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該項(xiàng)目應(yīng)用領(lǐng)域：可替代現(xiàn)有各種管殼式換熱器方案，尤其對(duì)貴重材料應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性更好，如銅管干式蒸發(fā)器、鈦管閉式冷卻器等。

管殼式換熱器在現(xiàn)代工業(yè)中占有十分重要的地位，特別是在動(dòng)力、能源、化工、空調(diào)制冷、石油、冶金、核能等工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用極為廣泛，它是工藝流程中的一種主要設(shè)備。傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器存在流動(dòng)死區(qū)，易結(jié)垢，無法充分利用傳熱面積從而導(dǎo)致傳熱系數(shù)低，壓降大，管束易產(chǎn)生流體誘導(dǎo)振動(dòng)等缺點(diǎn)。高效的管殼式換熱設(shè)備能從多方面節(jié)省能源的消耗：一方面可以節(jié)省驅(qū)使換熱器中冷熱兩種流體的運(yùn)動(dòng)所需的功耗，同時(shí)換熱面積的縮小可以減少生產(chǎn)換熱設(shè)備所需的能耗以及原材料，有效的結(jié)構(gòu)形式還可以減少換熱面結(jié)垢的可能性，延長運(yùn)行周期。因此換熱設(shè)備的高效強(qiáng)化是實(shí)現(xiàn)我國過程工業(yè)節(jié)能的關(guān)鍵因素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，管殼式換熱器大約占世界換熱器市場總份額的35–40%，且在石油、化工領(lǐng)域管殼式換熱器能占到高達(dá)70％的份額。因此對(duì)螺旋折流板管殼式換熱器進(jìn)行推廣應(yīng)用對(duì)于節(jié)能具有重要的意義，可以創(chuàng)造巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 上世紀(jì)末提出使用螺螺旋折流板支撐結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的弓形折流板支撐結(jié)構(gòu)可以顯著降低殼側(cè)壓降，也有利于強(qiáng)化換熱，具有良好的綜合性能，雖然近十余年中國內(nèi)外對(duì)于螺旋折流板管殼式換熱器開展了較多的研究，但現(xiàn)有的公開發(fā)表的資料中未見到有關(guān)螺旋折流板換熱器的完整的設(shè)計(jì)方法介紹。本技術(shù)基于本課題組大量的試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究并參考相關(guān)公開發(fā)表的文獻(xiàn)，開發(fā)一套完整的熱力設(shè)計(jì)方法和軟件。 該項(xiàng)目是在教育部重點(diǎn)課題和“973”項(xiàng)目的大力支持下，經(jīng)過多年的努力完成的。針對(duì)單殼程多管程單相介質(zhì)流動(dòng)換熱的螺旋折流板管殼式換熱器所開發(fā)的熱力設(shè)計(jì)軟件，該軟件擁有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。本軟件采用VB6.0、EXCEL2003和FORTRAN混合編程。VB形成可視化操作界面，可視化數(shù)據(jù)輸入輸出，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞功能；調(diào)用FROTRAN語言編制的可執(zhí)行程序讀取所需數(shù)據(jù)完成核心計(jì)算；調(diào)用EXCEL軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的保存和輸入輸出管理。

項(xiàng)目成果/簡介:摘要超音速旋流凈化技術(shù)是濕煙氣經(jīng)超音速分離器絕熱膨脹至超音速，降溫50-100℃后，其中夾帶的水蒸汽、SOx與溶解性鹽、凝膠粉塵、微塵等成分發(fā)生非均質(zhì)凝結(jié)后予以分離的一種新型氣體凈化技術(shù)，脫除效率最高可達(dá)90%，能夠高效地實(shí)現(xiàn)煙氣脫白。該技術(shù)同時(shí)借助多傳感器融合方法智能診斷和動(dòng)態(tài)測量流場數(shù)據(jù)，優(yōu)化煙氣“脫白”過程，必要時(shí)輔以高壓微霧增強(qiáng)技術(shù)，強(qiáng)化分離凈化效果。相較于傳統(tǒng)的電磁法、煙氣加熱法、煙氣噴淋法等脫白工藝，獨(dú)創(chuàng)的基于智能狀態(tài)檢測與診斷控制的分離效率增強(qiáng)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)煙氣的高效率穩(wěn)定脫白。