2023年, 第32卷, 第6期 刊出日期：2023-11-13
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热科学学报. 2023, 32(6): 1955-1955. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1916-6Limiting global warming to 1.5°C would be a herculean task to all human beings. To reach this goal, the world would have to curb its carbon emissions by at least 49% of 2017 levels by 2030 and then achieve carbon neutrality by 2050. Installing renewable energy systems is a key to achieving the decarbonization goal. However, the intermittent nature of renewable energies is challenging because it can disrupt the daily operation of the electric grid. Energy storage technology is the key to resolve the problems of intermittency, volatility and low energy density in the large-scale utilization of clean and renewable energy. In addition, energy storage technology has promising applications in industrial waste heat recovery, building energy saving, thermal management, power grid peak shaving, etc. Therefore, energy storage technology plays a critical role on the roadmap to achieve the goal of carbon neutrality. This special issue will focus on the recent advances in energy storage technologies in the convergence of carbon neutral transition, such as energy storage materials and devices, thermal management and control of energy storage systems, energy storage testing and evaluation, advanced manufacturing technologies for energy storage systems, and economic analysis and GHG emission analysis of energy storage technology.
Through rigorous peer review, seven original research papers have been accepted. Among them, three papers focus on latent thermal storage system, one on an integrated thermal storage system and compressed air storage system, one on material properties of nanofluid as possible energy storage medium, and two on parametric study about the working conditions of electrolysis cells using numerical approach. These seven papers reflect the latest progress and stimulate further interest in new carbon neutral and energy storage technologies.
We would like to express our gratitude to all the contributors, reviewers and the journal office team for their great support in ensuring the high quality of this special column.
