一种实际不可逆循环系统的等价热力变换分析法

提出一种等价热力变换分析法，它根据有效能消耗总伴随着热量输运过程的物理事实，定义了各子过程和循环的等效热力温度，把实际不可逆循环的热力／热泵循环系统等价变换为简单的正／逆卡诺循环系统进行分析，导出的等效高温热源温度计算式奠定了等价热力变换分析法的基础；提出采用玮．h图和TR—q图作为热力／热泵系统性能分析和有效能消耗分析的工具图，可直观表示热力系统中多种物质的热量、功量交换和焓的变化，易于计算出系统性能系数和各项有效能消耗；以热泵热水器和R22工质为例，系统介绍了等价热力变换分析法，示范性给出了等价热力变换分析法中关键参数的拟合式，展示了该分析法在变工况性能模拟和推算应用中的优势和良好前景．     

传热对热布朗热泵性能的影响

本文建立了热布朗热泵的有限时间热力学模型.假设热源与黏性介质间服从牛顿传热规律,导出了供热率和供热系数的解析式.分析了传热对布朗热泵性能的影响,给出了布朗热泵的有效工作区域,并与宏观内可逆卡诺热泵的性能进行了比较.在总热导率一定的约束下,通过优化热导率分配得到了系统的最大供热率.结果显示新模型的供热率比非平衡热力学模型的供热率更小,且更接近实际.增强热源与黏性介质间的传热可以有效提升系统的性能.供热率关于热导率分配比存在极值,供热系数不受热导率的影响.当总热导率无穷大时,模型变为非平衡热力学模型.缩小热源间的温差可提高供热率,供热系数与热源温度无关.     

低温蒸汽联合回热ORC系统变工况热效率的优化

为研究变工况下抽汽-乏汽联合回热系统的热力性能,建立热源与冷源变化的联合回热系统模型,对不同抽汽压力、不同回热器效能下系统热力性能随热源温度T_g与冷源温度T_0变化的规律进行分析,并在变工况下对不同回热循环系统的热力性能进行比较。结果表明:在不同抽汽压力与回热器效能下,系统净输出功、热效率均随热源温度升高不断增加,效率存在一最佳值;系统各热力性能随冷源温度增加则不断降低;在变工况下,当热源温度较高或冷源温度较低时增加抽汽回热、乏汽回热效果显著,在热源温度T_g=140℃,冷源温度T_0=10℃时,其热效率分别比其他三种循环(抽汽回热系统、乏汽回热系统、无回热系统)高1.03%、1.13%及2.78%,同时,热源与冷源温度增加,最佳抽汽压力增大,反之降低。     

基于概率方法的化学反应驱动热机有限时间热力学分析

基于Arrhenius动力学理论的化学反应驱动热机的功率优化,通过综合考虑将化学反应速率系数作为有限时间限制的条件以及化学反应过程与热机热力耦合过程的最优构型问题,分别对一级反应动力学模型和二级反应动力学模型进行了有限时间热力学分析,得出了化学反应与热机热力耦合关系的有限时间热力学特性对功率优化的影响.结合本文的计算结果与前人的工作分析可知,化学反应驱动3种热机模型时均存在一个最佳流率使装置的输出功率达到最大值,但在实际情况下,化学反应驱动一个按广义卡诺循环运行的热机时才能输出最大功率,且此时的最佳流率也能使装置的燃料效率接近最优.基于概率分析的有限时间热力学方法能够更加精确地描述热力系统的各项性能参数,本文通过概率分析的方法建立了一级反应动力学理论的概率模型,得到了化学反应驱动热机的功率和燃料效率的波动界限.所得结果不仅包含了传统分析方法的平均解,还将微尺度情况下的随机起伏考虑进去,能为微型尺寸系统的实际性能的预测提供更加丰富的信息.     