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新成果與技術(shù)應(yīng)用展示本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，近十幾年一直從事超音速旋流分離技術(shù)和多相流流場參數(shù)檢測與電學(xué)成像技術(shù)的研究，已分別構(gòu)建了超音速分離裝置和電阻成像（ERT）、電容成像（ECT）及電磁（EMT）等多套系統(tǒng)。現(xiàn)有成熟技術(shù)已為國內(nèi)多家單位，如上海交通大學(xué)、北京石油化工學(xué)院、北方工業(yè)大學(xué)、太原理工大學(xué)、西門子（北京）研究院等，提供了相應(yīng)的電學(xué)成像系統(tǒng)。本項(xiàng)目中所采用的技術(shù)和提出的方法均為自主設(shè)計(jì)和開發(fā)，對(duì)于已研制超音速旋流分離技術(shù)和流場參數(shù)檢測系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵技術(shù)已申請(qǐng)了專利，具有完全的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。同時(shí)開發(fā)過程中使用的所有部件和器件沒有限制級(jí)產(chǎn)品，可避免不必要的知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭端，以及國外技術(shù)壁壘的限制。獨(dú)創(chuàng)的基于智能狀態(tài)檢測的超音速旋流凈化系統(tǒng)利用靜電（Electrical Tomography，ES）傳感器和電學(xué)層析成像（Electrical Tomography，ET）傳感器，結(jié)合多源信息融合算法，實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)氣體的非侵入式流場參數(shù)測量和狀態(tài)診斷。系統(tǒng)將檢測到的信息進(jìn)行處理和融合，分析超音速分離器內(nèi)的流場情況和濕氣出口的成分變化，并建立異常狀態(tài)檢測與診斷方法，診斷系統(tǒng)狀態(tài)。可被廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、冶金、建材、食品等工業(yè)，如煙氣脫白；石油工業(yè)中油／氣／水混輸過程；冶金、電力工業(yè)中各種氣力物料輸送過程；以及化工、醫(yī)藥、能源等領(lǐng)域中的干燥過程、混合過程、流態(tài)化過程、擴(kuò)散過程、反應(yīng)過程等普遍涉及多相流測量問題。相較于傳統(tǒng)的處理工藝，超音速旋流凈化技術(shù)中的設(shè)備可靠，工藝過程簡單，投資成本和維護(hù)成本很低。核心傳感器和技術(shù)包括靜電（Electrical Tomography，ES）傳感器、電學(xué)層析成像（Electrical Tomography，ET）傳感器和超音速旋流分離技術(shù)。靜電傳感器靜電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高，可以非侵入測量等特點(diǎn)，近幾十年來發(fā)展迅速，英國貿(mào)工部認(rèn)為在煤粉的流速、濃度或質(zhì)量流量測量手段中，靜電法是最有前途的方法之一。在檢測機(jī)理方面，目前靜電法氣固兩相流檢測可分為接觸電荷轉(zhuǎn)移法與靜電感應(yīng)法兩條路線，對(duì)于應(yīng)用最廣泛的內(nèi)壁嵌裝電極式傳感器結(jié)構(gòu)，本團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移電荷和感應(yīng)電荷經(jīng)電荷放大電路后，不僅體現(xiàn)出不同的信號(hào)波形特征，而且從頻域來看，轉(zhuǎn)移電荷形成的信號(hào)在整體信號(hào)中也占有重要比重。以此為基礎(chǔ)，提出了一系列的感應(yīng)電荷信息和轉(zhuǎn)移電荷信息的解耦方法，提高了顆粒流動(dòng)參數(shù)測量精度。本團(tuán)隊(duì)建立了帶式靜電感應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置與氣固兩相流計(jì)量實(shí)驗(yàn)裝置。帶式靜電感應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置用來模擬帶靜電顆粒流動(dòng)情況以及相關(guān)測速方法標(biāo)定。氣固兩相流計(jì)量裝置為參數(shù)可調(diào)的氣力輸送系統(tǒng)，用于氣固兩相流研究以及顆粒質(zhì)量流量計(jì)量標(biāo)定。