南华大学-热电转换实验
多晶碲化铋基热电材料制备及性能测试
多晶碲化铋基热电材料制备及性能测试郭亮;王凤美;米涛【摘要】温差发电是利用半导体热电材料的塞贝克效应,将热能直接转化为电能的电源装置.针对单晶碲化铋材料机械性能差的缺点,采用机械合金和放电等离子体烧结法制备了具有良好机械性能的多晶碲化铋基热电材料及其模块,无量纲优值分别达到1.10(p型)和1.08(n型).并对温差发电模块的输出性能进行了测试,结果说明在温差为178 K时,输出功率达到约8.2 W,对应模块的功率密度约为0.51 W/cm2.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2019(043)008【总页数】4页(P1370-1372,1390)【关键词】温差发电;多晶碲化铋;机械合金;输出功率【作者】郭亮;王凤美;米涛【作者单位】北华航天工业学院,河北廊坊065000;北华航天工业学院,河北廊坊065000;北华航天工业学院,河北廊坊065000【正文语种】中文【中图分类】TM913半导体温差发电(TEG)具有以下独特优点：(1)无机械运动部件、可靠性高；(2)无泄漏、无排放，环境友好；(3)结构紧凑、易于小型化和微型化；(4)易维护、使用寿命长等。
在微电子、光电子器件的恒温和冷却、深空探测、国防军工、家电以及节能环保等许多领域都有非常广阔的应用前景。
温差发电模块(TM)作为RTG的核心部件，是利用半导体热电材料的塞贝克效应，将热能直接转化为电能的基本装置，主要包含半导体p-n热电元件、电极和陶瓷基底等部件。
输出功率和面积比功率作为温差发电模块的重要性能指标，主要受热电材料物理参数[1]、热电元件构型[2]、热/电接触特性[3]、负载和工作温差等因素的影响。
碲化铋基(Bi2Te3-based)材料是目前低温条件下(573 K以下)使用的最佳热电材料[4]，是由VA、VIA族元素组成的金属间化合物。
其结构沿C轴方向可视为六面体准层状，如图1所示。
在该结构的同一层上，具有相同的原子种类，层与层之间呈-Te-Bi-Te-Bi-Te-的原子排列方式。
环境工程原理能量转换实验
环境工程原理能量转换实验
环境工程原理的能量转换实验可以包括以下几个方面的内容：
1. 光能转化实验：通过太阳能光伏电池将光能转化为电能。
可以使用太阳能光照下的电池板，在不同光照强度下测量电池输出的电能。
2. 风能转化实验：利用风能发电机将风能转化为电能。
在实验中可以使用风能发电机模型或小型风力发电机，根据风速和转速的关系测量风能转化效率。
3. 水能转化实验：使用水力发电机将水能转化为电能。
可以使用小型水力发电机模型，在不同水流强度下测量水能转化的效率。
4. 热能转化实验：通过热电偶或热电堆将热能转化为电能。
实验中可以使用热源和冷源，通过热电偶或热电堆将温差能转化为电能。
5. 生物能转化实验：通过生物发酵或生物转化过程将生物能转化为电能。
可以使用厌氧发酵罐等设备，观察生物过程中产生的电能。
在以上的实验中，需要测量能量输入和输出的参数，如光照强度、风速、水流速度、温差等，并计算能量转换的效率。
实验中还需要使用安全措施，并注意环保和资源节约。
太阳能相变炕影响因素分析及热工性能模拟
第37卷第2期2023年4月南华大学学报(自然科学版)Journal of University of South China(Science and Technology)Vol.37No.2Apr.2023收稿日期:2022-12-06基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目(51708272)作者简介:李光辉(1997 ),男,硕士研究生,主要从事建筑节能方面的研究㊂E-mail:2593036258@㊂∗通信作者:罗清海(1969 ),男,教授,博士,主要从事建筑环境控制与节能方面的研究㊂E-mail:673808769@DOI :10.19431/ki.1673-0062.2023.02.009太阳能相变炕影响因素分析及热工性能模拟李光辉1,罗清海1∗,龙正熠1,涂㊀敏1,漆㊀波2(1.南华大学土木工程学院,湖南衡阳421000;2.南华大学机械工程学院,湖南衡阳421000)摘㊀要:本文设计了一种太阳能热水供热与相变蓄热组合的热炕供热系统,为提高蓄热炕的热响应,配置了高导热复合相变材料,利用数值模拟对炕体单元进行三维非稳态瞬态传热模拟㊂通过控制变量法,对太阳能相变蓄热炕的相变材料导热系数㊁相变温度㊁相变潜热等炕体热工特性影响因素进行模拟分析,得出:相变材料导热系数㊁供水温度㊁相变潜热对相变炕的热响应时间影响显著,且相变潜热决定放热时长,相变温度㊁相变温度范围对相变炕的垫面温度有明显影响㊂最后,以十二水磷酸氢二钠复合相变材料作为炕体的蓄热材料,对炕体进行蓄放热模拟设计,发现垫面温度昼间可达到17.1ħ,夜间可达到30.3ħ,可以很好地满足居民的热舒适要求㊂关键词:太阳能;相变蓄热炕;复合相变材料;数值模拟;热响应时间中图分类号:TU832.1文献标志码:A文章编号:1673-0062(2023)02-0061-07Analysis of Influencing Factors and Thermal Performance Simulation ofSolar Phase Change KangLI Guanghui 1,LUO Qinghai 1∗,LONG Zhengyi 1,TU Ming 1,QI Bo 2(1.School of Civil Engineering,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China;2.College of Mechanical Engineering,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China)Abstract :In this paper,a hot kang heating system combining solar hot water heating with phase change heat storage is designed.In order to improve the thermal response of the heat storage kang,a high thermal conductivity composite phase change material is configured,and the three-dimensional unsteady transient heat transfer simulation of the kang unit is carried out by numerical simulation.Through the control variable method,the factors in-fluencing the thermal characteristics of the solar energy phase-change heat storage kang,16Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第37卷第2期南华大学学报(自然科学版)2023年4月such as thermal conductivity,phase-change temperature and phase-change latent heat,aresimulated and analyzed.The results show that thermal conductivity,water supply tempera-ture and phase-change latent heat of the solar energy phase-change heat storage kang havesignificant effects on the thermal response time of