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工程热物理所在超临界能源系统研究方面取得重要进展

  
  近日,由中科院工程热物理所储能研发中心陈林研究员主持编辑的超临界流体能源系统方面的英文专著《Handbook of Research on Advancements in Supercritical Fluids Applications for Sustainable Energy Systems》(两卷本)顺利在美国IGI Global出版社出版。该书是国际上第一部关于超临界流体应用于能源化工系统方面的专著,是由中国科学家领衔、各国权威专家通力合作的成果。它的出版显示了已中科院工程热物理所为代表的中国科研机构在该领域的重要研究实力和国际影响力。近年来,工程热物理所在该领域的重点方向上,特别是在大型跨临界设备、布雷顿循环及电力循环中适用的紧凑式超临界换热器设计、超临界系统装备制造、超/近临界环境化工过程中取得了一系列创新成果,成为中科院在超临界流体战略技术的重点突破方向之一。

  超临界流体技术凭借其在能源动力领域的重大潜力,被称作是下一代“战略技术”。以布雷顿循环为代表的超临界动力循环及高温热利用等技术近年来在国际上已成为前沿热点,并逐步从基础数据积累进入到兆瓦级商业系统开发的阶段。不仅如此,流体在跨越临界区域时的相变过程和机理研究对许多关键领域的突破都十分重要,如超临界发电、太阳能热利用、新一代核能系统、航空航天工程、规模化储能、精细化工及材料工程等。具体而言,绝大多数跨临界热力和化工系统都需要面对流体跨越临界区域发生相态转变的过程。特别是在靠近热力工质临界点附近区域,由于流体热物性的强烈非线性震荡所引起的一系列复杂热力过程,是影响跨临界和超临界系统稳定性和能量转化、存储效率的关键因素。

  该书共包含四个板块共22章,汇集了国内外在超临界流体领域的代表性团队近年来的系列研究成果,系统介绍了超临界流体热物理基础理论、小尺度对流传热及器件设计、超临界和跨临界热力循环系统设计以及超临界流体在代表性能源动力系统中应用等。该书的出版获得了包括来自法国巴黎高等物理化工学院(居里夫妇的母校)的Daniel A. Beysens教授、日本同志社大学Hiroshi Yamaguchi教授、东京大学Eiji Hihara教授、俄罗斯科学院Yuri A. Zeigarnik教授和Vladimir I. Anikeev教授、加拿大安大略理工大学Igor Pioro教授、德国卡尔斯鲁厄理工学院Thomas Schulenberg教授等专业领域国际学术权威的大力支持。同时,该书也包含了来自西安热工研究院、中国核动力研究设计院、重庆大学及澳门十大娱乐网址大全工程热物理研究所等国内领先团队的研究成果。日本京都大学Akira Onuki教授应邀为本书撰写序言并指出本书“汇集了最优秀的学者”、并且“是超临界流体领域非常及时而且重要的著作,因为它包含了从流体基础到能源系统应用等几个极其重要的课题”。

  超临界流体领域的核心难点在于流体跨越临界区域时的相态变化及能质传递机制,是亟待突破的前沿领域。陈林研究员近年来的工作集中于这一特殊流体参数区域的热力学分析。这一区域内流体跨临界过程中同时受到热-声作用的影响,表现为密度、比热容及其他参数独特的演化特性。本书第3章介绍了我所团队在微小通道内超临界CO2流体流动传热特性方面的结果。在微通道等受限制的几何条件下,流体气相、液相和超临界相之间的相态相互转化过程对外部参数条件、变化的始-终路径以及流体特殊的热物理性质参数具有较大的依赖。通过构建微小通道内瞬态热扰动模型,研究团队获得了超临界流体的小尺度反馈规律并进一步总结了超临界流体微尺度热-机械作用产生扰动强化和换热强化的机制。本章的研究中将其归结为可压缩流体微槽道Kelvin-Helmholtz流动不稳定性,为进一步理解微尺度下超临界流体流动传热稳定性问题提供了新思路。

  另外,在超/跨临界热力系统研究中,往往具有高热流密度、大温差区间和复杂对流情景,使得临界区域流体传热与相变过程细节掩盖在临界区域震荡和对流传热不稳定现象当中。本书第5章介绍了陈林研究员和印度理工学院P.K. Basu教授合作针对局部浮力效应与热加速现象对超临界区域流动换热,特别是湍流流动换热的影响。本书第7章介绍了工程热物理所团队进一步针对该问题在超临界流体自然循环及其在能源系统中基础传热和循环流动规律的探索:在国际上首次揭示了密闭回路中近临界流体自然对流流动、传热稳定性的规律及机制和预测关联式,在此基础上提出了稳定性反馈、安全控制及优化管理方法。

  近期,陈林研究员正集中于发展多相位重构激光测试等方法用于超临界系统的高精度定量测量方面(近期论文Kanda & Chen, et al. Int. Commu. Heat Mass Transf., 89, 2017, pp. 57-63; Chen et al., Int. J. Heat Mass Transf., 155, 2020, 119684; Tran and Chen, ASME - J. Fluids Eng., 142(11), 2020, 111503),期望通过对超临界流体界面传递的可视化研究,进一步解决跨临界系统机理“看不清”、“测试难”的课题。

   

  Book title: Handbook of Research on Advancements in Supercritical Fluids Applications for Sustainable Energy Systems (2 Volumes)

  Editors: Dr. Lin Chen

  Publisher: IGI Global, Hershey, PA, USA (August 2020; 821 pages)

  ISBN13: 9781799857969; EISBN13: 9781799857983

  DOI: 10.4018/978-1-7998-5796-9

  https://www.igi-global.com/book/handbook-research-advancements-supercritical-fluids/253256

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