兩套裝置計(jì)量精度均經(jīng)過了天津市計(jì)量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院的測試。圖1 靜電法技術(shù)成果展示電學(xué)層析成像傳感器電學(xué)層析成像技術(shù)類似醫(yī)學(xué)的CT技術(shù)，通過外圍測量，重構(gòu)截面電學(xué)參數(shù)（電導(dǎo)率/磁導(dǎo)率/介電常數(shù)）分布信息。電學(xué)層析成像技術(shù)根據(jù)測量模態(tài)的不同，主要分為電容層析成像技術(shù)（Electrical Capacitance Tomography，簡稱ECT）、電阻層析成像技術(shù)（Electrical Resistance Tomography，簡稱ERT）和電磁層析成像技術(shù)（Electromagnetic Tomography，簡稱EMT）。系統(tǒng)具備高速測量、多電極組合、多測量模態(tài)切換、可視化、高信噪比和可定制化等特點(diǎn)。本團(tuán)隊(duì)針對(duì)重質(zhì)劣質(zhì)油的加工轉(zhuǎn)化的核心設(shè)備——三相流化床，轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)量還存在難以突破設(shè)計(jì)瓶頸的問題，在首次提出基于TMR的磁導(dǎo)率EMT方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合ECT 和ERT 等多種模態(tài)的電學(xué)層析成像系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于電/磁雙模層析成像的高固含率氣液固三相流態(tài)化實(shí)驗(yàn)裝置，可實(shí)現(xiàn)高固含率條件下，氣液固三相的識(shí)別和分相分布參數(shù)的實(shí)時(shí)測量。圖2 電學(xué)層析成像技術(shù)成果展示圖3 ERT/ECT/EMT系統(tǒng)展示圖4 ECT對(duì)油氣潤滑系統(tǒng)中油膜厚度檢測 超音速旋流分離技術(shù)超音速旋流分離技術(shù)是結(jié)合旋流分離技術(shù)和冷凝分離技術(shù)的多組分氣體冷凝分離法，具有工藝流程簡單、穩(wěn)定性好、效率高、能耗低等特點(diǎn)，成為近二十年來非常有應(yīng)用價(jià)值和商業(yè)前景的新分離技術(shù)。該技術(shù)集膨脹機(jī)、氣液分離器和壓縮機(jī)于一體，主要由旋流發(fā)生器、超音速噴嘴、分離段和擴(kuò)壓管組成。其工作原理如下：經(jīng)過前級(jí)處理后的含濕氣體導(dǎo)入到超音速分離器內(nèi)，經(jīng)過旋流發(fā)生器，產(chǎn)生加速度為106m/s2的旋轉(zhuǎn)流場；旋轉(zhuǎn)的氣體通過拉伐爾噴管時(shí)，會(huì)絕熱膨脹至超音速，同時(shí)降溫降壓，溫度最大可降低50-100℃，低溫的流場環(huán)境能夠使氣體中的水蒸氣開始凝結(jié)產(chǎn)生相變，出現(xiàn)小液滴；在旋轉(zhuǎn)流場中，凝結(jié)產(chǎn)生的小液滴不斷碰撞、聚并，在強(qiáng)離心力的作用下，被甩至壁面，并在氣體的帶動(dòng)下，從濕氣出口排出；經(jīng)過處理的干氣在管道中心流動(dòng)，經(jīng)過擴(kuò)壓器內(nèi)降速升壓，進(jìn)行排放。本團(tuán)隊(duì)首次采用Young經(jīng)典成核理論和C-C相平衡方程推導(dǎo)獲得了水蒸汽自發(fā)凝結(jié)Wilson位置解析式，在此基礎(chǔ)上，提出了基于液滴成核和生長模型的非均質(zhì)凝結(jié)模型和跨聲速濕空氣凝結(jié)SST湍流模型，揭示了跨音速兩相凝結(jié)現(xiàn)象“非穩(wěn)態(tài)”不同振蕩模式的流動(dòng)特性，獲得了使分離效率最大化的最優(yōu)外界核心半徑，深入研究了超音速分離器的流場特性、處理效率和分離特性。圖5 超音速旋流分離器流場測量系統(tǒng)圖6 凝結(jié)液滴參數(shù)測量圖7 中國計(jì)量測試學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)圖8 超音速分離器液相分布仿真預(yù)測 針對(duì)煙氣的智能狀態(tài)檢測與診斷控制的超音速旋流凈化工藝濕法脫硫后的濕煙氣直接排放會(huì)產(chǎn)生“白色煙羽”，由于在脫硫過程中，脫硫漿液與高溫?zé)煔庵苯咏佑|，發(fā)生傳熱傳質(zhì)；一方面水分蒸發(fā)，增加煙氣的含濕量；另一方面，煙氣溫度降低，煙氣攜帶水蒸汽的能力降低。