the phase-change kang,and the phase-change latent heat determines the heat release time,and the phase-change temperature andphase-change temperature range have significant effects on the surface temperature of thephase-change kang.Finally,taking disodium hydrogen phosphate dodecahydrate compositephase change material as the heat storage material of the kang body,a24-hour heatstorage and release simulation design of the kang body is carried out,and it is found thatthe temperature of the mat surface can reach17.1ħin the daytime and30.3ħat night,which can well meet the thermal comfort requirements of residents.key words:Solar energy;phase change heat storage kang;composite phase change materi-als;numerical simulation;thermal response time0㊀引㊀言在北方农村,炕是居民日常起居及活动的重要设施,传统火炕存在炕面温度不均匀[1]㊁室内环境差㊁能源利用效率低等弊端㊂随着人居环境要求的提高,对传统火炕的改造和研究日益受到重视;其中,以太阳能为能量源结合相变材料实现长时蓄热的改造方式具有很好的应用效果㊂相变蓄热炕的相关研究表明,石蜡-混凝土炕与纯石蜡炕的供热效果接近,炕面平均温度可达33.29ħ,但初投资比其节省30%[2];梯级相变蓄热炕体的蓄热量㊁放热热流密度均高于单级相变蓄热炕体[3];但使用较低导热系数相变材料作为炕体的蓄热材料,致使蓄热时间较长㊂复合相变材料的相关研究不断深入,应用范围不断拓展㊂以十二水磷酸氢二钠为相变基体,以膨胀石墨为导热增强剂,以九水硅酸钠为成核剂,制备的复合相变材料性能稳定㊁良好,其相变温度为33.6ħ,相变潜热为220J/g,导热系数为2.42W/(m㊃K)[4]㊂在石蜡-膨胀石墨复合相变材料的基础上掺杂碳纳米管进一步提升复合相变材料导热系数近1倍,达到4.106W/(m㊃K),而对复合相变材料的相变潜热基本无影响[5]㊂本文设计了一种太阳能热水供应与相变蓄热炕组合系统,通过Fluent建立三维炕体单元传热模型,分析炕床相变材料导热系数㊁相变潜热㊁相变温度㊁相变温度范围㊁床垫导热系数等参数对炕床热工性能的影响;然后以十二水磷酸氢二钠-膨胀石墨复合相变材料为蓄热材料,对太阳能相变蓄热炕的工作性能进行模拟分析㊂1㊀太阳能供热相变蓄热炕系统图1为太阳能热水供应与相变蓄热炕组合式系统示意图,粗实线为水循环管路,细实线为控制线路㊂集热循环采用温差控制,即通过控制器实现由集热器水温与水箱水温控制循环启闭;自来水经太阳能集热器加热,热水进入保温水箱;当用户需要生活用水或炕体供热时,保温水箱内的热水经过电加热,电加热保证进入炕体及生活用水的水温最低为45ħ;炕体供热与生活用水的切换,通过控制器每日定时段切换开关来实现,生活用水在循环末端直接供给用户使用,炕体循环后的水再次进入到保温水箱㊂图1㊀组合系统工作原理图Fig.1㊀Schematic diagram of the combined system26Copyright©博看网. All Rights Reserved.第37卷第2期李光辉等:太阳能相变炕影响因素分析及热工性能模拟2023年4月2㊀太阳能供热相变蓄热炕模型2.1㊀物理模型㊀㊀如图2,太阳能相变蓄热炕的炕体尺寸为2000mm ˑ1200mm ˑ10mm,不锈钢箱体结构;炕体内部通过毛细管供热,支管间距为10mm,尺寸为4.3mm ˑ0.8mm,主管在炕体外部两侧,由保温材料包覆;铝塑管与炕板之间填充十二水磷酸氢二钠-膨胀石墨复合相变材料㊂炕体上表面覆盖厚度20mm 的床垫,其主要成分为棉花,物性参数为密度117kg /m 3,导热系数0.049W/(m㊃K)[6]㊂因支管的直线长度远大于热水管直径,且毛细管网可较好地保证各支管同一纵向处的水温一致,所以本文在三维炕体模型中截取单个炕体单元模型来模拟太阳能蓄热炕的热工性能,如图3(a),并利用结构化网格技术(intergovernmentalcommittee for european migrations,ICEM)对炕体单元采用三次O 型剖分进行结构化网格划分,如图3(b)㊂图2㊀太阳能相变蓄热炕模型图Fig.2㊀Model diagram of solar phase changeheat storagekang图3㊀炕体单元及结构化网格图Fig.3㊀Kang body unit and structured grid diagram2.2㊀数学模型2.2.1㊀基本假设本文在数值模拟过程中采用瞬态求解器,开启Solidication /Melting 模型㊁能量方程㊁层流模型;床垫上表面与空气进行对流换热,对流换热系数为5W /(m 2㊃K),模型不同区域接触面设置为耦合面㊂同时作出如下假设:1)床垫表面与室内空气的热交换简化为自然对流;2)相变材料与毛细管网㊁相变材料与炕板㊁炕板与床垫充分接触;3)炕体底面及四周由保温材料包覆与外界无热交换㊂2.2.2㊀控制方程对于相变区域,凝固融化能量方程为:∂∂τ(ρH )+∇㊃(ρνH )=∇㊃(λΔT )+S (1)式中:τ为时间,s;ρ为密度,kg /m 3;H 为流体的焓,J /kg;v 为流体速度,m /s;λ为导热系数,W /(m㊃K);ΔT 为相变温差,K;S 为源项㊂能量方程中,流体焓值H 是显热焓h 和潜热焓之和,其中显热焓h 的表达式:h =h 0+Δh h 0=h r +ʏT T 1C p d T Δh =βL üþýïïïï(2)式中:h 0为参考焓,kJ /kg;T 为参考温度,K;C p 为36Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第37卷第2期南华大学学报(自然科学版)2023年4月常压下的比热容,kJ /(kg㊃K);Δh 为潜热焓值㊂L 为相变潜热,J /kg;β为相变材料液孔隙率㊂使用熔-孔隙率模型来模拟相变材料熔化过程,将相变区域看成多孔介质,用孔隙率β来描述相变材料的相态㊂β=1表示相变材料处于液态,β=0表示相变材料处于固态,而0<β<1表示相变材料处于固液混合态㊂β定义如下:β=0T <T S β=1T <T l β=T -T S T l -T ST S ɤT ɤT l üþýïïïïï(3)式中:T S 为相变材料的凝固温度,K;T l 为相变材料的熔化温度,K㊂3㊀太阳能相变蓄热炕热工性能影响因素分析㊀㊀对于太阳能相变蓄热炕,相变材料㊁供水温度都会影响其蓄放热性能;本文设定进口水温为40ħ,水速为0.1m /s,相变材料的相变温度为35ħ(相变温度范围为(35ʃ2)ħ,无过冷度)㊁相变潜热为100J /g㊁床垫导热系数为0.049W/(m㊃K)㊁相变材料导热系数为1W /(m㊃K)等基本参数,通过控制变量法来探究各影响因素对太阳能相变蓄热炕蓄放热性能的影响,各影响因素见表1㊂表1㊀太阳能相变蓄热炕影响因素参数设定Table 1㊀Parameter setting of influencing factors of solar phase change heat storage kang序号因素1:供水温度/ħ因素2:相变潜热/(J㊃K -1)因素3:相变温度/ħ因素4:相变温度范围/ħ因素5:相变材料导热系数/(W㊃m -1㊃K -1)138502826~380.52401003230~3813421503634~38 1.544420023.1㊀供水温度对太阳能相变炕性能的影响图4为不同供水温度对炕体蓄放热性能的影响㊂模拟发现:在蓄热阶段,随着供水温度的升高,垫面温度达到稳定的时间分别在100min㊁70min㊁50min㊁40min 附近,随着供水温度的升高,炕体完成蓄热时间缩短,垫面温度也在升高;在放热阶段,供水温度越高,供热前后的垫面温差就越大,但对放热时长并无明显影响㊂故供水温度的选择不宜过高,满足高于相变材料融化结束点(37ħ)3~5ħ炕体的热响应时间就已有明显缩短㊂图4㊀因素1垫面温度变化图Fig.4㊀Factor 1mat surface temperature change chart3.2㊀相变潜热对太阳能相变炕性能的影响图5是在相变材料用量一定的条件下,相变材料不同相变潜热值对炕体蓄放热性能的影响㊂在蓄热阶段,随着相变材料潜热值的增加,垫面稳定达到稳定时间分别在40min㊁60min㊁90min㊁120min 附近,垫面温度基本无变化;在放热阶段,相变潜热值对放热时长影响明显,相变潜热值越大,供热时长越长㊂故在满足供热要求的条件下,相变材料潜热值越大,所需相变材料越少,有利于节省成本,简化结构㊂图5㊀因素2垫面温度变化图Fig.5㊀Factor 2mat surface temperature change chart46Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第37卷第2期李光辉等:太阳能相变炕影响因素分析及热工性能模拟2023年4月3.3㊀相变温度对太阳能相变炕性能的影响图6为相变材料不同相变温度对炕体蓄放热性能的影响㊂在蓄热阶段,相变温度越高,垫面温度达到稳定的时间分别在80min㊁50min㊁40min 附近,这是因为相变温度与供水温度的温差增大使得蓄热时间缩短;在放热阶段,相变温度高的炕体垫面平均温度高,放热时间短,相变温度低的垫面温度低,放热时间长,这是因为相变温度低的炕体与室内空气的温差小,换热量少,所以蓄热时间长,故相变温度是垫面温度的主要影响因素,对于相变温度的选择需使垫面温度达到人体热舒适性要求㊂图6㊀因素3垫面温度变化图Fig.6㊀Factor 3mat surface temperature change chart3.4㊀相变温度范围对太阳能相变炕性能的影响图7为相变材料不同相变温度范围对炕体蓄放热性能的影响㊂模拟发现:在蓄热过程中,随着相变温度范围的增大垫面稳定达到稳定时间分别在90min㊁60min㊁55min 附近,这是因为随着相变温度范围的增大相变材料开始融化的温度较低,此时相对于供水温度的温差较大,相变材料融化快,整体的蓄热时间短;在放热过程中,相变温度范围越大,相变材料放热的时间就越长,但相变材料放热起止点的垫面温差也就越大,故炕体的相变材料应尽可能选择相变温度范围小的相变材料作为炕体的蓄热材料㊂3.5㊀相变材料导热系数对太阳能相变炕性能的影响图8为相变材料不同导热系数对炕体蓄放热性能的影响㊂在蓄热阶段,不同导热系数相变材料的炕面平均温度达到基本稳定的时间分别在80min㊁70min㊁60min 附近,故增大相变材料导热系数可在一定程度上减少太阳能蓄热炕的热响应时间,但当相变材料导热系数达到1.5W/(m㊃K),继续增加相变材料导热系数,炕体的蓄热时间基本无减少;在放热阶段,导热系数对炕体的放热时长并无明显影响,对潜热放热时维持的垫面温度影响不明显,故对于相变材料选择,导热系数达到1.5W /(m㊃K)即可,继续增大相变导热系数对缩短炕体蓄热时间无明显影响㊂图7㊀因素4垫面温度变化图Fig.7㊀Factor 4mat surface temperature changechart图8㊀因素5垫面温度变化图Fig.8㊀Factor 5mat surface temperature change chart综上,相变材料导热系数㊁相变材料相变潜热及供水温度对太阳能相变炕的热响应时间有显著影响,相变材料导热系数在一定范围内越大㊁相变潜热值越小㊁供水温度越高,垫面的热响应时间就越短,但相变潜热越小,太阳能水暖炕的放热时长56Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第37卷第2期南华大学学报(自然科学版)2023年4月就越短㊂另外,相变材料的相变温度决定了垫面温度,相变温度范围影响垫面的温度变化㊂故太阳能相变蓄热炕供水温度应选择高于相变材料融化结束点3~5ħ㊁相变温度较高㊁相变温度范围小㊁高潜热㊁较高导热的相变材料㊂4㊀太阳能相变炕24h 蓄放热性能模拟4.1㊀基础数据实测图9为山东省德州市某农宅卧室日平均温度数据,通过带有自制防辐射罩的热电偶与玻璃温度计测量,测定位置为卧室中央,距地1.5m 处;17日之前为房间未采取供暖措施的室内温度数据,平均温度为7.5ħ;17日及之后为房间采取供暖的室内温度数据,所测室内温度范围在7~16ħ之间,跨度较大,这是因为农村供暖有很大的主观性㊂图9㊀室内日平均温度曲线图Fig.9㊀Indoor average daily temperature curve在冬季,居民在不同的室温下所覆盖的被子层数也不一致,目的是获得较为舒适的被窝温度,故夜间被窝温度取29ħ[7],昼间室温为7.5ħ,对炕体在24h 内的工作性能进行模拟分析㊂4.2㊀24h 炕体蓄放热性能模拟分析因北方农村居民在白天11h 的时间内有70%的时间在起居室活动[8],故对炕体进行24h供热周期模拟设计,通过查询典型年气象数据,发现德州市的日太阳辐射最大量主要集中在11时至13时,所以以12时到次日12时为一个蓄放热周期进行模拟设计,其中,每日22ʒ00至次日7ʒ00为夜间工况㊂如图10所示,太阳能相变蓄热炕24h 运行下的垫面平均温度及平均液相分数变化情况,其中Ⅳ阶段为夜间工况,Ⅰ㊁Ⅱ㊁Ⅲ㊁Ⅴ阶段为昼间工况㊂各阶段的炕体运行状况如下:Ⅰ阶段为蓄热阶段,在供水温度为45ħ毛细管网的供热下,太阳能相变蓄热炕经过120min完成蓄热,此阶段相变材料蓄热方式为显热和潜热蓄热,蓄热完成平均液相分数达到1,即相变材料已经完全融化,此时炕面温度达到44.0ħ,垫面温度为19.5ħ㊂Ⅱ阶段为显热放热阶段,在图中可以看出停止加热后的炕面㊁垫面温度快速下降,这是因为相变材料的凝固起始点低于融化起始点,且十二水磷酸氢二复合相变材料导热系数较高,故温度下降明显㊂Ⅲ阶段进入潜热放热阶段,此阶段相变材料开始凝固,相变材料液相分数开始降低,相变材料开始潜热放热,所以垫面温度下降较缓,此时垫面温度为17.1ħ㊂Ⅳ阶段进入夜间工况,此时垫面温度升高是因为与垫面对流换热的区域变为被窝微环境,被窝内的温度较高,所以垫面温度升高,此时垫面温度达到30.3ħ,垫面温度在人体舒适睡眠温度范围内,Ⅳ阶段结束时的相变材料平均液相分数为0.57㊂Ⅴ阶段进入昼间工况,经过一个蓄放热周期,此时在昼间无供暖的环境下垫面温度最终仍能维持15.1ħ,相变材料的平均液相分数为0.34㊂图10㊀炕、垫面温度及平均液相分数变化图Fig.10㊀Variation diagram of temperature and averageliquid fraction on kang and cushion surface对太阳能相变蓄热炕进行24h 运行过程中,垫面温度满足人体热舒适要求,十二水磷酸氢二66Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第37卷第2期李光辉等:太阳能相变炕影响因素分析及热工性能模拟2023年4月钠-膨胀石墨复合相变材料可较好的应用于太阳能相变蓄热炕,使太阳能相变炕具有较好的蓄放热性能㊂5㊀结㊀论1)将太阳能热水供应与相变蓄热炕相结合,系统兼顾卫生热水供应和炕体相变蓄热的需要,从而提高系统性能和效益,为北方农村地区传统火炕绿色㊁节能改造提供了参考㊂2)探究了太阳能相变蓄热炕各影响因素对炕体蓄放热性能的影响,得出:太阳能相变蓄热炕应选择高于相变材料融化结束点3~5ħ的供水温度,选择相变温度较高㊁相变温度范围小㊁高潜热㊁较高导热的相变材料㊂3)选取十二水磷酸氢二钠-膨胀石墨复合相变材料作为炕体的蓄热材料,通过对炕体的24h 蓄热放热性能模拟分析表明:太阳能相变蓄热炕的垫面温度昼间可达到17.1ħ,夜间可达到30.3ħ,可以很好地满足居民的热舒适要求㊂参考文献:[1]李刚,李小龙,李世鹏,等.