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不可逆正、反向卡诺和布雷顿循环的有限时间(火用)经济性能优化

张翼  
【摘要】:卡诺循环模型作为一种理论模型,自经典热力学开创之日起,一直起着十分重要的作用。布雷顿循环作为一种常见的循环,其热机循环被广泛应用于核能、太阳能、军事等领域;其制冷循环运用空气作为制冷剂,在注重环保的当下越来越具应用价值。因此,对这两类循环进行有限时间热力学分析及优化使其更接近工程实际是十分有必要的。本文在全面系统地了解和总结正反向卡诺和布雷顿循环有限时间热力学研究成果的基础上,通过数学建模、理论分析和数值计算,分别对不可逆卡诺热机循环、不可逆卡诺制冷机循环、不可逆布雷顿热机循环、不可逆布雷顿制冷机循环的有限时间火用经济性能进行了优化,得到了一些有重要理论意义和实用价值的研究成果。在对卡诺循环的研究中,本文综合考虑热阻、热漏及其它内不可逆性,分别导出了广义不可逆卡诺热机、广义不可逆卡诺制冷机在传热规律服从)(n??TQ和??TQ)(n时,热力循环的有限时间火用经济最优性能,导出了各种传热规律、各种不同损失项下各种热力循环的最优利润率与特性系数间的基本优化关系,并得到了最大利润率所对应的最佳特性系数界限。由数值算例对不同传热规律、不同损失情况下的卡诺热机及卡诺制冷机的性能变化规律进行了比较,得到的一系列关系曲线有助于更深入地了解传热规律、热阻、热漏、内不可逆性对有限时间火用经济性能的影响。在对布雷顿循环的研究中,本文考虑换热器、压缩机和膨胀机的不可逆性,研究恒温及变温热源条件下简单及回热式不可逆正、反布雷顿循环的最优性能,导出利润率解析式。用数值算例分析利润率与压比、换热器的热导率分配及热容率匹配的关系。对于恒温热源条件下的正、反不可逆布雷顿循环,可同时优化压比与热导率分配,从而得到利润率的双重最大值。对于变温热源条件下的不可逆布雷顿制冷循环,可同时优化热导率及热容率匹配,使利润率取得双重最大值。对于变温热源条件下的不可逆布雷顿热机循环,可同时优化压比、热导率分配及热容率匹配,使利润率取得三重最大值。此外,本文还分析了其他重要参数对不可逆正、反布雷顿循环的有限时间火用经济性能的影响。本文通过价格比,将正、反向卡诺及布雷顿循环的利润率目标与功率、制冷率、熵产率及生态学目标建立联系。


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