煙氣達(dá)到飽和狀態(tài)后，會(huì)攜帶部分小液滴，這些攜帶小液滴的飽和濕煙氣經(jīng)除霧器除去絕大部分液滴后，直接經(jīng)煙囪排入大氣，由于環(huán)境溫度比煙氣溫度低，飽和濕煙氣中的水分就會(huì)凝結(jié)成小液滴形成“白色煙羽”。白煙中含有較多的溶解性鹽、SO3、凝膠粉塵和微塵等成分，會(huì)造成環(huán)境污染。針對(duì)上述問題，本團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的基于智能檢測與診斷的超音速旋流凈化工藝解決了傳統(tǒng)煙氣脫白技術(shù)（如煙氣加熱方法、煙氣冷凝再加熱技術(shù)和電磁脫白技術(shù)等）成本高，工藝流程復(fù)雜，維護(hù)費(fèi)勁的問題，具有設(shè)備可靠，工藝過程簡單，投資成本和維護(hù)成本很低的特點(diǎn)。該技術(shù)主要是利用超音速旋流分離器的增速降溫原理，將煙氣中的水蒸氣進(jìn)行凝結(jié)并旋轉(zhuǎn)分離，通過引射器將液滴引至超音速分離器入口，輔以高壓微霧增強(qiáng)技術(shù)，強(qiáng)化脫白效果。在超音速分離器分離段和濕氣出口處安裝本團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的多相流可視化及參數(shù)測量系統(tǒng)（靜電層析成像系統(tǒng)和電學(xué)層析成像系統(tǒng)），結(jié)合智能化成像算法和多元信息融合算法，對(duì)管道內(nèi)煙氣的流場參數(shù)進(jìn)行非侵入式智能測量。系統(tǒng)可根據(jù)測量結(jié)果，分析超音速旋流分離器內(nèi)的流場情況和濕氣出口的成分變化，建立異常狀態(tài)檢測與診斷方法，診斷脫白系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)，指導(dǎo)引射器對(duì)液滴量引入的精確控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的煙氣脫白。圖9 針對(duì)白煙氣的智能檢測與診斷控制超音速旋流凈化工藝流程知識(shí)產(chǎn)權(quán)類型:發(fā)明專利知識(shí)產(chǎn)權(quán)編號(hào):2018114554307，2020102445880，ZL2016106973850技術(shù)成熟度:已有樣品技術(shù)先進(jìn)程度:達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平成果獲得方式:獨(dú)立研究獲得政府支持情況:國家級(jí)計(jì)劃/專項(xiàng)類別:國家自然科學(xué)基金獲得經(jīng)費(fèi):61.00萬元

摘要 超音速旋流凈化技術(shù)是濕煙氣經(jīng)超音速分離器絕熱膨脹至超音速，降溫50-100℃后，其中夾帶的水蒸汽、SOx與溶解性鹽、凝膠粉塵、微塵等成分發(fā)生非均質(zhì)凝結(jié)后予以分離的一種新型氣體凈化技術(shù)，脫除效率最高可達(dá)90%，能夠高效地實(shí)現(xiàn)煙氣脫白。該技術(shù)同時(shí)借助多傳感器融合方法智能診斷和動(dòng)態(tài)測量流場數(shù)據(jù)，優(yōu)化煙氣“脫白”過程，必要時(shí)輔以高壓微霧增強(qiáng)技術(shù)，強(qiáng)化分離凈化效果。相較于傳統(tǒng)的電磁法、煙氣加熱法、煙氣噴淋法等脫白工藝，獨(dú)創(chuàng)的基于智能狀態(tài)檢測與診斷控制的分離效率增強(qiáng)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)煙氣的高效率穩(wěn)定脫白。 團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新成果與技術(shù)應(yīng)用展示 本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，近十幾年一直從事超音速旋流分離技術(shù)和多相流流場參數(shù)檢測與電學(xué)成像技術(shù)的研究，已分別構(gòu)建了超音速分離裝置和電阻成像（ERT）、電容成像（ECT）及電磁（EMT）等多套系統(tǒng)。現(xiàn)有成熟技術(shù)已為國內(nèi)多家單位，如上海交通大學(xué)、北京石油化工學(xué)院、北方工業(yè)大學(xué)、太原理工大學(xué)、西門子（北京）研究院等，提供了相應(yīng)的電學(xué)成像系統(tǒng)。本項(xiàng)目中所采用的技術(shù)和提出的方法均為自主設(shè)計(jì)和開發(fā)，對(duì)于已研制超音速旋流分離技術(shù)和流場參數(shù)檢測系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵技術(shù)已申請(qǐng)了專利，具有完全的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。