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传热、传质对三源热力循环性能影响的研究

林国星  
【摘要】: 本文研究传热不可逆性、传质不可逆性、工质内部不可逆性及热漏等不可逆因素对三源热力循环性能的影响,应用有限时间热力学和最优控制论等方法,导出相关热力循环的基本优化关系和一系列性能界限。所得新理论不仅使现代热力学理论获得进展,而且还开拓了有限时间热力学在化学循环工程,特别是化学泵循环工程中的新应用,为实际热力循环设备的优化设计或性能改善提供理论指导。 本文所考虑的三源热力循环设备包括:吸收式制冷机、太阳能制冷机和两类三源化学泵等。必须指出的是,文中也对化学机和二源化学泵循环的优化性能进行了研究,因为它们是研究三源化学泵循环优化性能的基础。 吸收式制冷机是一类方兴未艾的制冷设备,它们能被低品位热能驱动,对节约能源和减少环境污染潜力很大。第二章建立了不可逆吸收式制冷循环新模型,模型不仅考虑了热传导和热漏不可逆性,而且也考虑了循环工质内部由于摩擦,涡流及其它不可逆效应所引起的内不可逆性。这些不可逆性对工质作连续流动的吸收式制冷机性能的影响被揭示,并导出了制冷机制冷系数、制冷率和总热传导面积间的优化关系,由此确定了制冷机的重要性能界限。此外,文中还分析讨论了影响内不可逆性的直接因素。 吸收式制冷机的另一应用是太阳能制冷机。太阳能制冷机是利用太阳能的重要节能设备,有广阔的应用前景。第三章建立普遍的不可逆太阳能制冷系统模型。新模型不仅考虑了有限速率热传导和太阳能集热器的热 摘要 损,而且也考虑了第二章所述的内不可逆性。基于新循环模型,导出太阳 能集热器的最佳工作温度这一重要参量。由此获得太阳能制冷系统的最大 总性能系数,进而讨论一些有意义的问题。文中还进一步分析了集热器为 波纹板型的太阳能制冷机的最佳工作温度。结果表明,本文的结论不但包 含有关文献的重要结果,而且更为普遍。 第四章至第七章研究传质不可逆性、工质内部不可逆性及质量漏对化 学循环设备优化性能的影响。 第四章建立了受传质不可逆性、工质内不可逆性和质量漏影响的不可 逆化学机循环模型,导出化学机的输出功率与效率间的优化关系,分析内 不可逆参量对化学机优化性能的影响,并获得化学机一些重要的性能界 限。此外,还讨论了不可逆化学机的最小可用性损失率。 第五章应用优化控制理论,证明了内可逆二源化学泵循环的最优构型 为两个等化学势过程和两个等质量过程所组成的循环。基于最优构型,建 立了受传质不可逆性、内不可逆性和质量漏影响而又不同于不可逆化学机 的一类二源化学泵循环模型,研究多种不可逆性对二源化学泵循环性能的 影响,导出性能系数与泵能率间的优化关系。此外,文中还讨论了最优传 质时间、两个等化学势过程的优化化学势、最大泵能率及其相应的性能系 数、最小输入功和最小嫡产率等重要性能参数,同时也揭示了二源化学泵 与二源热泵间的差异。 第六章和第七章建立了两类不同的不可逆三源化学泵循环新模型,其 一称为不可逆三源化学泵,其二称为不可逆化学势变换器。根据嫡流和能 流方程引入新的内不可逆因子。基于所建立的新循环模型,获得工质在三 个传质过程的优化化学势表式,进而求得不可逆三源化学泵的最佳性能系 数与泵能率间的优化关系,并讨论了最大泵能率及其相应的性能系数以及 分析了它们存在的条件,同时揭示三源化学泵与三热源热泵的不同。此外, 文中进一步讨论了最佳传质时间、最小嫡产率等;还阐明了三源化学泵与 二源化学泵或化学机之间的联系。最后证明了两类三源化学泵都有其等效 的化学机驱动二源化学泵的联合循环系统。


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