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本期目录
2023年 第74卷 第S1期 刊出日期:2023-06-05
    综述与专论
    冷链装备制冷剂相关温室气体减排研究进展
    高润淼, 宋孟杰, 高恩元, 张龙, 张旋, 邵苛苛, 甄泽康, 江正勇
    化工学报. 2023, 74(S1):  1-7.  doi:10.11949/0438-1157.20221644
    摘要 ( 221 )   HTML ( 21 )   PDF (1002KB) ( 145 )  
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    为推进冷链装备的可持续发展与节能减排,针对冷链中的加工装备、运输装备、销售装备和冷冻冷藏装备等,结合制冷剂的充注量、泄漏率与回收率,对所用制冷剂的发展历程进行了综述,分析并总结了制冷剂替换方案对相关温室气体减排的影响。结果表明,自然制冷剂、HCs和HFOs在冷链装备中应用前景广阔,三类制冷剂替代方案的实施可分别取得5%、20%和10%左右的节能减排效果。在制冷剂充注、泄漏和回收等方面,既有研究还存在机理不明晰、效果待验证等多处研究空白,研发高效环保制冷剂并完善冷链装备制冷剂回收体系已成为目前重点研究方向。

    机械蒸汽压缩蒸发技术研究现状与发展趋势
    张化福, 童莉葛, 张振涛, 杨俊玲, 王立, 张俊浩
    化工学报. 2023, 74(S1):  8-24.  doi:10.11949/0438-1157.20230077
    摘要 ( 227 )   HTML ( 7 )   PDF (1025KB) ( 222 )  
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    针对机械蒸汽压缩(MVC)蒸发系统的研究存在以下三个问题:(1)针对工作原理,没有提出更为深入的热力过程描述;(2)针对流程型式,没有建立更为全面的分类体系与方法;(3)针对应用案例,没有归纳更为系统性的设计和运行规律。基于此,重点介绍了MVC蒸发系统的原理与系统组成、分类与流程型式、应用与工程案例,综述了MVC技术的研究现状、存在问题与未来发展趋势。

    相变材料与热管耦合的电子器件热管理研究进展
    吴延鹏, 刘乾隆, 田东民, 陈凤君
    化工学报. 2023, 74(S1):  25-31.  doi:10.11949/0438-1157.20230069
    摘要 ( 219 )   HTML ( 15 )   PDF (622KB) ( 277 )  
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    电子器件的小型化带来了高热通量和温度分布不均的问题,热管与相变材料(PCM)耦合将热管的高热导率与PCM的高潜热结合,更好地控制热管蒸发段温度,保证电子器件内部温度场稳定均匀,有效提高电子器件的散热能力,降低冷却系统的能耗。综述了热管与PCM耦合的电子器件热管理的研究进展,介绍了热管与PCM的耦合方式以及强化PCM与热管耦合传热的方法,提出了该耦合模块存在的问题以及可能的解决途径。

    化工园区工业气体泄漏气云红外成像检测技术与国产化装备进展
    金伟其, 吴月荣, 王霞, 李力, 裘溯, 袁盼, 王铭赫
    化工学报. 2023, 74(S1):  32-44.  doi:10.11949/0438-1157.20230835
    摘要 ( 240 )   HTML ( 4 )   PDF (9377KB) ( 562 )  
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    化工园区工业气体泄漏防范预警是当前生产过程的重要环节,关系到安全、双碳达标、环境保护问题。本文在介绍工业气体泄漏常规单点检测、激光检测、红外成像检测等先进技术的基本原理和典型产品的基础上,分析了适合现场泄漏气云红外成像检测技术及其国产化装备特点,对实验室理论和关键技术突破后进一步实现工程化应用需要解决的关键技术进行了分析,对促进国内化工园区气体泄漏防范技术发展和装备推广具有意义。

    热力学
    水蒸气准饱和压缩高温热泵循环性能分析
    吴迪, 胡斌, 王如竹, 梁俊宇
    化工学报. 2023, 74(S1):  45-52.  doi:10.11949/0438-1157.20221619
    摘要 ( 126 )   HTML ( 6 )   PDF (942KB) ( 219 )  
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    水蒸气高温热泵将自然工质水的环保性和热泵的节能性相结合,充分地发挥了水工质在高温热泵领域的性能优势,喷水降温更是有效地保证了机组的长期安全稳定与高效运行。分析了在热泵系统中构建逆卡诺循环的可能性,以及面临的主要问题,从理论上证实了在水蒸气压缩的过程中往工作腔内连续喷入低焓值的水工质来实现水蒸气的准饱和压缩,不仅能够有效地降低压缩终了的排气过热度,还有利于提高系统整体性能。针对吸气过热度和喷液冷却次数对系统性能的影响进行了理论分析,得出吸气过热度的存在不利于系统性能的提升,而喷液次数的增加则对于系统性能有利,但当喷液次数超过5次以后,系统性能的提升就十分缓慢了。当吸气过热度为20℃时,和无吸气过热度相比,COP降低了1.45%~1.54%;当喷水次数达到30次,和1次喷水相比,COP提升了3.10%~3.73%。

    氨水溶液交叉型再吸收式热泵的能量及分析
    金正浩, 封立杰, 李舒宏
    化工学报. 2023, 74(S1):  53-63.  doi:10.11949/0438-1157.20221586
    摘要 ( 105 )   HTML ( 7 )   PDF (2608KB) ( 95 )  
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    氨水吸收-再吸收式热泵(ARHP)是一种特殊的吸收式热泵(AHP),可以在维持供热温度的同时降低工作压力和驱动热源温度,但性能系数较低。提出了一种氨水溶液交叉型吸收-再吸收式热泵,通过合理分配不同浓度的溶液提高系统的性能系数。借助MATLAB建立系统热力学模型并进行能量分析和分析,结果表明,该系统的COP可达1.564,比传统系统高8.1%,且系统损失主要来源于发生器和再吸收器。进一步分析了发生温度、吸收温度、解析温度对系统效率的影响,发现新系统比旧系统的效率提升最多可达6.9%。该系统的提出为吸收-再吸收系统的优化提供重要参考。