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热科学学报. 2023, 32(6): 1956-1972. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1855-2纳米流体作为一种高效率和高传热性能的新型能量传输介质，在热力学、太阳能集热、微电子换热、热能存储和材料制备等领域显示出广阔应用前景。离子液体的宽液程范围和环境友好等优点适合应用于传热介质，特别是作为纳米流体的基液。本文以1-乙基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐离子液体为基础溶剂，氧化石墨烯（GO）为纳米填充填料，采用“两步法”制备了离子液体基纳米流体。热物理性能研究表明，添加0.05wt.% GO可以使导热系数提升3.0%。此外，通过搭建光热转换测试平台对纳米流体光热转换效率进行研究，实验结果表明在6000s的辐照时间内，光热转换效率可达83%，纳米流体的最高温度可达105.89℃，相比纯离子液体，GO填充的纳米流体最大光热转换效率可提高29%。
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热科学学报. 2023, 32(6): 1973-1988. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1772-4操作条件对固体氧化物电解池（SOEC）的电解性能和温度分布有巨大的影响。然而由于原位测试方法的局限性，很难通过实验获得电解池中的温度分布等信息。本研究建立了电化学-流场-温度场耦合的电解池三维数值模型，并通过对比实验的电流-电压曲线和电化学阻抗谱（EIS）数据进行了准确性验证。分析了包括操作温度、燃料中的蒸汽和氢气分压、燃料入口流速和入口温度等不同操作条件下的电解池性能和温度分布。结果表明，电解池性能随着操作温度的升高而提升；增加蒸汽分压提高了电解性能和温度分布均匀性，但降低了蒸汽转化率；过低的氢分压降低了燃料气体混合物的扩散能力并增加了浓度阻抗；虽然增加燃料气体流速提高了电解性能，但也降低了温度分布的均匀性，且较低的空气流速有利于提高温度分布的均匀性；燃料入口温度对电解性能影响相对较小，为了获得更均匀的温度分布，预热空气比预热燃料更重要。
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热科学学报. 2023, 32(6): 1989-2007. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1767-1质子交换膜电解池 (PEMEC) 具有纯度高、功耗低特点，是一种极具发展前景的制氢技术。本文基于计算流体力学和有限元方法，利用三维非等温模型计算 PEMEC 性能，并研究膜/催化剂 (MEM/CL) 界面处电流密度、物质浓度和温度分布规律。此外，还研究了不同操作条件和不同设计参数对极化曲线、电能需求和电池效率的影响机制。研究结果表明，电流密度、氢浓度、氧浓度和温度的最大值位于中心肋下方并沿着出口的方向增加，而水浓度的最高值则位于通道下方并沿着出口方向减小。研究发现气体扩散层 (GDL) 厚度的增加有利于 MEM/CL 界面非均匀分布的减小。还发现将工作温度从 323 K 提高到 363 K ，可以降低电池电压和能量消耗。氢离子扩散随着阴极压力的增加而降低，这将增加能量消耗并降低电池效率。此外，增加 GDL 和膜的厚度会增加能量消耗并降低电效率，然而增加 GDL 孔隙率会降低电能需求并提高电池效率，因此建议使用薄的膜和孔隙率大的GDL。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2008-2017. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1681-y近年来，显热蓄热材料与相变蓄热材料相结合的蓄热系统越来越受到人们的重视。在本文中，我们提出了一种采用宏观封装方法封装相变材料的复合蓄热结构，并通过CFD模拟分析了不同影响因素下其蓄热性能。该结构的显热蓄热材料为镁砖或高温混凝土，相变材料为混合熔盐。首先，分析了复合蓄热结构在蓄热过程中的传热特性。然后，分析了加热工况对蓄热性能的影响，在受热面最高温度不超过500℃的条件下，蓄热能力随加热功率先增大后减小。其次，我们比较了不同纯固体蓄热结构和复合蓄热结构的蓄热性能，发现显热蓄热材料无论是镁砖还是高温混凝土，复合蓄热结构的蓄热性能都要弱于纯固体蓄热结构，这是由于熔盐的导热系数显著低于这两种显热蓄热材料。然后，比较了相变材料为不同熔盐时复合蓄热结构的蓄热性能，发现采用低熔点的相变材料时，其具有更强的自然对流强度和更好的蓄热性能。最后，我们选用了具有高导热系数和比热的复合相变材料(CPCM)为相变材料，结果表明：与纯固体结构相比，其蓄热性能提高了22.5%。上述结果表明，采用宏封装方法的复合蓄热结构是一种潜在的热能存储形式，但仍需进一步优化。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2018-2031. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1655-0管壳式相变储热单元内置翅片是提高其热性能的有效方式之一。从协同强化传热和储热性能的角度设计了不等长翅片，并对不等长翅片布局、数量和总长度的影响进行了数值研究。结果表明，与等长翅片相比，当短翅片和长翅片分别位于管壳式相变储热单元的入口和出口时，递增型翅片布局可以进一步提高相变材料传热和储能性能，其在完全熔化时间内传热和储热性能分别提升6.17%和0.43%。