同時(shí)開發(fā)過程中使用的所有部件和器件沒有限制級(jí)產(chǎn)品，可避免不必要的知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭端，以及國外技術(shù)壁壘的限制。 獨(dú)創(chuàng)的基于智能狀態(tài)檢測的超音速旋流凈化系統(tǒng)利用靜電（Electrical Tomography，ES）傳感器和電學(xué)層析成像（Electrical Tomography，ET）傳感器，結(jié)合多源信息融合算法，實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)氣體的非侵入式流場參數(shù)測量和狀態(tài)診斷。系統(tǒng)將檢測到的信息進(jìn)行處理和融合，分析超音速分離器內(nèi)的流場情況和濕氣出口的成分變化，并建立異常狀態(tài)檢測與診斷方法，診斷系統(tǒng)狀態(tài)。可被廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、冶金、建材、食品等工業(yè)，如煙氣脫白；石油工業(yè)中油／氣／水混輸過程；冶金、電力工業(yè)中各種氣力物料輸送過程；以及化工、醫(yī)藥、能源等領(lǐng)域中的干燥過程、混合過程、流態(tài)化過程、擴(kuò)散過程、反應(yīng)過程等普遍涉及多相流測量問題。相較于傳統(tǒng)的處理工藝，超音速旋流凈化技術(shù)中的設(shè)備可靠，工藝過程簡單，投資成本和維護(hù)成本很低。核心傳感器和技術(shù)包括靜電（Electrical Tomography，ES）傳感器、電學(xué)層析成像（Electrical Tomography，ET）傳感器和超音速旋流分離技術(shù)。 靜電傳感器 靜電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高，可以非侵入測量等特點(diǎn)，近幾十年來發(fā)展迅速，英國貿(mào)工部認(rèn)為在煤粉的流速、濃度或質(zhì)量流量測量手段中，靜電法是最有前途的方法之一。 在檢測機(jī)理方面，目前靜電法氣固兩相流檢測可分為接觸電荷轉(zhuǎn)移法與靜電感應(yīng)法兩條路線，對(duì)于應(yīng)用最廣泛的內(nèi)壁嵌裝電極式傳感器結(jié)構(gòu)，本團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移電荷和感應(yīng)電荷經(jīng)電荷放大電路后，不僅體現(xiàn)出不同的信號(hào)波形特征，而且從頻域來看，轉(zhuǎn)移電荷形成的信號(hào)在整體信號(hào)中也占有重要比重。以此為基礎(chǔ)，提出了一系列的感應(yīng)電荷信息和轉(zhuǎn)移電荷信息的解耦方法，提高了顆粒流動(dòng)參數(shù)測量精度。 本團(tuán)隊(duì)建立了帶式靜電感應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置與氣固兩相流計(jì)量實(shí)驗(yàn)裝置。帶式靜電感應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置用來模擬帶靜電顆粒流動(dòng)情況以及相關(guān)測速方法標(biāo)定。氣固兩相流計(jì)量裝置為參數(shù)可調(diào)的氣力輸送系統(tǒng)，用于氣固兩相流研究以及顆粒質(zhì)量流量計(jì)量標(biāo)定。兩套裝置計(jì)量精度均經(jīng)過了天津市計(jì)量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院的測試。 圖1 靜電法技術(shù)成果展示 電學(xué)層析成像傳感器 電學(xué)層析成像技術(shù)類似醫(yī)學(xué)的CT技術(shù)，通過外圍測量，重構(gòu)截面電學(xué)參數(shù)（電導(dǎo)率/磁導(dǎo)率/介電常數(shù)）分布信息。電學(xué)層析成像技術(shù)根據(jù)測量模態(tài)的不同，主要分為電容層析成像技術(shù)（Electrical Capacitance Tomography，簡稱ECT）、電阻層析成像技術(shù)（Electrical Resistance Tomography，簡稱ERT）和電磁層析成像技術(shù)（Electromagnetic Tomography，簡稱EMT）。系統(tǒng)具備高速測量、多電極組合、多測量模態(tài)切換、可視化、高信噪比和可定制化等特點(diǎn)。 