    非共沸工质辅助过冷CO2冷热联供系统的热力学性能分析
    代宝民, 王启龙, 刘圣春, 张佳宁, 李鑫海, 宗凡迪
    化工学报. 2023, 74(S1):  64-73.  doi:10.11949/0438-1157.20221670
    摘要 ( 108 )   HTML ( 3 )   PDF (2888KB) ( 66 )  
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    为满足食品加工领域对高温消毒和冷冻的双重需求,提出了基于非共沸工质辅助过冷的跨临界CO2冷热联供系统,辅助循环采用低GWP非共沸工质,充分利用冷凝热及气体冷却器放热生产高温热水,并同时进行食品冷冻。以COP为目标函数,对混合工质的组元、组分进行分析,对系统的排气压力和过冷度的影响进行优化。结果表明系统存在最优排气压力和最优过冷度,大温度滑移工质相对小温度滑移工质和纯工质能够显著提升系统性能,降低排气压力。采用R32/R1234ze(Z)(0.4/0.6) 时COP最高为3.45,相对纯工质R32和R1234ze(Z) 分别提高4.77%和5.15%,排气压力降低0.958 MPa和0.910 MPa。CO2循环对系统整体起主导作用。采用非共沸工质可提高系统效率。可为推广CO2制冷热泵技术的应用提供理论参考。

    流体力学与传递现象
    表面微结构对析晶沉积特性影响的格子Boltzmann模拟
    程成, 段钟弟, 孙浩然, 胡海涛, 薛鸿祥
    化工学报. 2023, 74(S1):  74-86.  doi:10.11949/0438-1157.20221605
    摘要 ( 77 )   HTML ( 2 )   PDF (2903KB) ( 212 )  
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    析晶污垢是一种普遍存在于换热设备中的有害结晶,损耗设备的换热性能。在换热表面设置粗糙微结构对流动和换热影响显著,也使得表面的析晶污垢沉积机理变得十分复杂。基于析晶沉积动力学理论,建立了有限差分-格子动力学耦合模型,对碳酸钙在微细通道换热表面的沉积特性进行分析,并讨论表面微结构单元的分布间距和高度对结垢行为的影响。结果表明,建立的有限差分-格子动力学耦合模型能够有效模拟微结构背风面的局部涡流和换热表面的结垢过程;微结构分布间距的缩减和高度的增加均会明显使高壁温区域的析晶沉积过程由表面反应主导转变为传质扩散主导;与光滑换热表面的析晶沉积工况对比,微结构的设置及高度增加使换热表面污垢沉积量增多,相邻微结构间的涡也随沉积时间逐渐变小。

    浸没孔液氧气泡动力学数值研究
    肖明堃, 杨光, 黄永华, 吴静怡
    化工学报. 2023, 74(S1):  87-95.  doi:10.11949/0438-1157.20221610
    摘要 ( 76 )   HTML ( 1 )   PDF (1150KB) ( 160 )  
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    液氧是深空探测常用大比冲低温推进剂的重要组成部分,针对液氧气泡动力学的研究非常必要。基于开源CFD软件OpenFOAM,采用CLSVoF法对不同重力水平下从浸没孔生长的液氧气泡进行数值研究。结果表明,重力水平越低,相同无量纲时刻的气泡体积越大,气泡越接近球形。气泡重心在轴向的变化会经历“快-慢-快”三个阶段,但是在高重力水平下第一个阶段不明显。壁面接触角在低重力水平下的变化比高重力水平下更加明显。气泡脱离参数与重力水平呈现明显的次幂定律变化规律。

    二氧化碳直接蒸发冰场排管内流动沸腾换热数值模拟分析
    宋瑞涛, 王派, 王云鹏, 李敏霞, 党超镔, 陈振国, 童欢, 周佳琦
    化工学报. 2023, 74(S1):  96-103.  doi:10.11949/0438-1157.20221580
    摘要 ( 74 )   HTML ( 3 )   PDF (1260KB) ( 79 )  
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    为探究二氧化碳直接蒸发室内冰场的传热特性,对二氧化碳在内径为11.00 mm以及13.47 mm的水平光滑管进行计算流体力学模拟分析。分析了质量流速、热通量、管径以及干度等因素对二氧化碳在水平光滑管中的流动沸腾换热特性的影响。计算结果表明:在CO2室内冰场工况下,质量流速、热通量等参数的提升能够增强换热性能。对已有的换热关联式进行修正,使其能够适用于大管径工况,并将新关联式计算出的结果与文献中的实验数据进行对比,结果显示新的换热关联式关联性较好。分析了大管径工况下制冷剂含油对传热系数的影响因子。对于二氧化碳直接蒸发室内冰场的优化设计具有参考价值。

    超声波激励下铝板表面液滴群输运特性的研究
    吴馨, 龚建英, 靳龙, 王宇涛, 黄睿宁
    化工学报. 2023, 74(S1):  104-112.  doi:10.11949/0438-1157.20221593
    摘要 ( 85 )   HTML ( 2 )   PDF (2075KB) ( 86 )  
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    实验研究了超声波激励下水平铝板表面液滴群的输运特性,探究了超声功率、初始液滴体积和疏水性对液滴群运动过程的影响。结果表明,液滴群运动聚结及蒸发时间均与超声功率呈负相关,而与初始液滴体积及表面接触角呈正相关。随着超声功率的增大,液滴群粒径分布更均匀,最小运动聚结时间为12 s,同时蒸发时间最多可缩短46 s。随着初始液滴体积的增大,液滴群粒径分布均匀性减弱但聚结现象增强。疏水表面不仅能优化液滴群粒径分布,还能增强运动聚结过程。与裸铝表面相比,疏水表面上液滴群运动聚结时间增加17 s左右,蒸发时间可延长62 s。研究证实超声波具有抑制结霜的可行性。