斯特林循环输出功率优化分析

基于有限时间热力学理论,结合理论和熵产理论,以输出功率最大为目标对斯特林循环进行了分析和优化,探讨了损失、耗散、熵产、熵产数及改进熵产数在系统参数优化方面的适用性.研究表明,当循环的热源为给定温度的无限热容热源时,系统的最大损失率对应于最大输出功率,最小熵产率和耗散率极值不与最大输出功率对应.当系统的热源为有限热容热源时,在给定高低温热源流体入口温度和热容量流的条件下,系统的最大损失率、最小熵产率、最小熵产数和最小改进熵产数均对应于系统最大输出功率,而耗散率极值不对应.随着高温热源流体热容量流增加,系统的输出功率、损失率、熵产率和耗散率均随之增加,而熵产数和改进熵产数先减小后增加.综合而言,在本文讨论的各种工况下,损失的概念用于斯特林循环输出功率优化时,其一致性优于本文讨论的其他参数.     

基于平板热管技术的电池热管理系统实验研究

温度是影响锂离子动力电池性能的关键因素,本文采用平板热管作为电池热管理的传热部件,实验研究了平板热管在不同电池产热功率条件下的传热性能和均温性,理论计算了平板热管扩散热阻及导热系数.研究表明,在25 W产热条件下,平板热管扩散热阻为0.044℃W-1,等效导热系数650 W K-1,随着电池产热功率的增大,平板热管的扩散热阻降低,等效导热系数显著增大.在多热源条件下,平板热管表面最大温差低于4℃,表明其较好的均温性,在电池热管理系统中具有较好的应用前景.     

非等容多腔微型摆式发动机的带回热混合动力循环特性分析

常规微型摆式发动机效率低下、功率不足,针对这一缺陷,提出一种适于微型摆式发动机的可回热新型混合动力循环,研究表明,其热力特性能够显著改善发动机性能.首先改进摆式发动机为非等容多腔结构,在混合动力循环作用下,发动机与螺旋式回热器实现了理论联合运转,通过回收排气余热和抑制热泄漏两个途径提升整机效率.发动机稳态工作过程仿真结果表明,以不带回热的新型混合动力循环运行的微型摆式发动机,其热力性能较单一循环发动机具有明显优势;考虑泄漏效应后,混合循环由两个独立的四冲循环与两个独立的二冲循环构成,且发生泄漏的两相邻腔室必属不同循环,二者热力特性具有明显差异.应用该回热技术后,微型摆式发动机性能得到了大幅提升,其中四冲腔室热效率相对提升达45.31%,整机效率亦相对提升了14.09%.该数值模拟结果从原理上初步证明了该技术的可行性与先进性,对于促进微型热机的发展具有重大现实意义.     

有效能消耗系数及其与熵产数和耗散数的比较

提出用不可逆过程的有效能消耗系数表征不可逆过程的不可逆度,建立了不可逆度与热力系统的热效率和热泵系统的性能系数关系式.举例与熵产率、熵产数、耗散率及耗散数进行了比较.结果表明对于不考虑功量消耗的不可逆过程,有效能消耗系数、耗散数和修正熵产数,都能表示过程的不可逆性,三者的趋势相同,而采用Bejan定义的熵产数则出现"熵产悖论",同时有效能消耗系数的倒数可作为传热过程的传热效率.因此,有效能消耗系数适用于表征热/功转换、功/热转换、热输运各环节的不可逆度,更具有普适性.     

不可逆循环的广义热力学动态优化研究进展

本文在简要回顾有限时间热力学、熵产生最小化理论、理论、广义热力学优化理论的基础上,从理论热力循环(包括恒温热源理论热机循环,变温热源理论热机循环,串接、联合和多热源理论热机循环,具有非均匀工质的理论热机循环,多级热力循环)、理论化学机循环(包括单级等温化学机循环,单级非等温化学机循环,多级等温化学机循环,多级非等温化学机循环)、工程热力与化学循环(包括活塞式加热气缸膨胀过程,内燃机循环,光驱动发动机循环)、商业机循环等不可逆循环动态优化研究方面介绍了广义热力学优化理论的研究进展,最后指出除在研究对象范围和研究内容方面进一步拓展与细化外,追求物理模型的统一性、优化方法的通用性和优化结果的普适性是广义热力学优化理论的另一重要发展趋势,包括建立广义机模型.     