不等长翅片数量对储热起着重要作用，2个不等长翅片时的传热和储热性能分别提升18.95%和0.91%。不等长翅片总长度为18 mm时，传热性能提升21.17%。研究结果为进一步强化管壳式相变储热单元传热与储热性能提供参考。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2032-2047. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1699-1本文提出了一种包括太阳能光热、储热系统、燃煤发电厂和压缩空气储能系统的新型的集成发电系统以提高燃煤发电厂的运行灵活性。其中，部分太阳能直接用于预热锅炉给水，另一部分储存在储热系统中，为压缩空气储能释能过程提供热能。来自火电厂凝汽器的冷凝水用于冷却储能过程中的压缩空气。在此基础上，本文进一步研究了集成系统在不同负荷条件下的热力学性能，使用EBSILON软件模拟了典型日中的系统运行状态。结果表明，在额定负荷下，耦合系统每天可节约煤炭9.88t，减少二氧化碳排放27.95t。在部分负荷条件下，集成系统在75%负荷下可实现最大节煤量10.29t，最大CO2减排29.11t。在40%负载条件下，可获得最大调峰深度为9.42%。本文还对集成系统参与电力系统辅助服务的能力进行了评估。结果表明，通过耦合太阳能光热系统与压缩空气储能系统，传统燃煤电站可以获得显著的辅助服务收益。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2048-2064. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1795-x在管式相变储热器中添加翅片是提高相变储热单元性能的一种简单有效的方法。翅片的合理布置对于提高储能单元的性能至关重要。为了提高三重管储热单元的性能，本文提出了一种新型的V形翅片结构。通过数值模拟研究了储热系统的储热性能。首先，通过二维模型研究了不同V形翅片布置的三管式储能器的性能，并与传统矩形翅片结构进行了比较，得出了最佳翅片布置。结果表明，与传统的矩形翅片相比，具有最佳布置的V形翅片可以将相变材料（PCM）在储热单元中的熔化时间减少31.92%。在此基础上，研究了翅片角度和翅片厚度对储热单元的影响。然后，建立了储热单元的三维模型。详细讨论了传热流体（HTF）的流动参数（入口温度、入口流量）对其性能的影响。最后，对整个蓄热单元进行了储能分析。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2065-2080. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1845-4吸热器是聚光太阳能发电厂的重要组成部分，直接影响其运行和安全。本文引入蒙特卡罗射线跟踪算法来评估50MWe外圆柱吸热器的热性能，其中利用蒙特卡罗射线追踪算法计算了定日镜场辐射热流分布和管网格之间的角系数。此外，本文还开发了计算程序，该程序包括角系数计算、热性能计算和热应力计算三个模块。该程序还被用于研究一个50MWe吸热器，详细分析了该吸热器温度和热应力的三维分布。经研究发现，吸热器内的熔盐从298°C加热到565°C，在吸热器出口处的管壁温度很高，但是在吸热器入口处却产生了较高的热应力。最后，本文还讨论了吸热器的超温问题，并提出了一种优化算法。经过优化后过热区的管壁温度和膜温符合安全标准，而且优化后出口熔盐温度仍达到563°C，和优化前相比仅下降了2°C。
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A Surrogate Model for a CAES Radial Inflow Turbine with Test Data-Based MLP Neural Network Algorithm热科学学报. 2023, 32(6): 2081-2092. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1846-3现有研究常对向心涡轮进行全尺寸三维流动分析以找到压缩空气储能（CAES）系统效率提升方法。然而，求解时间长、计算资源消耗大成为开展该类分析的主要阻碍。因此，本研究提出了一种基于测试数据的多层感知器（MLP）神经网络代理模型来克服这一困难。该模型不是采用流场求解过程，而是通过“学习测量结果”在较短求解时间内提供可靠的涡轮气动性能和流场分布特性。研究结果表明，该模型对等熵效率、折合流量和折合功率预测的最大相对误差分别为0.03%、0.22%和0.26%。集气室、轮盖空腔和叶轮出口区的流动参数分布也与实验结果基本一致。在进气室中，当总压比降低时，在275°的圆周位置处观察到压力驻点；在轮盖空腔中，尽管存在迷宫式密封，但在导流罩出口附近发现了明显的压力变化。在转子出口处，0.0～0.4和0.6～0.8相对叶高范围内有明显的速度和压力变化。同时，在叶片高度0.0～0.4和0.6～0.8范围内，速度和压力变化明显，这是由于上通道涡流、下通道涡流和端壁二次流的影响。本研究可为CAES径向流入式水轮机的动态性能评估提供进一步的参考。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2093-2103. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1825-8利用相变材料进行热能储存是提高能源利用率的有效途径。