太阳能辅助火炕供暖系统热工性能[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版), 2014,30(2):305-311.[2]黄超,郑辉,杨振民,等.石蜡复合混凝土太阳能相变蓄能炕系统的热性能研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2018,50(1):111-116. [3]宗弘盛,杨兆晟,张群力,等.梯级相变蓄热装置蓄放热性能模拟研究[J].可再生能源,2021,39(5): 618-625.[4]王佩祥,冯秀娟,朱易春,等.利用膨胀石墨改进十二水磷酸氢二钠复合相变材料的蓄热性能[J].材料导报,2020,34(18):18044-18048.[5]任学明,沈鸿烈,杨艳.膨胀石墨/石蜡复合相变材料的碳纳米管掺杂改性研究[J].功能材料,2019,50 (6):6008-6012.[6]杨世铭,陶文铨.传热学[M].4版.北京:高等教育出版社,2006:557-558.[7]李净.西北乡域住宅冬季睡眠热环境调查分析[D].西安市:西安建筑科技大学,2016:28-29. 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2015广东大学物理实验竞赛校级论文
表一： 温度变化
T1:热端
T2:冷端
温度起始值：T10=50.3
T20=30.5
注：空白处表示温度不变 图一：温度变化图 注：红色线为线性趋势线； 红点对应上图的黄色标记
选取其中（487.7，30，7）和（42.3，33.5）来计算热量传递，因为这两点（红点）之 间呈现较大线性变化，即热量损耗较小，且两点间距离相对中间两点（蓝点）距离长，可减 少因温度计精度不足等因素引起的误差。
热能转电能的能量守恒验证
作者：李力飞
李景锋
刘厚宝
刘姗姗
方金妹
广东海洋大学
摘 要：作品设计一种利用热水和冷水作为半导体温差发电片的热端和冷端进行发电的装 置， 希望通过计算热水和冷水的热量传递和发电片输出电能验证功能转换原理， 但未能实现。 同时测试了热电转换效率。实验误差主要来源于装置的保温效果不佳导致热量损失。 关键词：塞贝克效应；半导体温差发电；热电转换效率；能量守恒
可行性分析
自从半导体问世以来， 利用半导体材料制作的温差发电器件得到了广泛应用而且前人在这方 面已有大量的深入研究， 所以半导体温差发电是可行的。 但由于该系统主要的误差来源于热 源和冷水都无法避免地向外以热辐射， 热传导和热对流的方式散热， 所使用的保温材料隔热 效果有限，而真空只对热传导和热对流起作用，对热辐射几乎不起作用甚至会加强热辐射。 如果要减弱辐射， 须在内胆的内外镀上光滑的铝层或银等能大幅反射热辐射的材料 （这也是 常见的玻璃内胆保温瓶的保温原理），但考虑到制作的复杂性和成本等问题，这一步很难实 现。 因此，实验结果会存在一定误差。
表二：负载电压随时间变化
注： 空白处表示因为操作问题没有记录
图二：负载电压图
表三：总电功率随时间变化
光热转换技术原理实验报告
光热转换技术原理实验报告一、实验目的：1.了解光热转换技术的原理；2.掌握光热转换技术的实验方法；3.通过实验验证光热转换技术的效果。
二、实验原理：光热转换技术是利用太阳光的能量转换为热能。
光热转换技术通常包括太阳能集热器、传热介质和热能利用设备等组成。
太阳能集热器将太阳光吸收转换为热能，传热介质将热能传输到热能利用设备来转换为其他形式的能量。
光热转换技术的核心是太阳能集热器，关键在于如何高效地吸收太阳光，并将其转化为热能。
三、实验材料和设备：1.太阳能集热器：用于吸收太阳光并将其转化为热能；2.温度计：用于测量实验过程中的温度；3.计时器：用于计时；4.水槽：装有水用于传递热能。
四、实验步骤：1.将太阳能集热器放置在适当的位置，确保其能够接收到充足的太阳光；2.将温度计插入太阳能集热器中，记录初始温度；3.打开计时器，开始记录时间；4.按照一定时间间隔，测量太阳能集热器的温度，并记录下来；5.持续记录一段时间后，关闭计时器，停止实验。
五、实验结果分析：根据实验过程中记录的温度数据，可以绘制出太阳能集热器温度随时间变化的曲线图。
通过观察曲线的变化趋势，可以判断太阳能集热器的性能。
如果温度随时间呈现逐渐上升的趋势，并且上升速度较快，则说明太阳能集热器吸收太阳光的能力较强。
反之，如果温度变化较缓慢或出现波动，则说明太阳能集热器吸收太阳光的能力较弱。
六、实验结论：通过实验可以得出以下结论：1.光热转换技术可以将太阳光的热能转换为其他形式的能量；2.太阳能集热器是光热转换技术的核心，其效果直接影响整个系统的性能；3.通过合理的设计和优化，可以提高太阳能集热器的吸收效率，从而提高光热转换技术的效果。
七、实验改进措施：为了进一步提高实验结果的准确性和可靠性，可以采取以下改进措施：1.增加实验次数，取多次数据以消除误差；2.对太阳能集热器进行维护和保养，确保其性能稳定；3.考虑对太阳能集热器进行优化设计，以提高吸收效率。
物理实验技术中能源转换与传输技巧
物理实验技术中能源转换与传输技巧在物理实验中，能源转换与传输是一个重要的主题。
无论是在实验室中还是在现实生活中，我们都需要将能量从一种形式转换为另一种形式，同时传输到需要的地方。
正确的能源转换和传输技巧不仅可以提高实验的效率，还可以确保实验的可靠性和安全性。
一、能量转换技巧能量转换是将一种形式的能量转化为另一种形式的过程。
在物理实验中，我们经常需要将电能转化为其他形式的能量，如热能、光能、机械能等。
以下是一些常见的能量转换技巧：1. 电热转换技巧：电热转换是将电能转化为热能的过程，常用于加热实验。
为了提高转换效率，我们可以选择合适的电阻丝材料和长度，控制电流大小和通电时间。
2. 光电转换技巧：光电转换是指将光能转化为电能的过程，常用于光电效应实验。
为了获得较高的光电转换效率，我们可以选择合适的光源强度和波长，以及适当的光电池材料和工作电压。
3. 电机转换技巧：电机转换是将电能转化为机械能的过程，常用于驱动实验设备。
为了提高转换效率，我们可以选择合适的电机类型和工作状态，通过控制电流大小和方向来实现需要的机械输出。
二、能量传输技巧能量传输是将能量从一处传输到另一处的过程。
在物理实验中，我们通常需要将电能、热能、光能等形式的能量传输到需要的地方。
以下是一些常见的能量传输技巧：1. 电能传输技巧：电能传输是将电能从一处传输到另一处的过程，常用于实验设备的供电。
为了确保稳定和安全的电能传输，我们需要选择合适的导线材料和截面积，以及适当的电压和电流大小。
2. 热能传输技巧：热能传输是将热能从一处传输到另一处的过程，常用于保持实验温度和控制反应速率。
为了提高热能传输效率，我们可以选择合适的热传导材料和结构，调节热传导面积和温度梯度。
3. 光能传输技巧：光能传输是将光能从一处传输到另一处的过程，常用于光学实验。
为了保持光的传输质量，我们需要选择适当的光纤材料和结构，控制光源和接收器之间的耦合效率。
三、能量转换与传输技巧的优化为了提高能量转换和传输效率，我们可以进行一些优化措施。
平板型电极对热离子能量转换特性的测试技术研究
##热离子核反应堆是空间核电源的重要技术 路线之一"具 有 体 积 小(结 构 紧 凑(比 质 量 小 等 优点"且技术 较 为 成 熟 可 靠! 热 离 子 能 量 转 换 器#M[D$是热 离 子 核 反 应 堆 的 关 键 核 心 部 件" 能 够 将 核 裂 变 产 生 的 热 能 直 接 转 换 成 电 能"是 一种静态热电转换装置)5I$*"其转换效率 及 服 役 寿命对空间热离子反应堆电源的总体性能起着 决 定 性 的 影 响"而 相 对 较 低 的 转 换 效 率 限 制 了 热离子核反应堆的进一步发展 ! )0I@* 因 此"目 前 急需研发新型的电极材料"优化 M[D 的热电转 换性能"提 高 其 转 换 效 率!M[D 工 作 时"发 射 极 被 加 热 到 高 温 "金 属 表 面 发 射 电 子 "飞 跃 电 极 间 隙 到 达 接 收 极"并 通 过 外 电 路 负 载 做 功 后 返 回 发 射 极 "形 成 电 回 路 "实 现 热 能 向 电 能 的 直 接 转换 ! )6* 实际工程应用中一般在其电极间 隙 中 引入铯 #D.$的 蒸 气"形 成 铯 热 离 子 能 量 转 换