    短管节流阀内流动噪声的实验研究及降噪措施
    周绍华, 詹飞龙, 丁国良, 张浩, 邵艳坡, 刘艳涛, 郜哲明
    化工学报. 2023, 74(S1):  113-121.  doi:10.11949/0438-1157.20221529
    摘要 ( 122 )   HTML ( 1 )   PDF (1581KB) ( 65 )  
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    短管节流阀作为节流机构,因其结构简单而广泛应用于家用空调器中,当两相状态的制冷剂流经短管节流阀时会产生严重的噪声。设计并搭建了短管节流阀流动噪声测试台,实验研究了制冷剂流型、流量和干度对短管节流阀内流动噪声频率和声压级的影响规律,并在此基础上提出了降噪措施。实验结果表明,阀进口流型为搅浑流时产生的流动噪声声压级最大,阀进口流型为泡状流型和环状流型时产生的流动噪声较小;流动噪声的峰值频率随质量流量的增大而增大,质量流量由20 kg/h增大到80 kg/h时,流动噪声的峰值频率增大38.6%;干度由0.05增大到0.4时,流动噪声的平均声压级先增大7 dB,后减小3 dB。提出了将阀芯入口处的突扩突缩结构改为喇叭口渐缩结构的方式来实现降噪的结构优化方案,优化后的结构方案可将流动噪声的平均声压级降低2 dB。

    表面润湿性对霜层传递特性影响可视化实验研究
    苏伟, 马东旭, 金旭, 刘忠彦, 张小松
    化工学报. 2023, 74(S1):  122-131.  doi:10.11949/0438-1157.20221567
    摘要 ( 86 )   HTML ( 4 )   PDF (2074KB) ( 173 )  
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    霜层传递是表面冷凝结霜初期一个关键环节,在整个表面结霜过程中至关重要。为研究冷凝结霜过程中表面润湿性能与霜晶传播过程、速度的关系,搭建了微观可视化结霜实验测试平台,根据实验所需制备了三种不同润湿性能的高反射率表面。表面霜层传递过程大致分为两个阶段,即液滴内霜晶传播和液滴间冰桥传播。实验发现影响冰桥传播速度的主要原因是冰桥与液滴的间距L。当冰桥与液滴间距由16 μm减小为2 μm时,冰桥传播速度从2 μm/s快速地升至12 μm/s。测试了不同润湿性能表面上冷凝结霜过程和霜层的整体传递速度,研究发现,超疏水表面凝结液滴的分布特征和冰桥传播系数的明显差异是导致超疏水表面结霜过程中霜层传递缓慢的主要原因。揭示了影响霜层传递以及抑制结霜的关键因素,即超疏水表面液滴尺寸分布特性,为抑霜表面的设计和优化提供了思路和基础。

    用于太阳能蒸发的折纸式蒸发器性能仿真
    叶展羽, 山訸, 徐震原
    化工学报. 2023, 74(S1):  132-140.  doi:10.11949/0438-1157.20221538
    摘要 ( 100 )   HTML ( 9 )   PDF (1411KB) ( 404 )  
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    太阳能驱动水蒸发技术是一种零碳、可持续从海水与污水中获取清洁水的方法,逐渐成为缓解全球水资源危机的有效途径之一。目前用于太阳能水蒸发过程的蒸发器多采用一维界面蒸发结构,其最大蒸发速率受限于太阳能利用的热力学极限,而三维结构界面蒸发器可借助于光的多次折射和捕捉与环境能量的利用,实现太阳能蒸发速率和能量利用效率的提高。为了探究折纸阵列型三维蒸发器的性能与优势,采用COMSOL有限元仿真方法对高宽比3∶2折纸蒸发器模型进行研究。通过对温度场、速度场以及蒸汽浓度场的传热传质分析,对比讨论了该结构相比平面蒸发结构的优势及其原因,并探究了环境风速、环境相对湿度及太阳入射角等多种因素对蒸发器性能的影响。结果表明,单阵列折纸型三维蒸发器相比于平面蒸发器纯蒸发速率平均提高1.20倍,达到1.53 kg·m-2·h-1,同时可将动态太阳能捕捉性能提升32.07%。环境风速与低相对湿度环境将对蒸发速率产生增益,在低相对湿度20%与环境风速1.0 m·s-1下可达3.07 kg·m-2·h-1的理论蒸发速率。所设计的结构及仿真结果为后续三维蒸发器及其高效蒸发提供了设计思路。

    液滴撞击不同曲率过冷波纹面结冰动力学行为及机理研究
    周晓庆, 李春煜, 杨光, 蔡爱峰, 吴静怡
    化工学报. 2023, 74(S1):  141-153.  doi:10.11949/0438-1157.20221591
    摘要 ( 104 )   HTML ( 1 )   PDF (3815KB) ( 156 )  
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    耦合CLSVOF和焓-多孔介质方法参数化分析了可变Weber数和壁面过冷度对单液滴撞击不同曲率过冷光滑曲面波纹基底的结冰行为。聚焦于液滴粒径固定时,不同曲率单列波纹板和复列波纹板引起的液滴收缩、振荡和破碎的动力学行为差异的作用机理,探究表面过冷度和液滴初速度对结冰相界面推移速率的影响规律。模拟结果表明,液滴撞击结冰动力学是流场紊乱特性和换热边界时变特征耦合作用的结果。高Weber数撞击导致液滴铺展前缘的Rayleigh-Taylor不稳定波加速液滴结冰,后期液滴破碎引起的界面能转化使结冰速率降低。过冷度的增加可阻碍液膜断裂和减少液滴的周向毛细爬升面积。研究结果对微观液滴毛细结冰动力学和防结冰工程化应用提供理论参考。