本團(tuán)隊(duì)針對(duì)重質(zhì)劣質(zhì)油的加工轉(zhuǎn)化的核心設(shè)備——三相流化床，轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)量還存在難以突破設(shè)計(jì)瓶頸的問題，在首次提出基于TMR的磁導(dǎo)率EMT方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合ECT 和ERT 等多種模態(tài)的電學(xué)層析成像系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于電/磁雙模層析成像的高固含率氣液固三相流態(tài)化實(shí)驗(yàn)裝置，可實(shí)現(xiàn)高固含率條件下，氣液固三相的識(shí)別和分相分布參數(shù)的實(shí)時(shí)測量。 圖2 電學(xué)層析成像技術(shù)成果展示 圖3 ERT/ECT/EMT系統(tǒng)展示 圖4 ECT對(duì)油氣潤滑系統(tǒng)中油膜厚度檢測  超音速旋流分離技術(shù) 超音速旋流分離技術(shù)是結(jié)合旋流分離技術(shù)和冷凝分離技術(shù)的多組分氣體冷凝分離法，具有工藝流程簡單、穩(wěn)定性好、效率高、能耗低等特點(diǎn)，成為近二十年來非常有應(yīng)用價(jià)值和商業(yè)前景的新分離技術(shù)。該技術(shù)集膨脹機(jī)、氣液分離器和壓縮機(jī)于一體，主要由旋流發(fā)生器、超音速噴嘴、分離段和擴(kuò)壓管組成。其工作原理如下： 經(jīng)過前級(jí)處理后的含濕氣體導(dǎo)入到超音速分離器內(nèi)，經(jīng)過旋流發(fā)生器，產(chǎn)生加速度為106m/s2的旋轉(zhuǎn)流場； 旋轉(zhuǎn)的氣體通過拉伐爾噴管時(shí)，會(huì)絕熱膨脹至超音速，同時(shí)降溫降壓，溫度最大可降低50-100℃，低溫的流場環(huán)境能夠使氣體中的水蒸氣開始凝結(jié)產(chǎn)生相變，出現(xiàn)小液滴； 在旋轉(zhuǎn)流場中，凝結(jié)產(chǎn)生的小液滴不斷碰撞、聚并，在強(qiáng)離心力的作用下，被甩至壁面，并在氣體的帶動(dòng)下，從濕氣出口排出； 經(jīng)過處理的干氣在管道中心流動(dòng)，經(jīng)過擴(kuò)壓器內(nèi)降速升壓，進(jìn)行排放。 本團(tuán)隊(duì)首次采用Young經(jīng)典成核理論和C-C相平衡方程推導(dǎo)獲得了水蒸汽自發(fā)凝結(jié)Wilson位置解析式，在此基礎(chǔ)上，提出了基于液滴成核和生長模型的非均質(zhì)凝結(jié)模型和跨聲速濕空氣凝結(jié)SST湍流模型，揭示了跨音速兩相凝結(jié)現(xiàn)象“非穩(wěn)態(tài)”不同振蕩模式的流動(dòng)特性，獲得了使分離效率最大化的最優(yōu)外界核心半徑，深入研究了超音速分離器的流場特性、處理效率和分離特性。 圖5 超音速旋流分離器流場測量系統(tǒng) 圖6 凝結(jié)液滴參數(shù)測量 圖7 中國計(jì)量測試學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng) 圖8 超音速分離器液相分布仿真預(yù)測  針對(duì)煙氣的智能狀態(tài)檢測與診斷控制的超音速旋流凈化工藝 濕法脫硫后的濕煙氣直接排放會(huì)產(chǎn)生“白色煙羽”，由于在脫硫過程中，脫硫漿液與高溫?zé)煔庵苯咏佑|，發(fā)生傳熱傳質(zhì)；一方面水分蒸發(fā)，增加煙氣的含濕量；另一方面，煙氣溫度降低，煙氣攜帶水蒸汽的能力降低。煙氣達(dá)到飽和狀態(tài)后，會(huì)攜帶部分小液滴，這些攜帶小液滴的飽和濕煙氣經(jīng)除霧器除去絕大部分液滴后，直接經(jīng)煙囪排入大氣，由于環(huán)境溫度比煙氣溫度低，飽和濕煙氣中的水分就會(huì)凝結(jié)成小液滴形成“白色煙羽”。白煙中含有較多的溶解性鹽、SO3、凝膠粉塵和微塵等成分，會(huì)造成環(huán)境污染。 針對(duì)上述問題，本團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的基于智能檢測與診斷的超音速旋流凈化工藝解決了傳統(tǒng)煙氣脫白技術(shù)（如煙氣加熱方法、煙氣冷凝再加熱技術(shù)和電磁脫白技術(shù)等）成本高，工藝流程復(fù)雜，維護(hù)費(fèi)勁的問題，具有設(shè)備可靠，工藝過程簡單，投資成本和維護(hù)成本很低的特點(diǎn)。 該技術(shù)主要是利用超音速旋流分離器的增速降溫原理，將煙氣中的水蒸氣進(jìn)行凝結(jié)并旋轉(zhuǎn)分離，通過引射器將液滴引至超音速分離器入口，輔以高壓微霧增強(qiáng)技術(shù)，強(qiáng)化脫白效果。