空气/水双源热泵废热再用热水装置的性能分析

提出一种新型空气/水双源热泵废热再用热水装置,其热泵系统可用空气源或水源或空气源-水源联合3种模式加热水.自来水分两级加热,先由废热水预热,后经热泵再加热;废热水热能分两级回收,先供自来水预热,后作热泵水源循环热源.采用无量纲对比态分析法,并参考了实验值拟合的空气源热泵、水源热泵性能系数计算式,以及废热回收-预热器的增益系数计算式,导出了装置6种运行模式的性能系数计算式,分析了废热回收-预热器的换热与热泵的吸热、放热关联的不同工况特性,为选择最优运行模式和参数提供参考.分析和实验表明,本装置的性能系数在冬季也能到达4～5.5,为普通空气源热泵热水器2倍,废水余热利用率优于废水仅作预热或热泵热源情况,节能效益明显.另外把无量纲对比态分析法引进到热泵循环性能分析中,也有理论意义和实际使用价值.     

微纳米线材多物性参数综合表征系统的研发

微纳米线材具有与宏观材料显著不同的性能,在微纳机电系统传感器和微纳电子器件中有广泛的应用.由于宏观尺度下的测量方法难以适用于纳米尺度材料物性的表征,研发表征微纳米线材物性参数的方法和技术越来越引起广泛关注.本文开发了一套综合测量微纳米线材热物性、电物性和热电转换性能的高集成表征系统,能够实现对微纳米线材在40~500 K范围内的精确综合测量,可测量的物性包括电导率、电阻温度系数、热导率、热扩散率、比热、吸热系数、塞贝克系数和优值系数.针对上述系统,本文进行了不确定度分析,且对已知物性参数的铂(99.95%Platinum)和康铜(Constantan,60%Cu 40%Ni)细线进行了测量和对比,校验了本系统的测量精度.本文研发的表征系统填补了国际上纳米线材多物性参数测量系统的空白.     

基于仿生优化的高效导热通道的构造

针对导热优化的一个基本问题，即体点问题，采用基于生命演化原理的仿生优化方法，对导热区域中插入的高导热材料的布置进行了优化，构造了不同条件下的高效导热通道。优化时首先根据温度梯度均匀化的原则，通过数值方法模拟了高导热材料的进化和退化过程，得到高导热材料最优布置，然后对其结构特征进行分析，最后构造出具有该结构特征且便于实施的规整结构。结果表明，当区域中的内热源为均匀分布以及高导热材料与基底材料的导热系数比值比较大时，仿生优化得到的高导热材料结构与树网构造方法得到的结构具有类似的结构特征与相近的传热效果。当内热源为均匀分布且导热系数比值比较小时，高导热材料主要集中在热量的出口。当内热源为非均匀分布时，导热材料密集在具有热源的区域内，并在热源和热量出口之间构建了高效导热通道。     

再分配伪逆算法分配效率研究

多操纵面先进战斗机在进行舵面分配设计时,分配效率是衡量分配算法优劣的一个重要指标.再分配伪逆算法(RPI)的分配效率取决于伪逆阵的选择,其可达转矩集是一个复杂的非凸多面体.本文利用"微元"的求解思路,对二维及三维RPI算法的分配效率进行了研究,给出一种近似求解RPI可达转矩集的方法.将RPI分配效率作为适应度函数,通过遗传算法来选择具有最优分配效率的广义逆阵,从而提高RPI算法的分配效率.以某飞机的数据进行基于RPI的分配器设计,结果显示此方法显著提高了算法的分配效率.     