    UVLED光学元件液冷散热系统性能研究
    蒋祎璠, 刘蕾, 赵耀, 代彦军
    化工学报. 2023, 74(S1):  154-160.  doi:10.11949/0438-1157.20221634
    摘要 ( 83 )   HTML ( 0 )   PDF (1843KB) ( 73 )  
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    随着光源技术的发展,UVLED光学元件被广泛应用于各个领域,保证UVLED光学元件的温度在安全范围内至关重要。对应用于UVLED的液冷散热系统进行实验与仿真研究,设计了六边型、直流型、U型、蛇型,四种不同流道的液冷板。在热通量为2.2 W/cm2的情况下,实验测试液冷板的换热面温度,并通过数值仿真研究其传热及流动性能。结果表明:实验与仿真结果的相对误差为3%,其中液冷工质为导热油时,六边型流道液冷板的温度分布最均匀且温控效果最好,流量为2.5 L/min时,最高温度为49.7℃,直流型流道板面温差最大但压降最低仅为5.34 kPa。

    水平方向上冰中受陷气泡形成和分布实验研究
    邵苛苛, 宋孟杰, 江正勇, 张旋, 张龙, 高润淼, 甄泽康
    化工学报. 2023, 74(S1):  161-164.  doi:10.11949/0438-1157.20221643
    摘要 ( 104 )   HTML ( 7 )   PDF (606KB) ( 223 )  
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    为研究水冻结成冰过程中出现的受陷气泡形成和分布特性,在水平Hele-Shaw cell内进行了水膜冻结实验。研究发现,冰中存在蛋状和针状两种类型的气泡,其行为受冰生长速率的影响。当冰生长速率小于20.6 μm/s和9.4 μm/s时,分别会有针状气泡出现和蛋状气泡消失的现象,当冰的生长速率小于3.1 μm/s时冰中不会出现气泡。随着冰的生长,气泡的尺寸呈现先增加后趋于恒定的趋势。研究结果有助于指导优化防/除冰技术优化。

    R-134a脉动热管相变蓄放热实验研究
    张双星, 刘舫辰, 张义飞, 杜文静
    化工学报. 2023, 74(S1):  165-171.  doi:10.11949/0438-1157.20230172
    摘要 ( 260 )   HTML ( 4 )   PDF (1094KB) ( 88 )  
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    为研究低温工质对脉动热管相变蓄热器的影响,搭建了脉动热管相变蓄放热试验台。实验选用的低温工质为R-134a,相变材料为石蜡,蓄热器由一组自主设计的脉动热管组成。实验结果表明,采用R-134a作为工质能够实现脉动热管蓄热器的正常蓄热和放热。在蓄热过程中,加热功率的增加会减少蓄热时间,但同时也会增加蓄热器内的最大温差;在放热过程中,冷却水温度的降低会减少石蜡的凝固时间,当水温由20℃变为5℃,石蜡的凝固时间缩短了34.8%。冷却水流量的增加也会减少石蜡的凝固时间,水流量由10 L/h变为40 L/h,凝固时间缩短了9.5%。在约3 h的放热实验后,相变材料的温度与室温接近。

    粗糙界面上纳米液滴蒸发模式的分子动力学研究
    毕丽森, 刘斌, 胡恒祥, 曾涛, 李卓睿, 宋健飞, 吴翰铭
    化工学报. 2023, 74(S1):  172-178.  doi:10.11949/0438-1157.20221554
    摘要 ( 109 )   HTML ( 6 )   PDF (1091KB) ( 318 )  
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    通过采用分子动力学的方法对粗糙界面上纳米液滴的蒸发模式进行了研究,探讨了纳米液滴与粗糙界面的接触面积比(RCA)对纳米液滴蒸发过程中接触半径、接触角的影响。界面的粗糙度通过基于Wenzel润湿模型构建的纹理图案实现。研究表明,在平衡态时,相较于理想光滑界面,当接触面积比较小时,纳米液滴接触角增大明显(RCA = 33.3%,θ = 106°),而当接触面积比较大时,此现象不明显(RCA = 50%,θ = 81°;RCA = 66.6%,θ = 85°)。在蒸发过程中,当RCA = 33.3%时,纳米液滴的蒸发模式为混合模式(mixed mode);当RCA = 50%时,纳米液滴的蒸发模式为恒定接触半径模式(CCR mode);当RCA = 66.6%时,纳米液滴的蒸发模式为恒定接触角模式(CCA mode)。

    管翅式换热器迎风侧翅片末端霜层生长模拟研究
    张龙, 宋孟杰, 邵苛苛, 张旋, 沈俊, 高润淼, 甄泽康, 江正勇
    化工学报. 2023, 74(S1):  179-182.  doi:10.11949/0438-1157.20221641
    摘要 ( 94 )   HTML ( 9 )   PDF (514KB) ( 109 )  
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    基于管翅式换热器迎风侧翅片末端存在霜层生长的现象,建立其迎风侧翅片末端霜层生长模型。模拟结果表明,霜层沿气流反方向生长速度最快,且其生长速度随与气流反方向夹角θ的增大而不断减缓,霜层密度及霜层表面温度亦随着θ的增大不断减小,霜层整体呈流线型。3600 s后,θ=0°处的霜层厚度及密度分别是θ=90°处值的1.47倍和1.23倍,前者霜层表面温度比后者高2.2℃。研究成果有望指导提升管翅式换热器的防霜性能。

    超临界二氧化碳用印刷电路板式换热器性能分析
    张义飞, 刘舫辰, 张双星, 杜文静
    化工学报. 2023, 74(S1):  183-190.  doi:10.11949/0438-1157.20230171
    摘要 ( 209 )   HTML ( 4 )   PDF (1291KB) ( 334 )  
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    印刷电路板式换热器(PCHE)作为一种高效紧凑的新型微通道换热器,在超临界二氧化碳(SCO2)布雷顿循环中具有广阔应用前景。通过数值模拟分析了SCO2在变径PCHE中的热工水力性能,结果表明:随着宽径的减小,表面传热系数增大,其相对于等径PCHE的提升效果更加显著;较大宽径PCHE的变径形式有着较小的CO2压降增长率,宽径较小时变径结构会使综合性能有更显著的提高;表面传热系数随着渐变比的增加而增加,将变径段置于PCHE后端具有更优的传热特性,其表面传热系数峰值较其他形式提高了23%。不同结构的变径PCHE性能分析可为SCO2冷却理论研究和PCHE典型工程应用提供参考和借鉴。