在超音速分離器分離段和濕氣出口處安裝本團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的多相流可視化及參數(shù)測量系統(tǒng)（靜電層析成像系統(tǒng)和電學(xué)層析成像系統(tǒng)），結(jié)合智能化成像算法和多元信息融合算法，對(duì)管道內(nèi)煙氣的流場參數(shù)進(jìn)行非侵入式智能測量。系統(tǒng)可根據(jù)測量結(jié)果，分析超音速旋流分離器內(nèi)的流場情況和濕氣出口的成分變化，建立異常狀態(tài)檢測與診斷方法，診斷脫白系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)，指導(dǎo)引射器對(duì)液滴量引入的精確控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的煙氣脫白。 圖9 針對(duì)白煙氣的智能檢測與診斷控制超音速旋流凈化工藝流程

成果與項(xiàng)目的背景及主要用途： 流場板（雙極板）是質(zhì)子交換膜燃料電池中的重要部件。目前，質(zhì)子交換膜 燃料電池廣泛采用的流場板（雙極板）主要有機(jī)加工硬質(zhì)石墨板、機(jī)加工金屬板 和注塑碳-塑復(fù)合材料雙極板三種類型。這三類流場板各有顯著的優(yōu)點(diǎn)，但是各 自的缺點(diǎn)也較突出。 為實(shí)現(xiàn)燃料電池商品化，需要更低成本和更適應(yīng)批量化生產(chǎn)的流場板。為此， 我們開發(fā)了基于天然鱗片石墨材料和模壓成型工藝的復(fù)合石墨流場板技術(shù)。經(jīng)過 努力研究，現(xiàn)在形成的技術(shù)可以大幅度降低流場板的材料成本和加工成本，實(shí)現(xiàn) 高生產(chǎn)率，同時(shí)使導(dǎo)電率（>10S/cm）、氫氣透過系數(shù)（<1×10-4 cm3 /s.cm2）、 熱傳導(dǎo)系數(shù)（>20W/m.K）以及抗壓強(qiáng)度（>10MPa）等指標(biāo)均滿足雙極板材料性 能的要求。 復(fù)合石墨流場板的主要用途是作為質(zhì)子交換膜燃料電池的雙極板。 技術(shù)原理與工藝流程簡介： 92天津大學(xué)科技成果選編 技術(shù)原理： 復(fù)合石墨流場板主要由天然鱗片石墨和聚合物組成。天然鱗片石墨具有良好 的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，且化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕，從而保證復(fù)合流場板具有良好的 導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能。聚合物的添加可以提高復(fù)合流場板的強(qiáng)度，并且使復(fù)合板阻氣 性能得到改善，以實(shí)現(xiàn)雙極板分隔氧化劑和還原劑的功能和滿足燃料電池堆對(duì)雙 極板機(jī)械性能的要求。 工藝流程：配料→裝料→升溫→模壓→降溫→脫模→成品 技術(shù)水平及專利與獲獎(jiǎng)情況： 目前已開發(fā)和制備出工作面積為 100mm×100mm 的流場板。并可根據(jù)需要 加工具有不同尺寸和流場形式的流場板。 應(yīng)用前景分析及效益預(yù)測： 隨著能源的消耗持續(xù)增長，能源短缺問題日益凸現(xiàn)。燃料電池的發(fā)展必然受 到越來越廣泛的重視。質(zhì)子交換膜燃料電池是目前應(yīng)用前景最廣且發(fā)展最快的一 類燃料電池。隨著質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展和普遍應(yīng)用，復(fù)合石墨流場板因價(jià) 格低和適應(yīng)批量生產(chǎn)的優(yōu)勢顯示出巨大的市場潛力和經(jīng)濟(jì)競爭力。 應(yīng)用領(lǐng)域：質(zhì)子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池及其它電化學(xué)反應(yīng)器。 合作方式及條件：面議

1、改進(jìn)傳統(tǒng)燃燒器擴(kuò)口設(shè)計(jì)，形成多個(gè)擴(kuò)口小片層疊布置的角度可調(diào)的擴(kuò)口，從而改變噴口火焰的形狀。 2、改進(jìn)齒形環(huán)的設(shè)計(jì)，可以在線調(diào)節(jié)齒形環(huán)位置和角度，使得氣流之間的混合過程得以調(diào)節(jié)。 3、燃燒穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)低于 50%負(fù)荷穩(wěn)燃，燃煤時(shí) NOx 原始排放可<200mg/m3。 4、具有廣泛的燃料適應(yīng)性，在不改變結(jié)構(gòu)的時(shí)候可以同時(shí)適用于 Vdaf=15~35%之間的煤種。