电极布置对电化学矿化固定废水中低浓度铀的影响研究
第37卷第5期2023年10月南华大学学报(自然科学版)Journal of University of South China(Science and Technology)Vol.37No.5Oct.2023收稿日期:2023-04-25基金项目:国家自然科学基金资助项目(51874180);湖南省科技计划项目(2019RS2042)作者简介:曹澜澜(1998 ),女,硕士研究生,主要从事废水电化学处理方面的研究㊂E-mail:caolanlan798@126.com㊂∗通信作者:李㊀密(1983 ),男,教授,博士生导师,主要从事废水电化学处理方面的研究㊂E-mail:limi@DOI :10.19431/ki.1673-0062.2023.05.001电极布置对电化学矿化固定废水中低浓度铀的影响研究曹澜澜,艾奇伟,李㊀密∗(南华大学资源环境与安全工程学院,湖南衡阳421001)摘㊀要:将废水中的低浓度铀固定到人造矿物的晶格中限制其迁移转化是解决铀放射性污染的有效策略㊂采用电化学方法可实现废水中低浓度铀快速㊁无污染㊁低能耗地掺杂进磁铁矿晶格中,实现矿化稳定,但电化学矿化系统中的电极布置直接影响着磁铁矿的结晶速率和铀的晶格掺杂效率㊂本研究通过优化电极布置来提高磁铁矿的结晶速率和铀的去除效率,重点考查了电极布置方式㊁间距㊁废水流向及流速对磁铁矿结晶和铀去除效果的影响,并对铀掺杂磁铁矿的理化性质进行了分析㊂研究结果表明,电极布置方式通过影响电流密度改变磁铁矿的结晶速率,阴阳极交替排列电极布置方式最有利于磁铁矿的结晶,废水正向流可促进离子迁移,提高铀的去除速率,当初始铀质量浓度为10mg /L 时,铀的去除率可达96.1%㊂关键词:含铀废水;电化学;矿化;磁铁矿;电极布置中图分类号:X771文献标志码:A文章编号:1673-0062(2023)05-0001-09Effect of Electrode Layout on the Immobilization of Low-EnrichedUranium in Wastewater by Electrochemical MineralizationCAO Lanlan ,AI Qiwei ,LI Mi ∗(School of Resources Environment and Safety Engineering,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China)Abstract :Immobilization of low-enriched uranium from wastewater into the artificial mineral lattice to limit uranium migration and transformation is an effective strategy for ad-dressing uranium radioactive contamination.Rapid,non-polluting,low-energy immobiliza-tion of low-enriched uranium from wastewater into the magnetite lattice for stabilization of mineralization can be achieved through electrochemical methods.This study proposes to improve the crystallization rate of magnetite and uranium removal efficiency by optimizing1第37卷第5期南华大学学报(自然科学版)2023年10月the electrode layout,with the emphasis on the effects of electrode layout,distance,wastewater flow direction and flow rate on magnetite crystallization and uranium removal,and the physico-chemical characteristics of uranium-doped magnetite were evaluated.Theresults showed that the electrode layout changed the crystallization rate of the magnetitewith respect to the current density;the arrangement of the alternating cathode and anodeelectrodes was most beneficial for magnetite crystallization;the forward flow of wastewaterpromotes ionic migration and increases the uranium removal rate,which can be as high as96.1%at an initial uranium mass concentration of10mg/L.key words:uranium-containing wastewater;electrochemistry;mineralization;magnetite;electrode layout0㊀引㊀言铀[1]是一种兼具化学毒性和放射性的元素,也是核工业发展的重要原材料之一㊂在铀矿开采㊁冶炼以及铀的提纯㊁使用以及废物处置过程中不可避免地产生大量的含铀废水[2]㊂采用还原方法将迁移性强的六价铀转化为难迁移的四价铀而沉淀[3],或者直接采用高效吸附材料[4]直接从废水中分离铀是目前含铀废水处理的主要方法,但受到废水中铀质量浓度㊁废水性质㊁材料性能㊁含铀产物稳定性以及形成大量废弃的放射性吸附材料的限制,低质量浓度含铀废水的长效无污染处理技术还有待研究㊂相比传统的吸附和还原处理技术,将废水中的铀直接转化为稳定的人造矿石来限制其迁移是有效解决铀放射性污染的方法[5]㊂目前,铀的矿化主要有两种思路,一是通过共沉淀㊁还原或微生物等方法将铀转化为UO2[6]㊁钛铀矿[7]㊁磷酸铀酰[8]㊁钙铀云母[9]等简单铀矿物;二是通过电化学法㊁水热法等将铀固定到稳定无毒的无机矿物晶格中实现矿化,如磁铁矿[7,10]㊁赤铁矿[11]㊁水铁矿[12-13]㊁硅酸盐[14]矿物等,其中磁铁矿由于其磁性和稳定的晶体结构以及广泛的来源而备受关注㊂M.Li团队成员前期[15]已成功地通过电化学法将铀固定到磁铁矿的晶格中,含铀磁铁矿可在复杂环境中稳定存在400d以上㊂然而,现有的研究均是在静态系统中以单对电极进行的矿化反应,存在矿化反应速率慢,无法满足批量处理含铀废水的需求,急需在此基础上开发能持续稳定生成磁铁矿并用于废水中铀的连续矿化系统㊂已有研究结果表明,电化学反应器的形状㊁电极布置以及废水流动模式对运行效率㊁能耗等有着重要的影响㊂S.H.Thor等[16]发现双阴极电化学系统的污染物降解效果优于单阴极系统㊂P. Nurlilasari等[17]利用交替电极成功制得了磁铁矿纳米离子,并极大程度上提高了磁铁矿的产率㊂Y.P.He等[18]发现废水流经反应器的方式将直接影响污染物的去除效率和系统能耗㊂研究人员前期以金属铁为阳极,石墨为阴极构建了单电极的电化学矿化系统,并实现了磁铁矿的稳定结晶和铀的矿化固定[19-20]㊂但因为单电极矿化系统的磁铁矿结晶量偏低,导致铀的矿化时间较长(一般需要2h),尤其是当废水中铀的质量浓度偏低时,铀的矿化时间将显著延长[19],难以实现含铀废水的连续批量处理㊂本研究拟针对低质量浓度含铀废水(1~10mg/L),通过优化电极布置㊁调整废水流动状态等参数,探索废水批量处理过程中磁铁矿的稳定结晶及铀的高效矿化工艺参数㊂本研究的主要目的:1)研究电极布置方式对磁铁矿结晶和铀去除的影响;2)研究废水流动状态对磁铁矿结晶和铀去除的影响;3)查明含铀磁铁矿的结构和理化特性㊂1㊀材料与方法1.1㊀实验原料本研究以U3O8(纯度为99.99%)为原料,按照文献方法配制成1g/L的铀标准储备液[19],再采用高纯水稀释至实验预设质量浓度(10.0mg/L 