huán)開展了實驗研究，搭建了引射系統(tǒng)實驗臺，設(shè)計加工了固定結(jié)構(gòu)和兩種可調(diào)結(jié)構(gòu)的引射器，得到了初步的試驗數(shù)據(jù)。后續(xù)將從熱力強化和系統(tǒng)穩(wěn)定性研究角度進(jìn)一步開展實驗工作。 2100433B

引射器通風(fēng)的原理是利用噴嘴噴出的高壓流體（高壓水或壓氣）在噴嘴射流的周圍造成負(fù)壓而吸入空氣，并在混合管口內(nèi)混合，將能量傳遞給被吸入的空氣，使之具有通風(fēng)壓力，達(dá)到通風(fēng)的目的。引射器通風(fēng)一般都采用壓入式。從能量消耗看，壓氣引射器不經(jīng)濟，水力引射器比較好。

采用引射器通風(fēng)的主要優(yōu)點是：無電氣設(shè)備，無噪聲，比較安全。若采用水力引射器通風(fēng)，還能起到降溫、降塵的作用。其缺點是：供風(fēng)量小，需要水源或壓氣。故引射器通風(fēng)適用于需要風(fēng)量不大的短距離掘進(jìn)通風(fēng)，一般用于有煤與瓦斯突出的煤巷掘進(jìn)中。

跨臨界CO2熱泵的并行復(fù)合循環(huán)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用,2019年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎

跨臨界CO₂熱泵的并行復(fù)合循環(huán)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用,2019年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎 ,

主要完成人：

曹　鋒 ，彭學(xué)院，水春雨，

賈曉晗，漆鵬程，王守國，

李　鋼，唐學(xué)平，殷　翔，

馮健美

跨臨界CO?熱泵是以天然工質(zhì)二氧化碳為介質(zhì)的高效節(jié)能減排裝置，因其天然環(huán)保，對于我國信守國際承諾、消減破壞臭氧層及強溫室效應(yīng)氣體具有重要意義。該項目提出了跨臨界CO?熱泵的并行復(fù)合循環(huán)新方法和新技術(shù)，研發(fā)了跨臨界并行復(fù)合CO?熱泵系列產(chǎn)品，并實現(xiàn)了推廣應(yīng)用。被國家發(fā)改委納入《國家重點節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》、“最佳節(jié)能技術(shù)和最佳節(jié)能實踐”項目；被聯(lián)合國環(huán)境署授予“臭氧層保護(hù)榮譽證書”，取得了顯著的節(jié)能減排社會效益和經(jīng)濟效益。2100433B