    基板温度对HFE7100液滴蒸发过程的影响研究
    陈爱强, 代艳奇, 刘悦, 刘斌, 吴翰铭
    化工学报. 2023, 74(S1):  191-197.  doi:10.11949/0438-1157.20221633
    摘要 ( 91 )   HTML ( 0 )   PDF (1092KB) ( 57 )  
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    为探究基板温度对甲基九氟丁醚(HFE7100)液滴蒸发模式、形态参数及蒸发速率的影响,促进其在微尺度传热领域的应用,选用3种不同表面温度(20、30、40℃)的玻璃材料为基板,记录液滴蒸发过程中接触角、接触直径、润湿面积和液滴体积等参数的变化过程。结果表明:不同基板温度下,HFE7100的接触角和接触直径同时下降直至蒸发结束,液滴蒸发模式并非表现为混合蒸发模式;基板温度对HFE7100蒸发初始阶段形态参数影响显著,基板温度越高,HFE7100初始接触角越大,初始接触直径和润湿面积越小,初始形态参数变化速率越大;HFE7100液滴蒸发过程可分为三个阶段,第一和第三阶段蒸发速率较大,中间阶段蒸发速率较小,最大蒸发量发生在初始阶段,且基板温度越高,蒸发速率越大。

    超薄平板热管传热性能的实验研究
    申利梅, 胡博兴, 谢雨霏, 曾伟豪, 张晓屿
    化工学报. 2023, 74(S1):  198-205.  doi:10.11949/0438-1157.20221590
    摘要 ( 88 )   HTML ( 6 )   PDF (2611KB) ( 158 )  
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    随着电子器件的集成度逐渐提高,超薄平板热管作为一种适用于受限空间的高效散热器受到关注。本文对厚度为0.27 mm的超薄平板热管进行传热性能的测试, 以传热温差、传热量、热阻、等效传热系数作为指标,系统性地研究了加热功率、冷却方式及重力影响下的传热特性。研究发现,重力对超薄平板热管传热性能有轻微影响,竖直状态下的最大散热量较水平状态提高5%~10%,水平较竖直-逆重力状态提高2%~10%。冷却方式对其传热性能影响较大。在较低功率时,相比于自然冷却,强制冷却能使电子元器件在较低温度工作,但造成热管冷热端温差及热阻都比自然冷却条件下大,在超过一定功率(1.2 W左右)后,温差及热阻急剧增大,等效传热系数减小,传热效果不佳。

    导光管直径和长度对传热影响的模拟分析
    刘明栖, 吴延鹏
    化工学报. 2023, 74(S1):  206-212.  doi:10.11949/0438-1157.20230078
    摘要 ( 77 )   HTML ( 5 )   PDF (1116KB) ( 31 )  
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    导光管可以改善室内光环境,但在高大空间建筑中安装大量导光管会导致夏季室内热量增加、冬季室内热量损失,因此必须考虑传热问题。通过改变导光管的直径和长度,对北京地区夏季和冬季工况下高大空间建筑导光管的传热特性进行了模拟分析。结果表明,夏季时,导光管内部空气分布较为均匀,平均温度在20℃至32℃之间变化,随着导光管直径增加,管内空气平均温度先下降后趋于平稳,总热损失逐渐增大;随着导光管长度增加,平均温度呈下降趋势,总传热量无明显变化趋势,最终保持不变。冬季时,导光管内部空气分为两个区域,平均温度在0℃至25℃之间变化,随着导光管直径增加,平均温度升高,总传热量增大;随着导光管长度增加,平均温度先上升后趋于平缓,总传热量先增加,最终变化不明显。

    R1150/R600a自复叠制冷循环开机动态特性实验研究
    谈莹莹, 刘晓庆, 王林, 黄鲤生, 李修真, 王占伟
    化工学报. 2023, 74(S1):  213-222.  doi:10.11949/0438-1157.20221631
    摘要 ( 96 )   HTML ( 6 )   PDF (1284KB) ( 39 )  
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    搭建带分凝器的自复叠制冷循环实验台,采用环境友好非共沸混合工质R1150/R600a,通过实验分析了带分凝器的自复叠制冷循环和传统自复叠制冷循环在不同蒸发压力和组分配比下的开机动态特性。研究表明,随着蒸发压力降低,两种循环制冷温度均降低、排气压力均升高,带分凝器的自复叠制冷循环温降更大,蒸发器进口温度最低可达到-73.8℃;开机后,带分凝器的自复叠制冷循环更快达到稳定制冷温度,低温箱温降速率更快。R1150/R600a组分配比为0.3∶0.7时,蒸发器进口温度最低可达到-77.2℃,较传统循环低5.6℃。随着低沸点组分增大,两种循环降温速率更快,但压缩机的排气温度升高,带分凝器的自复叠制冷循环压缩机排气温度较传统自复叠制冷循环高25.0~36.0℃。

    基于裂隙粗糙性表征方法的地热岩体热流耦合数值模拟与分析
    王志国, 薛孟, 董芋双, 张田震, 秦晓凯, 韩强
    化工学报. 2023, 74(S1):  223-234.  doi:10.11949/0438-1157.20221552
    摘要 ( 83 )   HTML ( 4 )   PDF (2334KB) ( 290 )  
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    随着能源结构转型,干热岩等地热岩体得到了快速发展。地热岩体内部结构组成复杂,渗流与传热过程多变,如何针对岩体裂隙分布特征,建立更加精准的描述表征模型并进行多物理场耦合分析,有待深入探讨。基于裂隙粗糙性表征(joint roughness coefficient,JRC)描述方法,将表征单元体(representative elementary volume,REV)引入到JRC尺寸选取中,并将其应用于地热岩体物理模型中,采用数值模拟方法,对地热岩体温度场与渗流场进行了耦合分析。研究发现,裂隙附近温度场分布与裂隙的形态基本一致,表现出一种基岩温度场随着裂隙形态变化的波动性规律;流体注入速度和温度对系统运行达到稳态的时间影响呈负相关性;较低的注入速度和较高的注入温度都可以有效延长系统生产寿命,此外,通过对出口法向热通量的分析得出最佳注入流速。