和5.0mg/L)㊂电化学矿化系统中采用尺寸为10cmˑ5cmˑ0.1cm的高纯铁片为阳极,采用尺寸为10cmˑ5cmˑ1cm的高纯石墨片为阴极㊂实验中所用到的其他化学试剂如NaCl㊁C12H8N2㊁NH3OHCl㊁EDTA㊁ClCH2COOH等均为分析纯㊂1.2㊀实验装置实验中采用直径为6cm㊁长度100cm的有机2第37卷第5期曹澜澜等:电极布置对电化学矿化固定废水中低浓度铀的影响研究2023年10月玻璃管作为电化学矿化反应器的主体,最大废水容量为1.5L,在特定间隔距离处打孔用于放置电极和作为反应过程中的取样孔,玻璃管两端密封,并在底部设置进水口和排水口,使用硅胶软管将进水口和出水口相连接,采用蠕动泵实现废水在反应器内的循环流动,实验装置结构示意如图1所示,其中A 代表阳极,C 代表阴极㊂图1㊀电化学矿化设备示意图Fig.1㊀Schematic of electrochemical mineralization equipment1.3㊀电化学法矿化方法将1.5L 的质量浓度为10mg /L 或5mg /L的含铀废水预先置于反应器中,按照预设的电极布置方式,以金属铁为阳极,石墨为阴极,采用直流电源供电,最大电压为30V,为了确保含铀废水的导电性,以NaCl 为电解质调节废水的初始电流㊂采用蠕动泵精确控制废水流速,设定反应器内溶液流向与电场方向相同为正向(+),反之,则为负向(-)㊂反应开始时,记录初始阳极铁质量㊁初始pH 和初始反应电流,反应过程中在预设时间间隔取样5mL,分析溶液中铀㊁铁的质量浓度,并同步记录电流和pH 的变化㊂反应结束后,取出阳极铁,并采用真空抽滤将上清液和沉渣进行分离,用高纯水反复冲洗铁片和沉渣三次后,采用真空干燥箱在60ħ下烘干6h,再称量阳极铁和沉渣的质量,用于计算阳极铁的消耗质量和磁铁矿的转化率㊂沉渣放置于干燥器皿中保存,用于后续进一步分析测试和铀的稳定性评价㊂1.4㊀分析方法废水中铀和铁的质量浓度均采用分光光度法[21-22]测定,其中铀的去除率计算公式如下:铀去除效率=(C 0-C t )/C 0ˑ100%式中:C 0和C t 分别为铀初始质量浓度和最终质量浓度,单位mg /L㊂采用X 射线衍射(X-ray diffract,XRD)研究了沉淀产物的物质组成,衍射角(2θ)范围为20ʎ~90ʎ,扫描速度为4(ʎ)/min㊂沉淀产物的形貌特征通过电子扫描显微镜(scanning electronmicroscope,SEM)检测得出㊂2㊀结果与讨论2.1㊀电极布置方式对磁铁矿结晶的影响溶液中铁离子质量浓度和pH 是影响磁铁矿结晶的主要因素[23]㊂因此,通过监测反应过程中溶液pH 和铁离子质量浓度的变化,可以体现出磁铁矿的结晶情况㊂本实验采用两阳极(A)和两阴极(C)的四电极布置方式,通过优化四电极的排列方式实现磁铁矿的高效结晶,实验结果如图2和图3所示㊂图2反映了四电极体系中电极布置(C1-C2-A1-A2㊁A1-C1-C2-A2㊁C1-A1-A2-C2㊁C1-A1-C2-A2)对阴㊁阳极附近pH 的影响㊂电极附近的pH变化与阴阳离子的氧化还原反应有密切关系,结果表明反应开始后阴极附近pH 均快速变为碱性,这是由于阴极附近发生了强烈的析氢反应,而根据剩余的OH -与受电场作用迁移至阴极的Fe 2+㊁Fe 3+结合,根据反应式8OH -+Fe 2++2Fe 3+=Fe 3O 4ˌ+4H 2O 可知碱性条件更有利于磁铁矿的形成[24]㊂而在C1-C2-A1-A2中未直接与阳极相连的阴极石墨C1的pH 变化相对较为缓慢,且未观察到阴极板上有气泡产生,对电流的贡献微弱,这应该是由于C1-C2-A1-A2电极构型中内侧的阳极和阴极占反应主导㊂阳极pH 普遍从弱酸性变为中性,这可能是由于H +和Fe 2+受到电场力的吸引向阴极石墨迁移,并在阴极板上发生析氢反应(2H ++2e -=H 2ʏ),形成H 2释放的结果㊂因此,这种同一体系下存在的酸性和碱性环境造成的pH 梯度可能是磁铁矿快速结晶的主要原因㊂图3给出了各种电极布置下相邻电极中间位置Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)离子质量浓度分布的变化规律,可见只有当阳极铁与阴极石墨相邻时电极中间位置的Fe(Ⅱ)最多,阳极铁与阳极铁相邻时次之,阴极石墨与阴极石墨相邻时电极中间位置几乎没有Fe(Ⅱ)的存在㊂Fe(Ⅱ)质量浓度随着反应的进行而逐步升高,这主要是由于阳极铁的逐步溶解造成的,从而为磁铁矿的结晶提供了大量铁离子㊂但反应进行一段时间后,溶液中部分Fe(Ⅱ)被氧化成Fe(Ⅲ),当Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)的质量浓度比接近于2时[25]有利于磁铁矿的合成,此时Fe(Ⅱ)与Fe(Ⅲ)的质量浓度显著下降,整个反应过程中伴随着Fe(Ⅱ)质量浓度的升高㊁转3第37卷第5期南华大学学报(自然科学版)2023年10月化为Fe(Ⅲ)以及磁铁矿结晶造成的下降三个阶段,但是当溶液中氧浓度降低后,Fe(Ⅱ)难以继续氧化Fe(Ⅲ),导致磁铁矿的结晶量降低,此时Fe(Ⅱ)质量浓度将显著增加,有效控制溶液氧化还原电位是促进磁铁矿连续结晶的关键㊂此外,电极布置还会影响溶液中总铁离子的质量浓度水平,从高到低依次为:C1-A1-C2-A2㊁C1-A1-A2-C2㊁C1-C2-A1-A2㊁A1-C1-C2-A2㊂这说明阴㊁阳极交叉排列的电极布置方式更有利于阳极铁的溶解,并一定程度上促进了磁铁矿的合成㊂图2㊀电极布置对电极附近pH 的影响Fig.2㊀Effect of electrode layouts onpH图3㊀电极布置对相邻电极中间Fe (Ⅱ)和Fe (Ⅲ)离子质量浓度分布的影响Fig.3㊀Effect of electrode layouts on mass concentration of Fe (Ⅱ)and Fe (Ⅲ)between adjacent electrodes4第37卷第5期曹澜澜等:电极布置对电化学矿化固定废水中低浓度铀的影响研究2023年10月㊀㊀在电化学系统中,电流密度能够反映阳极铁的溶解速率,由于四种电极排列下的阴㊁阳极有效距离不同,所展现的电流密度大小和趋势存在较大差异(见图4),其中C1-A1-C2-A2电流密度最高,A1-C1-C2-A2㊁C1-A1-A2-C2次之,C1-C2-A1-A2最低㊂同时,电流密度随反应时间的延长而缓慢升高,而采用C1-A1-C2-A2布置时,反应80min 后电流密度略有下降,这可能是由于此时磁铁矿大量结晶,而导致溶液中离子质量浓度快速下降,进而致使电流密度降低,这与图3(d)中的实验结果一致㊂图4㊀电极布置对电流密度的影响Fig.4㊀Effect of electrode layouts on current density在电流作用下,阳极铁逐渐溶解形成铁离子,随后一部分铁离子转变成磁铁矿,另一部铁离子残留于溶液中,因此,可通过阳极铁的消耗质量与沉渣的形成质量来评价阳极铁向磁铁矿的转化率㊂图5为电极布置对阳极铁消耗质量及沉渣生成质量的影响,从图5可知,采用C1-A1-C2-A2电极布置时,阳极铁的消耗质量最高,这主要是因为此条件下电流密度相对较高(见图4),阳极铁的溶解速率较快,且沉渣的形成质量也最高,沉渣质量与阳极铁损失质量的比值达到了1.5,而理论上生成1mol 