不可逆熱力循環(huán)分析及低品位能量利用熱力系統(tǒng)研究.pdf

1、當(dāng)前我國的能源供應(yīng)主要由化石燃料的燃燒提供。燃燒排放的有害氣體含硫化物和PM2.5顆粒物等，造成了日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，對人類和自然的可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重的危害。此外，日常消耗的電能中有15％被制冷系統(tǒng)所消耗，故改善制冷系統(tǒng)的性能對節(jié)能減排具有重大意義。對熱力循環(huán)（熱機(jī)和制冷機(jī)）的優(yōu)化、改善以及對清潔能源、余熱資源的利用為上述問題提供了良好的解決方案。
　　本文首先研究了一般化具有內(nèi)部耗散和非等溫過程的熱力循環(huán)模型，獲得了熱機(jī)和制冷

2、機(jī)在不同的優(yōu)化準(zhǔn)則（χ準(zhǔn)則、生態(tài)學(xué)準(zhǔn)則和準(zhǔn)則）下的效率限（熱機(jī)）和性能系數(shù)（COP）限（制冷機(jī)）。其次，基于最小非線性模型研究了熱機(jī)和制冷機(jī)在生態(tài)學(xué)準(zhǔn)則和?準(zhǔn)則下的效率限和 COP限，并進(jìn)一步探索了最小非線性模型和低耗散模型的聯(lián)系。為研究微觀系統(tǒng)的性能，本文提出了一個統(tǒng)一的基于先驗概率的微觀熱機(jī)模型，其可以描述基于先驗概率的量子熱機(jī)和布朗運(yùn)動熱機(jī)，研究了該模型在最大功率時的效率。在對微觀制冷機(jī)的研究中，系統(tǒng)地分析了費(fèi)曼棘輪-棘爪制冷機(jī)在

3、最大制冷率、最大COP和χ準(zhǔn)則下的性能。同時，本文研還究了冷源受到擠壓作用時，量子 Otto制冷循環(huán)在χ準(zhǔn)則下的性能，結(jié)果表明擠壓作用會使冷源遠(yuǎn)離平衡態(tài)，其COP仍為CA性能系數(shù)。提出了內(nèi)部效率和外部效率的概念，以此來研究工質(zhì)對系統(tǒng)性能的影響，并提出了一個簡化的內(nèi)部效率模型。當(dāng)工質(zhì)臨界溫度較低時，ORC系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度較高，從而系統(tǒng)具有較高的效率。其次，新型熱力循環(huán)也為余熱資源的回收利用提供了一種良好的解決方案。本文基于有限時間熱力學(xué)研究

4、了電化學(xué)循環(huán)和熱釋電循環(huán)的性能。結(jié)果表明這兩種循環(huán)都比較適合于低品位余熱資源的回收，如汽車尾氣等。一般而言，系統(tǒng)不同的評價指標(biāo)不能同時達(dá)到最大值，例如功率和?效率。對此，本文基于 NSGA-II算法，以最大功率和最大?效率為優(yōu)化目標(biāo)，研究了連續(xù)電化學(xué)循環(huán)在多目標(biāo)優(yōu)化時的性能，并與相應(yīng)的單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果相比較。結(jié)果表明多目標(biāo)優(yōu)化手段能更有效地協(xié)調(diào)系統(tǒng)不同的性能準(zhǔn)則。在復(fù)合系統(tǒng)研究方面，提出了基于太陽能發(fā)電和制冷的系統(tǒng)。首先本文利用復(fù)合拋物面

5、集熱器收集太陽能，以此來驅(qū)動由固體氧化物電解（SOE）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）組成的熱機(jī)發(fā)電，研究了SOE和 PEMFC工作溫度和太陽輻射強(qiáng)度對該太陽能發(fā)電系統(tǒng)性能的影響。另外，本文研究了太陽能光伏（PV）驅(qū)動電化學(xué)制冷機(jī)的太陽能制冷系統(tǒng)，研究了熱源、冷源溫度、PV工作溫度和太陽輻射強(qiáng)度對該太陽能制冷系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明，本文所提出的太陽能發(fā)電和制冷系統(tǒng)非常適合于偏遠(yuǎn)地區(qū)和外太空空間站等應(yīng)用場合。在余熱資源的有效利用方面，一般

6、單一的循環(huán)系統(tǒng)不能充分利用余熱資源的熱能。針對此問題，本文對傳統(tǒng)的連續(xù)性電化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了雙級電化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)。在熱源溫度為393.15K時，雙級電化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)的最大輸出功率比單級電化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)高50.11%，發(fā)電效率提高了13.31%。同時，本文研究了利用TREC系統(tǒng)回收燃料電池的熱能，結(jié)果表明混合系統(tǒng)的最大輸出功率比單一的PEMFC高6.85%~20.59%，發(fā)電效率比單一的PEMFC系統(tǒng)高4.56%~13.81%。最后