十二水硫酸铝铵(Ammonium alum，A-alum)由于具有过冷度大、热导率低的缺点，使它在潜热储能系统中的应用受到严重限制。为克服A-alum的缺点，本文制备了含有不同成核剂的改性A-alum（Modified A-alum，M-PCM），并将其进一步吸附在膨胀石墨(Expanded Graphite，EG)中获得复合相变材料（Composite phase change material，CPCM）。采用差式扫描量热分析（Differential scanning calorimetry，DSC）、热常数分析、扫描电镜（Scanning electron microscopy，SEM）、X射线衍射分析（X-ray diffraction，XRD）和傅里叶红外光谱分析（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）等手段对CPCM的热物性、热循环稳定性、微观结构和化学兼容性进行了测试表征。建立并解释了CPCM的冷回温现象。结果表明，CPCM的相变潜热和相变点分别为187.22J/g和91.54℃。与纯A-alum相比，CPCM的过冷度下降了9.61℃，热导率增加了27倍。蓄放热实验结果表明，2wt%的二水氯化钙（Calcium chloride dihydrate，CCD）是A-alum的最佳成核剂。热重分析和30次热循环实验结果表明，CPCM在工作温度下表现出良好的热稳定性和可靠性。本文所制备的改性A-alum/EG复合相变材料在潜热储能系统中具有良好的应用前景。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2104-2114. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1800-4本文研究了一种形态结构稳定的石蜡/高密度聚乙烯/膨胀石墨/环氧树脂复合相变材料（Composite Phase Change Materials， CPCMs），该复合相变材料具有熔点低、热导率高、潜热高等良好的热特性。研究过程中以石蜡（Paraffin ，PA）作为基础相变材料（Phase Change Materials，PCMs），通过添加高密度聚乙烯（High-density polyethylene，HDPE）固定CPCMs结构、防止PCMs泄漏以及通过添加膨胀石墨（Expanded graphite，EG）来提高CPCMs的热导率。环氧树脂（Epoxy resin，ER）被用来保证灵活的封装支架形态，并保持高度紧密的网络结构的PCMs。同时，利用SEM、XRD和FTIR对CPCMs试样的结构和热特性进行了表征分析。结果表明：CPCMs试样中不同组分分布，组分间具有良好的兼容性。此外，热导率测量表明，在CPCMs中加入质量比为6wt%的EG后，原0.31 W/(m·K)的PA热导率提高了1.9倍；DSC测量表明，随着HDPE用量的增加，PA的潜热从最初的231 J/g下降到125 J/g，这是由基体材料构建的原子网络限制造成的；TGA和泄露性测量表明，随着HDPE用量的增加，PA的降解程度也在增强。因此，所制备的CPCMs是一种性能优良的热管理以及储热材料。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2115-2125. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1867-y作为一种热效应制冷技术，压卡制冷技术正日益受到关注。据相关文献报道，新戊二醇（NPG）具有巨大的压卡效应，是一种极具潜力的压卡材料。然而，固-固相变温度高和导热率低限制了NPG在压卡制冷中的应用。本研究降低了NPG的固-固相变温度，并在此基础上提高了基于NPG压卡材料的导热率。首先制备了三羟甲基丙烷（TMP）质量分数为20%的NPG/TMP二元体系，该二元体系的固-固相变温度为283.15K。随后在该二元体系中加入石墨烯以提高热导率，最终确定了石墨烯最佳添加质量分数为5%。该复合材料的导热率达到了0.4 W/(m·K)，相比于二元体系提高了110%。为了预测导热率提升对压卡制冷循环中“取冷”过程的影响，本文建立了相关数值模型并进行模拟计算。结果表明，石墨烯质量分数为5%的复合材料作为压卡材料时压卡热制冷循环的“取冷”时间比二元体系作为压卡材料时缩短了50%。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2126-2143. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1884-x综合优化能效和经济性对于海洋温差能发电的工程化应用具有重要意义。本文构建可扩展的海洋温差能发电热经济性模型，开展发电系统热力性能和经济性的敏感性分析，研究抽水深度和温海水温度对系统净效率和单位投资成本的影响。在此基础上，本文提出一种海洋温差能发电系统的全工况设计优化方法，该方法考虑了机组运行周期内温海水温度动态变化的影响。在双目标优化中，以运行周期内平均净效率和单位功率投资成本为目标函数，采用非支配排序遗传算法（NSGA-II）最大化净热效率和最小化单位功率投资成本并获得其Pareto前沿。研究结果表明，温海水温度上升和抽水深度增加有助于系统净热效率，并且更大的装机容量有利于系统经济性。