本項(xiàng)目響應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)節(jié)能傳熱設(shè)備需求量日益增長的發(fā)展機(jī)會(huì)，充分利用我們?cè)诟咝Ч?jié)能設(shè)備研制和產(chǎn)業(yè)化方面的成功經(jīng)驗(yàn)，自主研制新型扭曲管換熱器，并實(shí)現(xiàn)扭曲管換熱器制造產(chǎn)業(yè)化。本項(xiàng)目通過采用扭曲管可以使換熱器傳熱能力增加10％-20％，殼程阻力下降50-70%，將大幅度提高扭曲管換熱器的節(jié)能潛力，實(shí)現(xiàn)節(jié)能25-35%。扭曲管換熱器提升了我國新型高效節(jié)能設(shè)備的整體技術(shù)水平和市場競爭力。在扭曲管換熱器內(nèi)，由于殼程為螺旋流，大大增強(qiáng)了殼程的湍流度，從而強(qiáng)化了殼程傳熱；由于扭曲管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即使管程為高粘度流體或流速較低時(shí)，也會(huì)獲得很高的湍流度。由于管子之間的多點(diǎn)自支撐結(jié)構(gòu)，省去了折流板，實(shí)現(xiàn)了流體縱向流，流動(dòng)分布和流速比較均勻，消除了換熱管振動(dòng)問題。由于殼程采用無折流板結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了全程縱向流，使得殼程壓降大大降低；同時(shí)由于分布均勻，沒有流動(dòng)死區(qū)，有效傳熱面積大大增加。這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，大大強(qiáng)化了換熱器的傳熱系數(shù)。由于流速均勻、無死區(qū)，而且管壁溫度比較均勻，大大降低了結(jié)垢的可能性。無振動(dòng)、少結(jié)垢，從而延長了維修周期，降低了維修費(fèi)用。該技術(shù)不改變換熱器的外形結(jié)構(gòu)，保留了管殼式換熱器的特點(diǎn)，具有易于推廣的特點(diǎn)，具備較好的工業(yè)應(yīng)用前景。目前已做了大量的前期開發(fā)準(zhǔn)備及示范工程。

項(xiàng)目簡介 雙向旋流強(qiáng)化絮凝一體化污水凈化器占地面積小、能耗低、可在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)合 流制排水管網(wǎng)污水、生活污水等的多級(jí)凈化快速處理。設(shè)計(jì)、開發(fā)了一種具有雙旋流室 的新型雙向旋流凈化器，利用 Fluent 流體動(dòng)力學(xué)軟件，采用改進(jìn)的 k-ε 雙方程模型對(duì) 雙向旋流凈化器內(nèi)速度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，根據(jù)流場模擬結(jié)果對(duì)雙向旋流凈化器進(jìn)行了 改進(jìn)，在上旋流室中安裝了多圈截頭圓錐板，使水流上升時(shí)形成較小的漩渦，加強(qiáng)了顆 粒運(yùn)動(dòng)的紊亂程度，提高了絮凝效果。已完成凈化器

本成果深入研究和發(fā)展了微膜蒸發(fā)傳熱新機(jī)理，在國內(nèi)外首次發(fā)現(xiàn)了傳熱亢進(jìn)現(xiàn)象，采用狹縫結(jié)構(gòu)和有效的補(bǔ)液措施發(fā)明了類環(huán)狀流微膜蒸發(fā)板翅式冷凝蒸發(fā)技術(shù)，成為第六代制氧裝置的關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)用該技術(shù)在國際上首先研制出空分精鎦裝置的心臟?新型主冷凝蒸發(fā)器正式產(chǎn)品，已配置30套150m3/h制氧裝置，配置12000m3/h和6000m3/h制氧裝置各一套，其體積和重均比老產(chǎn)

本發(fā)明公開了一種兩級(jí)可調(diào)的水蒸汽等離子體旋流燃燒器，包括第一級(jí)等離子體點(diǎn)火裝置、第二級(jí)等離子體調(diào)節(jié)器和水蒸汽供氣系統(tǒng)。第一級(jí)等離子體點(diǎn)火裝置包括一次風(fēng)管道、內(nèi)燃燒室、濃淡分離器、旋流發(fā)生器、第一級(jí)水蒸汽進(jìn)氣管道、中心風(fēng)管道和第一級(jí)等離子體發(fā)生器；第二級(jí)等離子體調(diào)節(jié)裝置包括第二級(jí)水蒸汽進(jìn)氣管道、第二級(jí)等離子體發(fā)生器、內(nèi)二次風(fēng)進(jìn)氣管道和外二次風(fēng)進(jìn)氣管道。本發(fā)明通過兩級(jí)水蒸汽等離子體發(fā)生器解決燃燒難以穩(wěn)定和NOx污染物排放高的問題。特別適用于貧煤、無煙煤等難以著火點(diǎn)燃、NOx 生成量高的煤種，具有低氮穩(wěn)燃的效果。