    均流腔结构对微细通道内相变流动特性影响的实验研究
    江河, 袁俊飞, 王林, 邢谷雨
    化工学报. 2023, 74(S1):  235-244.  doi:10.11949/0438-1157.20221614
    摘要 ( 96 )   HTML ( 5 )   PDF (1631KB) ( 249 )  
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    以R134a制冷剂为工质,在质量流率为416~728 kg/(m2·s),基面热通量为36.7~242.6 kW/m2条件下,研究了方形均流腔和圆弧均流腔微细通道换热器内两相流型的变化规律以及不同条件下微通道的压降特性、压力波动特性与传热特性。结果表明:两种均流腔结构的微通道内流型过渡是相似的,在弹状流型时均观察到了流动逆转现象;相比于方形均流腔微通道,圆弧均流腔微通道的压降更低,压力波动幅度更小,且具有更高的传热系数。在热通量为242.6 kW/m2,质量流率为416 kg/(m2·s)条件下,压降降低了51%;在热通量为154.4 kW/m2,质量流率为416 kg/(m2·s)时,出口压力波动幅度降低了35%;当热通量为242.6 kW/m2,质量流率为728 kg/(m2·s) 时,微细流道末端的传热系数提高了9.7%。

    催化、动力学与反应器
    氯铝酸-三乙胺离子液体/P2O5催化合成伊索克酸和2-乙基蒽醌
    王琪, 张斌, 张晓昕, 武虎建, 战海涛, 王涛
    化工学报. 2023, 74(S1):  245-249.  doi:10.11949/0438-1157.20230045
    摘要 ( 96 )   HTML ( 2 )   PDF (677KB) ( 67 )  
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    为了开发适用于羧酸分子进行分子内酰基化反应的新型酸性催化体系,本研究系统考察了氯铝酸-三乙胺盐离子液体和五氧化二磷(P2O5)构成的酸性体系在伊索克酸和2-乙基蒽醌合成中的催化效果,并进行了条件优化实验。研究发现该催化体系可以有效催化合成伊索克酸和2-乙基蒽醌,伊索克酸的收率最高达82.6%,作为多聚磷酸和发烟硫酸的替代品,该新工艺可以有效减少工业废酸废水,降低生产成本。推测了P2O5在该反应中的作用机理。

    分离工程
    水结晶过程的分子动力学模拟分析
    于宏鑫, 邵双全
    化工学报. 2023, 74(S1):  250-258.  doi:10.11949/0438-1157.20221608
    摘要 ( 145 )   HTML ( 8 )   PDF (1771KB) ( 229 )  
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    利用分子动力学从微观角度探究不同温度、压力对水结晶过程的影响规律。模拟中采用TIP4P/ICE水模型,搭建冰-水-冰结晶模板。在温度部分,分别在六组温度工况下进行分子动力学模拟,随着盒子温度从210 K上升到250 K,盒子完全结晶的时间从78ns延长到147 ns,完全结晶后密度下降。因此,随着温度的降低以及过冷度的增加,结晶速度加快,形成冰的密度也增加。在压力部分,分别在六个压力工况下进行模拟,发现随着压力的升高,结晶时间先延长后缩短,在200 MPa时结晶时间最长(115 ns),这是由于压力的变化会导致水的冰点发生变化;压力对水结晶速度有着直接影响,高压力可以直接促进水结晶;高压下形成的冰的密度大于1000 kg/m3

    静电纺丝纳米纤维双疏膜油性细颗粒物过滤性能实验分析
    吴延鹏, 李晓宇, 钟乔洋
    化工学报. 2023, 74(S1):  259-264.  doi:10.11949/0438-1157.20230013
    摘要 ( 107 )   HTML ( 7 )   PDF (1038KB) ( 75 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    油性细颗粒物污染正日益成为影响我国空气质量的重要问题,引起研究者们广泛关注。原料选取聚丙烯腈(PAN)、聚氨酯(PU)与含氟聚氨酯(FPU),溶剂选择NN-二甲基甲酰胺(DMF),利用静电纺丝技术,改变含氟聚氨酯的含量,制备得到具有疏油疏水双疏性能的纳米纤维膜。纳米纤维膜的水接触角达到153.24°,油接触角达到132.45°。搭建空气过滤性能测试装置,测试纳米纤维膜对于常规颗粒物以及油性颗粒物的过滤效率,结果表明均达到98.7%以上。最后,考察纳米纤维双疏膜的过滤耐久性,通过测试其过滤效率的变化,发现纳米纤维膜具有一定的过滤耐久性。

    能源和环境工程
    基于多目标下的两级并联除湿热泵系统实验研究
    邹启宏, 李乾, 葛天舒
    化工学报. 2023, 74(S1):  265-271.  doi:10.11949/0438-1157.20221521
    摘要 ( 66 )   HTML ( 4 )   PDF (1228KB) ( 106 )  
    数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    提出了一种新型的两级并联除湿热泵系统,并在典型工况下对系统性能进行了实验研究。实验表明,该系统可以有效解决除湿热泵显热负荷处理能力不足的问题,能够灵活部署显热和潜热两端不同比例的热负荷:在典型工况下可提供19.0℃、8.81 g/kg的舒适区送风,在冷凝温度50℃下平均COP 达3.92。当冷凝温度从55℃变化到35℃时,COP从3.39上升到5.81,显热负荷比始终保持在16∶1以上。在不同环境下系统湿负荷占比可达到7%~60%,满足大部分送风状态的温湿度解耦。