基于遗传优化计算得到,以氨和R245fa为工质的海洋温差能发电系统的净热效率分别为4.13%和3.8%,比不考虑非设计工况的传统优化方法分别提高了19.4%和57.0%。此外，Pareto前沿解还呈现出装机容量和净效率之间的关联性，即增加装机容量可提高系统净热效率。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2144-2154. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1905-9冷凝温度是决定有机朗肯循环性能的关键参数之一。在设定有机朗肯循环的冷凝温度时，有必要考虑工质本身的差异。在本研究中，使用温熵图来描述工质的差异。定义了温熵（T-s）图中干工质和等熵工质的三个区域，即表示循环净输出功的区域（A1）、表示卡诺循环净功的区域（A）和表示冷凝特性的过热区曲边三角形（A2）。在此基础上，计算A2与A1的比率和A1与A的比率。获得了上述两个比率的对数平均差，以确定有机朗肯循环中使用的66种干/等熵工质的可操作理想冷凝温度。研究结果表明，大多数干工质和等熵工质的可操作理想冷凝温度在305K至310K之间。本文工作将有助于有机朗肯循环系统的设计。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2155-2165. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1887-7调相机构作为脉管制冷机的重要部件，通过调节压力波与质量流的相位关系，改善整体相位，以提高整机效率。采用主动调相的调节方式相对于常见的惯性管气库调相、多路旁通、双向进气而言，具有更广泛的相位调节角度，更容易获得最优的相位关系，具有研究意义。本文针对一台20 K温区热耦合两级脉管制冷机，研究压缩活塞和主动调相活塞之间的位移行程（即扫气体积比）和相位差对制冷量和制冷效率的影响规律，分析调相活塞运动状态对压力波与质量流相位关系及声功分布的影响，以获得主活塞与调相活塞的最优关系。在主压缩机活塞扫气体积一定的情况下，存在最优调相活塞行程2.5 mm和最优相角差15°，使得制冷机获得最高的制冷效率，此时，在20 K有最大制冷量1.3 W，二级压缩机输入电功202 W，整机rCOP达到0.055。另外，由于预冷温度和预冷量可调节，两级系统整机的最优制冷量和最优效率对应的扫气体积比和相位可以是相同的。研究提高了对调相器的理解，并对20K工作的两级脉管制冷机优化具有一定的指导作用。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2166-2178. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1886-8本文建立了厂级尺度火电厂模型，从运行参数、能耗、用水量和污染物排放等方面对火电厂余热利用情况进行了评价。该模型对旁路烟气能量梯级利用设计进行了分析，获得了较好的节能减排效果。在此基础上，提出了利用低温余热并从烟气中提取水分的设计方案。利用吸收式热泵回收余热对空气进行预热，可以回收燃煤机组的低品位热量。该方法明显减少了汽轮机低压段的抽汽量，提高了汽轮机功率，降低了煤耗。该设计使空气预热器与空气加热器之间的传热温差较小，与原旁路烟气能量梯级设计相比，㶲损失较小。本文新设计输出功率1024.28 MW，节约煤耗3.69 g (kWh)-1。此外，本设计从烟气中提取水分，回收46.48 t h-1的水。该设计使得空气预热器和空气加热器之间的换热温差小，从而产生较小的㶲损失。本文工作为研究复杂火电厂系统和传统电厂的各种节能减排方案提供理论分析。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2179-2195. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1838-3稠油与蒸汽之间的界面行为是影响注蒸汽开发稠油效率的重要问题之一。然而，在高温高压下稠油和蒸汽之间相互作用机制仍不清晰。本文采用分子动力学模拟方法研究了高温高压下稠油液滴与蒸汽界面间分子尺度相互作用机理。结果表明，稠油相与蒸汽相之间的界面厚度随着温度的升高而逐渐增加、界面张力不断降低。分析表明，高温会破坏重质组分与蒸汽之间氢键，导致稠油液滴和蒸汽相之间的相互作用能量降低。径向分布函数结果也发现稠油组分和蒸汽相之间的相互作用因高温而减弱。此外，通过二维密度云图可以直接观察到不同温度下界面的演化，均方位移和自扩散系数证明了稠油各组分与蒸汽的演化机制。特别是界面处存在沥青质时更有可能实现高扩散性和乳化能力。本研究为理解注蒸汽开发过程中稠油与蒸汽之间界面相互作用机制提供了分子水平理解。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2196-2214. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1861-4本文提出了一种包括等离子气化炉、热解反应器、燃气轮机（GT）、超临界二氧化碳（S-CO2）循环和有机郎肯循环（ORC）的新型多联产系统。在所提出的系统中，气化和热解得到的合成气通过燃烧驱动燃气轮机发电，然后，产生的热废气用于加热超临界CO2循环的工质和有机郎肯循环的工质。系统除输出电能外，热解子系统还产生热解油和热解炭。因此，在以无害方式处理废物的同时实现了能源的回收利用，同时通过能量分析、㶲分析和经济性分析评估该系统的性能。结果表明，多联产系统的净总能量输出为19.89 MW，净总能量效率为52.77%，总㶲效率为50.14%。此外，所提出系统的动态投资回收周期仅为3.31年，在20年的生命周期内，可实现相对净现值77552.64×103美元。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2215-2221. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1900-1