的Fe 3O 4需要消耗3mol 的铁,即沉渣质量与铁消耗质量的理论值约为1.38,二者的比值非常接近㊂这说明阳极铁主要转化为了磁铁矿,但其中还有少量的铁可能转化为如针铁矿或赤铁矿等其他形式的铁矿物[26]㊂2.2㊀电极间距对磁铁矿结晶的影响本研究在相同电流密度下(1.73mA /cm 2)采用三种电极间距(25~100cm)研究磁铁矿的结晶规律㊂图6为电极间距对pH㊁铁离子质量浓度以及阳极铁质量损失和磁铁矿转化率的影响㊂实验结果表明,当电极间距不同时,电极附近的pH 变化规律基本相同,这说明阴㊁阳极附近的电化学反应并不随电极间距的延长而发生改变㊂而电极间距对溶液中的铁离子质量浓度有较大影响,从图6(b)可以看出,电极间距为100cm 时,整个反应过程中铁离子质量浓度极低,而当电极距离减小时,则很快观察到了铁离子质量浓度的上升,且最高可达252mg /L㊂当电极间距为25cm 时,阳极铁的溶解速率最快,这表现在该条件下Fe(Ⅱ)的增速最大㊂结合图6(c)可以得出不同电极间距下的沉渣质量与铁损失质量的比值分别为1.95(25cm)㊁1.86(50cm)㊁1.38(100cm)㊂由此可见,电极间距会影响沉渣中铁的物相组成,在较小的电极间距和较高的电流密度下很可能导致其他铁物相的形成㊂图5㊀电极布置对阳极铁质量损失与沉渣生成质量的影响Fig.5㊀Effect of electrode layouts on anode lossmass and sediment mass2.3㊀水体流速对磁铁矿结晶的影响为了进一步提高磁铁矿的产量和结晶效率,本实验采用蠕动泵实现溶液的循环流动,进而增加溶液中铁离子由阳极向阴极传输的效率,达到提升磁铁矿结晶速率的目的㊂为了能更直观反映流向和流速对磁铁矿结晶的影响,选择电极间距100cm 的单对电极进行实验,结果如图7所示㊂由图7(a)可知,负向流对溶液pH 的干扰较小,而正向流对pH 的干扰较大,这归因于水流的推动作用加速了溶液中铁离子的迁移㊂阳极附近的pH 在水流方向为正向时会出现跳跃式变化,且随着流速的提高出现跳跃式增长的时间提前,通过外部循环将溶液从阴极输送到阳极是造成此现象的主要原因,后续随着反应时间的延长而逐渐归于平稳㊂图7(b)和7(c)结果表明,负向流促进5第37卷第5期南华大学学报(自然科学版)2023年10月了电流密度的升高,但抑制了溶液中铁离子的生成,且Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)的比值变小,加大了磁铁矿的合成难度;当流向为正向时,随着流速的增加溶液中的Fe(Ⅱ)质量浓度水平升高,这表明水体流动促进了Fe(Ⅲ)的生成㊂三种流速下,Fe(Ⅲ)质量浓度变化规律相似,而10mL /min 流速下Fe(Ⅱ)的质量浓度缓慢上升,未出现明显的下降趋势,这说明在较低的流速下,相比于静止状态,反而不利于磁铁矿的结晶(图7(d))㊂图6㊀电极距离对电极附近pH ㊁铁离子质量浓度㊁阳极质量损失与沉渣生成量的影响Fig.6㊀Effect of electrode distance on pH ,iron ions mass concentration ,anode loss mass and sedimentmass图7㊀流速对pH ㊁铁离子质量浓度㊁电流密度㊁阳极质量损失与沉渣生成量的影响Fig.7㊀Effect of flow rate on pH ,iron ions mass concentration ,anode loss mass and sediment mass2.4㊀电极布置对铀去除效果的影响图8和图9分别给出了单对电极和四电极布置时铀的去除效果㊂由图8可知,采用单对电极且间距为100cm 时,流速和铀初始质量浓度对铀去除效果的有较大的影响㊂当铀初始质量浓度相同时,流动状态下比静止状态下铀的去除率更高,且反应1h 后铀的去除率迅速增加,反应结束时铀的去除率可达96.1%㊂而相同流速下,5mg /L6第37卷第5期曹澜澜等:电极布置对电化学矿化固定废水中低浓度铀的影响研究2023年10月的含铀废水在反应结束时铀去除率仅为61%㊂相同去除率条件下,初始铀质量浓度为10mg /L 时仅需要100min 的反应时间㊂这说明在较长的电极间距下,低质量浓度铀的去除效果会减弱,可以通过加大流速来改善铀的去除效果㊂采用四电极布置在静态系统中反应240min 后,铀的去除效果如图9所示,采用C1-A1-C2-A2电极布置形式表现出了良好的除铀性能,最大铀去除率为96.5%㊂图8㊀单对电极在不同流速下铀的去除效果Fig.8㊀Effect of single pair electrode on uraniumremoval at different flowrate图9㊀四电极布置最终出水铀质量浓度Fig.9㊀Final effluent uranium mass concentration offour electrode arrangements2.5㊀含铀磁铁矿的物相结构与形貌分析为了进一步查明含铀矿化产物的物相组成和形貌特征,采用XRD 和SEM 对两种典型产物(无铀和有铀条件下分别形成的沉渣)进行了表征,结果如图10所示㊂两种产物的XRD 中都观察到了Fe 3O 4的特征峰[27],且结晶良好,未见其他物相的明显杂峰,这说明形成的主要是磁铁矿,未形成其他杂相或者杂相含量极低,未达到XRD 的检测线㊂此外,XRD 结果还表明磁铁矿的主峰略有向右发生偏移,这主要是因为铀的掺入导致的晶格参数变化而引起的[15]㊂SEM 分析结果表明,铀的掺杂会改变磁铁矿的形貌,致使磁铁矿颗粒粒径变小,致密度变大㊂图10㊀磁铁矿与含铀磁铁矿的XRD 与SEM 图像Fig.10㊀XRD and SEM images of magnetite anduranium-contaminated magnetite3㊀结㊀论本文以金属铁片为阳极,以石墨板为阴极,通过电化学法在含铀废水中原位电化学诱导金属铁逐渐转化为磁铁矿并同步将铀掺杂进其晶格中实7第37卷第5期南华大学学报(自然科学版)2023年10月现矿化去除㊂研究了电化学矿化设备电极布置㊁电极间距㊁废水流速和流向对磁铁矿结晶和铀去除效果的影响㊂得出以下结论:1)当阴㊁阳极交叉排布时,相同电压条件下废水中的电流密度最大,溶液中铁离子质量浓度水平高,可达到快速稳定生成磁铁矿的目的㊂2)负向流可以提升电流密度,但抑制了废水中铁离子的质量浓度,而正向流铁离子质量浓度较高,有利于磁铁矿的生成㊂3)电极的合理布置和水体的流动状态显著提升了铀的去除效果,在优化的电极布置和工艺参数下,使用电化学矿化设备对铀的去除效率可达96.5%㊂参考文献:[1]吕会,李彦伟,贾草杰.新型吸附材料在含铀废水处理应用中的研究进展[J].现代化工,2022,42(10): 91-95.[2]LIU H,CHEN S M,LI J P,et al.Pentavalent vanadium and hexavalent uranium removal from groundwater by woodchip-sulfur based mixotrophic biotechnology[J].Chemical en-gineering journal,2022,437:135313.[3]郭梅.含铀废水处理方法进展[J].科技创新与应用, 2020(34):119-120.[4]陈拓,彭捍,肖海鹏,等.贝壳基吸附材料的制备及其铀吸附性能研究[J].应用化工,2022,51(12): 3481-3485.[5]柯平超,吴天楠,刘亚洁,等.含铀废水处理技术进展[J].工业水处理,2023,43(9):20-31.[6]PAN Z,BÁRTOVÁB,LAGRANGE T,et al.Nanoscale mechanism of UO2formation through uranium reduction by magnetite[J].Nature communications,2020,11(1):4001.[7]ZHANG Y,KONG 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基于大锅灶烟气余热回收的热泵热水系统设计