    -30℃电动汽车补气式CO2热泵制热性能实验研究
    杨天阳, 邹慧明, 周晖, 王春磊, 田长青
    化工学报. 2023, 74(S1):  272-279.  doi:10.11949/0438-1157.20221508
    摘要 ( 92 )   HTML ( 4 )   PDF (1771KB) ( 144 )  
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    为提高极寒环境下电动汽车热泵的供热性能,搭建了二次节流闪发的中间补气式CO2热泵实验台架,并开展了车外-30℃工况下的制热性能研究。实验结果显示,车内进风温度20℃时,无补气系统的排气温度达到176.1℃,通过中间补气排气温度降低了30.7℃,且制冷剂总流量的增加与气冷器侧压力的升高使制热量和COP分别提升了74.1%和43.9%。控制车内进风温度由0℃升高至20℃,补气系统的出风温度从11.9℃升高到32.7℃,但制热量降低了3%,系统能耗增加了43.2%,COP从2.14下降到1.45。随着进风温度的升高,补气热泵循环逐步从亚临界变为跨临界,排气温度和压力均增大,但排气焓值基本不变。

    高压氢气加注过程中温度特征仿真分析
    杨欣, 王文, 徐凯, 马凡华
    化工学报. 2023, 74(S1):  280-286.  doi:10.11949/0438-1157.20221624
    摘要 ( 142 )   HTML ( 4 )   PDF (537KB) ( 193 )  
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    高压氢气加注站可靠高效的运行是氢燃料动力大规模应用的技术前提,加注过程中对氢气进行温度控制是罐内温度安全性的重要保证。对氢燃料电池汽车的高压氢气加注过程建立完整的热力学模型,计算加注过程各个系统节点瞬态的热力学参数、氢气质量流量以及换热器冷负荷,分析影响预冷温度的因素,讨论喷嘴直径对车载储氢罐温升和换热器冷负荷的影响,并根据计算结果提出系统运行的优化策略。结果表明预冷温度可根据加注条件相应调整,对于大多数工况点,当环境温度每降低大约5℃、起充压力每增高大约4 MPa或者加注时间每延长1 min,预冷温度可提高大约5℃;加注枪的喷嘴直径对加注时间和车载储氢罐氢气终温的影响较小,但对换热器冷负荷影响较大,当喷嘴直径由8 mm减小为5 mm时,罐内终温仅升高6%,加注时间仅延长5 s,而换热器峰值冷负荷和总冷量分别降低了25%、7.3%。

    斯特林发动机与高温热管耦合运行特性研究
    宋嘉豪, 王文
    化工学报. 2023, 74(S1):  287-294.  doi:10.11949/0438-1157.20221632
    摘要 ( 97 )   HTML ( 1 )   PDF (903KB) ( 192 )  
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    斯特林发动机作为一种外部供热的闭式循环发动机,与高温热管耦合在一些特定场合能够实现热功转换目标。采用热阻网格法和绝热分析法分析高温热管和斯特林发动机,通过对热管与发动机间的热流等进行迭代计算,分析二者间的耦合运行特性。基于一个斯特林发动机及能够满足其输入热能需求的高温热管组合,分析了耦合情况下斯特林发动机的运行特征,包括斯特林发动机的启动特性以及输出功率随热源温度的变化。结果表明,在1000 K的热源温度下,斯特林系统在400 s后达到稳态,能够提供约101 W的稳态输出功率;随着热源温度的升高,发动机内的功率损失会随之升高,使得发动机的输出功率增长趋缓;改变热管壁厚,发动机输出功率先增大后减小,在所研究工况下的热管管壁最优厚度为7 mm。

    双U型地埋管群跨季节蓄热特性研究
    张思雨, 殷勇高, 贾鹏琦, 叶威
    化工学报. 2023, 74(S1):  295-301.  doi:10.11949/0438-1157.20221623
    摘要 ( 104 )   HTML ( 2 )   PDF (1518KB) ( 71 )  
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    跨季节埋管蓄热技术(BTES)可以解决能源供需在时间与空间上不匹配的矛盾,是一种提高能源利用效率的重要手段。通过建立埋管蓄热体的三维瞬态数值模型,实现了埋管蓄热体的三类特征温度以及边界热流的全周期动态监测,同时对系统长周期运行下的热特性进行评估。结果表明,经过全周期运行后土壤体积平均温度与初始状态相比提升10%,蓄热体侧面热损失占总热损失的66%~90%,系统BTES效率逐年上升,运行至第7年基本达到稳定,此时效率可达55.2%。可为BTES系统实际工程设计应用提供一定的参考。

    基于无管束蒸发换热强化策略的吸附热池的供热性能研究
    晁京伟, 许嘉兴, 李廷贤
    化工学报. 2023, 74(S1):  302-310.  doi:10.11949/0438-1157.20221544
    摘要 ( 56 )   HTML ( 2 )   PDF (1276KB) ( 50 )  
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    为改善吸附热池的传热传质性能以提高吸附热池的能量/功率密度,提出无管束蒸发换热强化策略,通过理论仿真分析了该策略的有效性并建立了储热容量为30 kWh的吸附热池系统。研究结果表明:与有管束蒸发器相比,所述无管束蒸发器的热阻减小了94.9%,吸附-蒸发速率提高了24.2%,因此,与基于有管束蒸发器的吸附热池相比,基于无管束蒸发换热强化策略的吸附热池的平均供热温度提高了3℃,充分证明了无管束蒸发策略对提升吸附热池传热传质性能的有效性。同时,该研究也表明,提高脱附温度和降低冷凝压力也可以有效提高吸附热池的能量/功率密度,从而使吸附热池获得更好的供热性能,当吸附热池的脱附温度升高到170℃、冷凝压力降低到7.5 kPa时,吸附热池的能量密度和功率密度分别达到了113.21 Wh/kg和149.45 W/kg,供热温度和制热水能力分别达到了55℃和1980.2 L/h,验证了所设计吸附热池系统向多用户同时供热或向单用户长时间供热的能力,为提高未来吸附热池的能量/功率密度,实现大规模储热提供了理论和实验基础。