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Experimental Investigation on Liner Cooling Characteristics of a Mixed-Flow Trapped Vortex Combustor热科学学报. 2023, 32(6): 2222-2234. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1840-9斜流驻涡燃烧室是将驻涡稳焰燃烧技术应用在斜流燃烧室的一种新型燃烧室构型。与常规斜流燃烧室相比，具有火焰筒内部涡系流场结构复杂，冷却面积大，火焰筒壁面局部高温热斑显著、壁面温度梯度大等特性。本文针对采用多斜孔冷却的斜流燃烧室，开展了全环试验件的壁温分布试验研究。获得了不同进口马赫数、进口温度以及油气比对火焰筒壁温分布的影响规律，为掌握壁温分布特性和冷却方案优化提供了有效参考。火焰筒壁面的高温区主要分布在凹腔前壁；进口温度较低且油气比较小时，过喷嘴截面的火焰筒壁温会高于喷嘴间截面，反之喷嘴间截面温度逐渐高于过喷嘴截面；火焰筒的平均壁温随着油气比和进口温度的增大而增大，而对进口马赫数的变化不敏感。此外，本文为流向上不连续的火焰筒壁面的冷却方案设计和改进提供了有效参考。对于不连续的火焰筒壁面，很难形成连续的气膜，仅采用多斜孔冷却结构无法满足冷却要求，需要考虑其他有效的冷却结构，或者多个冷却结构的组合。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2235-2242. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1851-6本研究探讨了水蒸气对循环流化床富氧预热燃烧特性的影响。研究了O2/CO2/H2O和O2/N2/H2O气氛下的预热燃烧特性。添加水蒸气后预热温度降低。水蒸汽的加入增强了C-H2O的气化反应，削弱了C-CO2的气化反应。导致H2浓度增加，而CO浓度降低。水蒸气有利于增加预热焦炭的比表面积，同时有利于孔的形成，但是对颗粒尺寸的影响不大。此外，水蒸气提高了预热焦炭的反应活性，这有利于有助于点火的发生以及稳定燃烧。在O2/CO2和O2/N2气氛下，添加水蒸汽后，观察到NOx排放量分别从68mg/MJ增加到79 mg/MJ和从62mg/MJ增加到81 mg/MJ。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2243-2255. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1789-8城市固体废弃物焚烧（MSWI）飞灰中含有重金属和二恶英，因而属于危险废弃物。熔融处置可以稳定其中的重金属和二恶英，具有广阔的应用前景。但是，MSWI飞灰在热处理过程中污染物HCl的释放存在潜在的环境风险，这对MSWI飞灰的热处理制度的选择至关重要。本文揭示了不同气氛下MSWI飞灰热处理过程中HCl的形成途径。结果表明：飞灰中的CaOHCl在550℃以下首先分解为CaCl2、CaO和H2O，为HCl的生成提供了H；然后， CaCl2、NaCl或KCl与H2O反应释放出HCl，在此过程中H2O和O2促进HCl的生成，CO抑制HCl的生成。HCl生成的初始温度受气氛中H2O浓度的影响。当温度达到1250℃时，NaCl和KCl几乎全部挥发，以HCl为主的由含氯矿物在N2、CO和空气气氛中与H2O 反应生成Ca19.2Mg2.8(Si0.75Al0.75)8O36Cl2, Ca4(SiO4)(SO4)Cl2 and Ca10(SiO4)3Cl2。此外，在还原气氛中，金属易被HCl氯化，进一步消耗了HCl。对HCl释放的抑制能力为：CO>N2>Air>>H2O。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2256-2272. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1720-3水泥工业产生的氮氧化物（NOx）越来越受到重视，现有的脱硝技术难以满足中国日益严格的排放要求。在笔者团队之前发表的工作中，提出了燃料原位还原（FISR）方法来减少水泥NOx排放。本文以早前实验中的中试规模预分解炉为对象，应用CFD方法对FISR方法进行了优化。结果表明，采用FISR方法后，NOx排放降低了69.86%。另外，本文还进一步研究了窑气中NO和O2初始浓度、第一级三次风（三次风-I）和水泥生料（CRM）进料位置的影响。随着初始NO浓度的增加，NOx排放浓度线性增加，而窑气中NO的还原率保持在80%以上。当窑气中O2含量大于4%时，氧气的存在将显著促进NOx的形成并抑制NO的还原。本文引入了三次风-I和CRM无量纲进料位置，模拟结果表明，最佳的三次风-I和CRM无量纲进料位置分别为0.6和1.6。