基于大锅灶烟气余热回收的热泵热水系统设计王凤予 刘泽华 谭子豪 黄玲玲 鲁婧 杨历全南华大学土木工程学院摘 要： 针对一个具体实例， 设计了一个利用燃气大锅灶烟气余热与直热式空气源热泵热水器联合供热水系统， 提出了一种利用大锅灶烟气余热为直热式空气源热泵热水器除霜的方法， 研究了大锅灶余热深度回收的方案。
在设计工况下， 该系统可节能19.5%， 可以提高天然气热能利用率28%。
关键词： 燃气大锅灶 直热式空气源热泵 余热回收 联合运行Design of Heat Pump Hot Water System based on Recoveryof Flue Gas Waste Heat from Commercial Gas Cooking OvensWANG Fengyu,LIU Zehua,TAN Zihao,HUANG Lingling,LU Jing,YANG LiquanSchool of Civil Engineering,University of South ChinaAbstract: For a specific example,a combined heating water system using flue gas waste heat of large gas stove and direct heat air source heat pump water heater was designed,a defrosting method using flue gas waste heat of large gas stove as air source heat pump water heater was proposed,and a deep recovery scheme of waste heat of large gas stove was studied.Under design conditions,the system can save 19.5%energy and increase the utilization rate of natural gas by 28%.Keywords:large gas stove,direct heat air source heat pump,waste heat recovery,joint operation收稿日期： 20191228 作者简介： 王凤予 （1995~）， 男， 硕士研究生； 湖南省衡阳市蒸湘区常胜西路28号 （421001） Email:****************** 基金项目： 2019年湖南省研究生科研创新项目 （CX20190741） 0 引言直热式空气源热泵热水器可以将市政冷水一次 性加热至使用温度， 具有运行过程高压稳定， 出水迅 速， 制热能力强和能效比高的优点， 在商业场合中使用较多[13]。
温差发电器的传热特性分析与实验研究
温差发电技术是一种可以直接将热能转换成电 能的能量转换技术， 具有无运动部件、 无噪音、 不使 用有害介质、 环境友好及寿命长等优点． 近年来， 随 以及具高 着能源需求和环境污染矛盾的日益加剧， 优值系数热电材料的成功开发， 温差发电技术逐渐 从军用向民用领域拓展， 在工业余热 / 废热、 太阳能、 地热能等低品位能源领域中的应用获得广泛的关注 和研究
表1 Table 1
热源 热流量 / W 10 20 30 40 50 R1 0． 417 3 0． 420 4 0． 417 6 0． 419 0 0． 422 3
t1 － t a （ th － tc ） Qc = R1 + + Rc （ 8） Qh Qh Qh t1 － t a （ t h － t c ） 其中， 和 被称为热源与环境 （ 或冷源 ） Qh Qh 总温差热负荷比和发电器热冷端温差热负荷比 ， 分 别记为 R Total 和 R TEG ． 因此， 式（ 8 ） 可改写为 Qc R Total = R1 + R TEG + R c ． Qh 忽略汤姆逊效应的影响， 且假设温差电组件材 料的物理性质不随温度而变化， 则温差电组件从热 端吸收和从冷端放出的热量为 Q h = αIt h +! （ t h － t c ） － 0. 5 I2 R （ 9） 2 Q c = αIt c +! （ t h － t c ） + 0 ． 5 I R （ 10 ） 其中： α、 ! 和 R 分别为塞贝克系数、 总导热系数和 ! n An ! p Ap ； I 为工作电流． + 电阻， ! =m Ln Lp
2 p 型电臂的热导率（ W·m － 1 ·K － 1 ） 、 横截面积 （ m ）
热电转换技术
热电转换技术
润生
【期刊名称】《世界机电技术》
【年(卷),期】1992(000)001
【总页数】1页(P18)
【作者】润生
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TM611
【相关文献】
1.利用汽车尾气余热温差的热电转换技术 [J], 田聪;刘丹;张克文;张静;李佳
2.热电转换技术在高超声速飞行器中的应用设想 [J], 詹景坤;王小辉;蔡昱
3.用于空间堆的碱金属热电转换技术研究 [J], 马明阳;谢奇林;梁文峰;张传飞
4.基于有机/无机复合材料的航天环境下高效热电转换技术研究 [J], 胡济珠; 周俊; 李云云
5.新能源汽车与新型蓄能电池及热电转换技术分析 [J], 陈继永;卢欣欣
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风冷压缩机热交换的试验研究
风冷压缩机热交换的试验研究
刘卫华
【期刊名称】《南华大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】1994(000)002
【摘要】本文报导用热电偶测量风冷2v－0．6／7型空气压缩机的温度场随散热片高度的变化，得出适当的散热片高度，可以降低排气温度及缸壁温度，提高压缩机的效率。
【总页数】6页(P24-29)
【作者】刘卫华
【作者单位】机械工程系
【正文语种】中文
【中图分类】TH45
【相关文献】
1.风冷压缩机气缸热交换的实验研究 [J], 吴丹青;刘卫华
2.风冷式热交换器传热强化的试验分析研究 [J], 孙文臣
3.风冷压缩机热交换的试验研究 [J], 吴丹青;郁永章;刘卫华
4.电冰箱冷凝器风冷降温改为压缩机风冷降温 [J], 李忠健
5.更高效的降温——创新设计灵活实现管式热交换器和压缩机的冷却 [J], Martin Schneweis;
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具有换热功能的转化器的试验报告
具有换热功能的转化器的试验报告
纪鹿鸣
【期刊名称】《硫酸工业》
【年(卷),期】1991(000)006
【摘要】一、前言对于硫酸生产过程,开发的多种方法已在生产上应用。
如果现在建厂,接触法硫酸生产过程已成为常识了。
作为接触法,虽然各厂有其不同的特点,但基本的反应过程是相同的。
【总页数】7页(P42-48)
【作者】纪鹿鸣
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TQ111.16
【相关文献】
1.具有新型换热结构的固定床反应器的数学模拟 [J], 李莉;杨光育;刘晓华;王金福
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4.汽车尾气催化转化器内的对流换热 [J], 王栋;王维城;王晓亮;吴晓敏
5.中间移热式非定态SO_2转化器(Ⅱ)──两点移热式转化器的控制策略 [J], 王辉;肖博文;袁渭康
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