    地下水预热新风一体化热泵空调系统制热性能研究
    连梦雅, 谈莹莹, 王林, 陈枫, 曹艺飞
    化工学报. 2023, 74(S1):  311-319.  doi:10.11949/0438-1157.20221600
    摘要 ( 92 )   HTML ( 0 )   PDF (1277KB) ( 187 )  
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    针对传统地下水源热泵空调(conventional ground water heat pump air-conditioning,CGWHP)系统对地下水储热利用有限的缺陷,提出一种地下水预热新风一体化热泵空调(integrated ground water heat pump air-conditioning,IGWHP)系统。基于分布参数法和集总参数法,建立了IGWHP系统稳态仿真模型,对组成系统部件和整个系统的制热性能进行仿真计算,分析空调热水对IGWHP系统性能影响,同时比较分析IGWHP系统和CGWHP系统的制热性能,并进行了实验验证。研究结果表明:IGWHP系统较CGWHP系统有显著节能优势。当热水供热温度从40℃升高到55℃,IGWHP系统的能耗比CGWHP系统平均下降36.12%。仿真结果与实验结果吻合较好,仿真值与实验值的误差在±10%以内。

    碱性电解水制氢装置热管理系统仿真研究
    黄琮琪, 吴一梅, 陈建业, 邵双全
    化工学报. 2023, 74(S1):  320-328.  doi:10.11949/0438-1157.20221598
    摘要 ( 306 )   HTML ( 11 )   PDF (1061KB) ( 368 )  
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    可再生能源发电耦合碱性电解水制氢是制取绿氢的理想技术路线之一,但是发电功率的波动性、间歇性影响着电解槽温度的稳定,影响制氢效率,因此构建了基于吸收式热泵的碱性电解水制氢热管理系统。通过分析不同冷凝温度下热泵运行参数,总结最优性能的工况特点。对不同负荷工况分析可得,随着电解槽散热负荷从32.28 kW降到25.08 kW,系统中回流碱液的温度由58℃升至70℃,热用户所得回收热从8.31 kW降至4.17 kW,同时总耗冷量降低44.55%。以上结果表明,所构建的碱性电解水制氢热管理系统有效调节电解槽的工作温度要求,可降低制冷能耗并回收热能,提升综合能源利用效率。

    盐溶液蓄能型热泵循环特性研究
    常明慧, 王林, 苑佳佳, 曹艺飞
    化工学报. 2023, 74(S1):  329-337.  doi:10.11949/0438-1157.20221620
    摘要 ( 72 )   HTML ( 0 )   PDF (865KB) ( 55 )  
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    为解决供热采暖期的电力峰谷问题,提出了盐溶液蓄能型热泵循环,由压缩热泵子系统与盐溶液储释能子系统构成复叠循环实现热能储存与品位提升,利用多层储液思想设计盐溶液储罐结构提升蓄能密度。在建立新循环热力学数学模型的基础上,研究关键运行参数对新循环的性能影响,并评估比较了新循环、传统空气源蓄能热泵和空气源热泵的经济性。研究结果表明:新循环综合制热性能系数低于传统空气源蓄能热泵及空气源热泵,但其蓄能密度和经济性均优于传统两种热泵循环。在300 kW供热量设计负荷下,新循环综合制热性能系数较传统空气源蓄能热泵降低4.76%,但新循环蓄能密度是传统空气源蓄能热泵的2.2倍,而新循环费用年值较传统空气源热泵及空气源蓄能热泵分别降低1.46%和29.00%。

    材料化学工程与纳米技术
    浓硫酸活化五氧化二钒制备高浓度全钒液流电池正极电解液
    胡超, 董玉明, 张伟, 张红玲, 周鹏, 徐红彬
    化工学报. 2023, 74(S1):  338-345.  doi:10.11949/0438-1157.20221541
    摘要 ( 317 )   HTML ( 10 )   PDF (1173KB) ( 252 )  
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    全钒液流电池是大规模储能领域首选的化学储能技术之一。因电解液成本占比较高,通常采用成本相对较低的五氧化二钒作为原料来制备全钒液流电池电解液。针对五氧化二钒在硫酸中溶解度较小、直接使用硫酸溶解五氧化二钒难以制备出高浓度电解液的问题,本研究通过将硫酸与五氧化二钒进行升温活化处理,水溶后即可实现高浓度五价钒电解液的制备。采用XRD、Raman、FT-IR等手段对活化后固体的组成、结构和溶解过程进行分析。结果表明,在活化温度为180℃、活化时间为3 h、硫酸与五氧化二钒摩尔比为4时,五氧化二钒溶解质量分数高达98.5%,溶解的钒离子浓度高达3 mol·L-1。硫酸与五氧化二钒升温活化后生成V2O3(SO4)2,改变原有的五氧化二钒的结构,导致活化后的物质水溶时溶解性增加,并且溶解后的钒离子价态以V(Ⅴ)形式存在。溶液中高浓度的V(Ⅴ)离子会与SO42-络合反应生成VO2SO4-,同时溶液中VO2+也会发生聚合形成V2O34+V2O42+等多聚体。

    过程安全
    HFO-1243zf爆燃特性实验研究
    吴曦, 区祖迪, 张鑫杰, 徐士鸣, 朱晓静
    化工学报. 2023, 74(S1):  346-352.  doi:10.11949/0438-1157.20221576
    摘要 ( 125 )   HTML ( 2 )   PDF (1064KB) ( 240 )  
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    3,3,3-三氟丙烯(HFO-1243zf)是一种热物性适宜、环境友好的新一代人工合成类制冷剂。然而在规模化应用前,其基础燃爆特性必须被探明。参考ASHRE 34标准和ISO—817标准方法,分别实测了HFO-1243zf的可燃极限范围与高浓度下的燃烧速度。结果显示:HFO-1243zf的可燃极限范围为4.45%±0.05%~15.8%±0.2%(浓度),并且随环境温度的升高而扩大,随环境湿度的升高而略微缩减。HFO-1243zf的燃烧速度随等效比的增大呈先逐渐增大,在达到极大值后又逐渐减小的现象。