本文的研究成果将为FISR方法在水泥工业中的实际应用提供有力的支持。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2273-2283. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1847-2开式吸收式系统是一种具有潜力的回收烟气水和余热的技术手段。文献研究表明吸收过程可同时脱除颗粒物。本文采用实验的方法研究了吸收器的细颗粒物脱除效果。实验中所用除湿剂为氯化钙水溶液。实验结果显示，质量平衡偏差不超过±10%，能量平衡偏差不超过±15%，表明了实验数据的可靠性。23.5%-46.0%的细颗粒物与23.9%-45.1%的水分从烟气中被脱除。通过比较除湿剂和水，发现二者对烟气的冲刷无法明显脱除细颗粒物。当除湿剂或水实现了相同的水回收率，二者的细颗粒物脱除率也十分接近。经过实验参数分析，细颗粒物脱除率与水回收率几乎呈线性关系。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2284-2296. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1853-4甲烷/二甲醚的掺混燃料广泛应用于发动机与燃气轮机，但二甲醚有强烈的冷焰现象，极大地影响后续热焰的着火与燃烧特性。近年来部分研究发现了甲烷对二甲醚冷焰的抑制作用，但抑制机理缺乏进一步研究。本研究通过实验与模拟的方式深入研究了这种抑制现象，并使用甲醇/二甲醚作为对比燃料，验证了抑制机理。研究通过对冲燃烧器测量了甲烷/二甲醚与甲醇/二甲醚两种掺混燃料在不同掺混比例下的冷焰熄火极限、温度与燃烧产物，并使用HPMech-V3.3机理进行反应路径分析。结果表明，甲烷与甲醇均通过与二甲醚竞争OH和O自由基来抑制二甲醚的冷焰，且甲醇有着更强的抑制作用，因为甲醇竞争能力更强且在反应中会产生更多的甲醛，从而抑制二甲醚的氧化。HPMech-v3.3模拟结果与实验数据非常接近，但仍有待改进。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2297-2309. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1832-9煤炭部分气化联产半焦焦油煤气工艺所产生的半焦可用于生产替代民用散煤的清洁燃料或其他工业用途，同时生成的焦油经过净化加氢后可用于制取液体燃料，燃气可作为燃料气燃烧利用，从而实现煤炭的高效高价值分级分质利用。本文在小型常压流化床实验台上开展了煤炭部分气化特性的实验研究，在625-762℃的气化温度范围内考察了空气当量比对煤部分气化产物特性的影响。结果表明当空气当量比由0.06提高至0.13，气化温度上升，半焦产率下降，期间焦油产率达到最大值，煤气低位热值最高可达6.14MJ/Nm3。当气化温度低于643℃时，提高温度促进了煤炭颗粒中含氧官能团和芳香族化合物的生成，半焦无序性上升。半焦的燃烧稳定性逐渐下降，而孔隙结构在高温下变得丰富。焦油柱层析结果表明部分气化所得焦油中沥青质和非烃占焦油总量的77%-88%。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2310-2320. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1809-8我们在模型燃烧器中开展了一系列实验研究，并基于排列熵算法识别了燃烧振荡发生的特征，该方法通过放大时间序列中受影响的细微变化，从而检测出异常。实验中改变火焰的相对位置或燃料流量的大小，燃烧室声压波动会从非周期性小振幅振荡突变为到周期性大振幅振荡；结合频谱得到的燃烧振荡特征频率，提出了一种改进的排列熵算法，对算法中移动步长和窗口大小等关键参数的影响效果评估表明，该方法具有较强的鲁棒性，可以准确地检测到燃烧振荡的发生。进一步的非线性分析显示了燃烧系统的特殊动力学特性，其导致了时间序列中存在特定模式，这也为异常检测提供了理论基础。实验分析结果表明，基于排列熵的方法在燃烧振荡预警检测方面具有一定的潜能。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2321-2335. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1837-4作为微型燃气轮机燃烧室在机组运行期间的几乎仅有的控制手段，值班比（Pilot Fuel Ratio，PFR）是实现稳定燃烧过程和调控污染物排放的关键措施。本文讨论了值班比对燃烧室内部流场结构和污染物生成特性的影响。本文使用稳态三维雷诺平均应力方法和40步甲烷/空气燃烧骨架机理研究了值班比分别为9.0%、12.7%、15.2%和17.6%时燃烧室内的流场和组分场分布。研究结果表明，随着PFR的降低，燃烧室中心轴附近的轴向速度和温度呈下降趋势。在核心热解反应区（通过HCO测量）和氧化区（通过OH测量）中发生了类似的分离现象。通过在燃烧空气中使用惰性气体代替氮气，得到了值班火焰对氮氧化物（NOx）生成浓度的定量影响。发现在PFR为9.0%的工况下，值班火焰产生的NOx浓度为3.2 ppmv，占总NOx排放量的17.4%。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2336-2350. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1862-3针对不同燃料浓度梯度下爆轰波的传播特性和结构特征变化的问题，本文通过一维和二维数值模拟研究了不同燃料浓度梯度下的流场特征、未燃气囊对爆轰波传播的影响以及胞格尺寸的变化规律。结果表明，随着燃料浓度梯度的增加，爆轰波的衰减速度加快，解耦为前导激波和火焰面。随着燃料浓度梯度的减少，流场中会有更多的三波点存活，导致局部爆轰波传播速度的差异，爆轰波面发生弯曲变形。由于燃料浓度梯度的增加，爆轰波前的未燃O2渗入到爆轰波后形成气囊，并受到壁面边缘效应和三波点的影响表现出不同的分布特征，从而影响爆轰波传播。此外，随着燃料浓度梯度的降低，胞格尺寸逐渐增大，胞格的不规则性增大。
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Combustion and NOx Emission Characteristics of Coal Slime Solid Waste at Different Feeding Positions热科学学报. 2023, 32(6): 2351-2360. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1863-2循环流化床(CFB)锅炉燃烧煤泥的NOx排放难以满足中国日益严格的标准，煤泥从炉顶进料导致炉膛和旋风燃烧不均匀，停留时间短以及尾受热面过热等问题。本文研究了加料位置对煤泥燃烧均匀性和污染物排放特性的影响。实验结果表明，前墙给料时煤泥燃烧更加均匀，较长的停留时间有利于控制NOx排放。在锅炉温度和过量空气系数基本相同的情况下，前墙给料和炉顶给料的NOx原始排放量分别为45.0 mg·m-3和70.7 mg·m-3，前墙给料的NOx排放量减少了36.35%，达到了超低NOx排放标准。采用前墙给料，大大降低了NOx的原始排放，在实际应用中大大节约了运行成本。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2361-2373. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1881-0结合干燥剂除湿和蒸气压缩制冷的优势，除湿换热器热泵（DCHE HP）被认为是传统蒸气压缩空调系统（VCAC）的有效替代方案之一。从众多备选中选择合适的干燥剂对于提高DCHE HP的性能至关重要。利用当前的实验或建模策略进行干燥剂筛选极具挑战。本研究开发了一个平衡态模型来评估39个使用不同干燥剂的DCHE HP在各种工况下的功耗。最终，选出了五种系统功耗较低的干燥剂。结果表明，在给定的工作条件下，基于这五种干燥剂的DCHE HP可比VCAC节省21.3%-32.9%的功耗。综合分析表明，DCHE HP的功耗在很大程度上取决于干燥剂的吸附热、循环吸附量和剩余含水量。进一步的，适中的吸附热、较大的循环吸附量和较低的剩余含水量有助于降低系统的能耗。本研究通过一个平衡态模型对39种可用于DCHE HP的干燥剂进行了快速评估，并为选择和设计适用于DCHE HP的干燥剂提供了见解。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2374-2385. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1821-z本文对并联通道内R1233zd(E)过冷流动沸腾过程的汽液两相流型和汽泡行为进行了实验研究。实验段由21根水力直径为1.5 mm、长度为140 mm的并联矩形通道组成。结果表明，随干度升高，依次观察到泡状流、塞状流、搅拌流和波形环状流，此外还观察到多种流型并存的过渡流型。两相流型的分布呈时间非同步及空间非对称特征，在距离入口较远的通道中，流型发展出现的时间较早。通道内部汽泡的初始核化位置也呈现随机非对称分布，部分通道中的汽泡在液相蒸发及汽泡聚并的共同作用下发生较快速的生长。换热系数的变化规律与流型发展相对应，沿工质流动方向呈不同的变化趋势，而距离入口较远的通道的换热系数更高。此外，工质质量通量的增加会导致流型发展和换热系数的变化出现延迟。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2386-2399. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1907-7压气机中的叶尖泄漏流会导致流动堵塞和效率损失，并显著影响现代航空发动机流动稳定性。本文概述了叶尖泄漏流研究意义，通过比较不同湍流模型，再次证实大涡模拟（LES）可平衡计算精度和计算成本，较为准确的计算锐缘处涡脱落的非定常特征。鉴于叶尖泄漏流的本质是压差驱动下的射流，本文采用了两种简化的泄漏流模型，应用于某多级轴流压气机中诱发声共振的叶尖非定常泄漏流研究中。之前的试验中监测到的声共振频率为5.22倍转频（RF），二维降维模型计算得到的组合频率等于5.232RF，三维简化模型计算的组合频率为5.316RF。由于模型计算结果与试验结果的相对误差小于2.0%，本文证明了简化模型的可行性，为以后研究叶轮机械叶尖泄漏流的非定常特征提供了研究支撑。
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热科学学报. 2023, 32(6): 2400-2400. https://doi.org/10.1007/s11630-023-1917-5