热力系统整体分析和优化的热量流法

热力系统的性能优化对提高能源利用效率具有重要意义,但传统分析方法难以满足复杂系统高效分析的需求.近年来基于理论发展的热量流法及相应的求解算法为热力系统的分析与优化提供了一种新的解决方案.本文首先介绍热力系统热量流模型的规范化构建方法,并以余热回收朗肯循环为例说明了模型构建的具体流程.随后,结合系统中工质的流动约束及物性,提出了热力系统整体数学模型的规范化构建方法,能够分离系统约束中线性、非线性显式和非线性隐式约束,最少化需要迭代求解约束的数量.利用上述约束分离特性提出了热力系统整体数学模型的分层-分治求解算法,能够大幅降低计算复杂度,并显著提高计算鲁棒性.最后,以三压蒸汽发电系统为例,阐明了热量流模型及分层-分治算法与传统求解方法相比在求解时间、所需初值数量等方面的优势.     

三热力系统耦合性能研究

本文研究的三热力系统-燃气动力空调机组是一种内燃机结合压缩式和吸收式制冷的空调机组，其基本原理是以燃气为动力，燃气轮机直接带动制冷压缩机进行压缩制冷循环，并利用燃气轮机排出的废气作吸收式制冷循环。从基本优化关系式出发，对排气温度作为系统控制变量的制冷系统性能作了详细的研究，分析了系统性能系数和制冷率之间的关系，讨论了取得性能系数和制冷率协调的制冷循环最佳工况点的选择以及实际系统可能工作状况的选择，得到了一些有实际指导意义的新结论。     

双电层电容器电极平衡技术的研究

以复合型活性炭为原料,通过拌浆、涂布、干燥及老化检测等工艺制备出正负电极厚度不同的方形双电层电容器,通过加速循环寿命测试分析了不同电极厚度双电层电容器体积比电容与内阻等方面的变化.结果表明：长时间的加速循环寿命测试会导致电容器隔膜变黄、变黑;当正极厚度大于负极时,双电层电容器具有更加稳定的电化学性能和更小的膨胀率.此外,在电容器负极厚度一定、电极平衡系数为0.20时,双电层电容器的综合性能最佳.     

等热流圆管内潜热型功能热流体层流换热的内热源模型及应用

从对流与导热的相似性出发, 揭示了潜热型功能热流体强化换热的物理机制. 针对平均比热容模型的局限, 发展了内热源模型, 优化了其数值计算方法, 对影响速度充分发展的等壁温圆管内该类流体层流流动换热强化的各因素进行了敏感性分析, 弄清了影响换热强化的主要因素及其强化换热的机理, 提出了表征功能热流体换热强化程度的修正Nu数.     

两有限势库内可逆广义机最大广义输出的最优构型

寻求普适的优化结果是广义热力学优化理论研究的重要目标之一.前人对于热机、化学机、电池做功电路和商业机等循环的动态优化研究均仅限于具体学科的研究对象,研究结论有其独特的学科适用范围,无法揭示这些不同学科内研究对象和研究结论之间的共性规律.本文在回顾现有热力化学循环动态优化研究文献的基础上,基于广义热力学优化理论的研究思路,首先建立了两有限势库内可逆广义机的物理模型,形成了相应的动态优化问题,即在广义位移守恒方程约束下求解广义机循环广义输出最大化及与之对应的循环最优构型.然后,分别应用欧拉-拉格朗日方程和平均最优控制理论导出了普适的优化结果,并基于普适结果得到了广义流率和广义速率间满足3种特定关系时更为简化的优化结果.接着,进一步讨论了上述研究结果和结论在热力循环、等温化学循环、电池做功电路和商业机循环等特例中的应用.最后,提出了不可逆循环"广义热力学动态优化"的研究思想.本文研究丰富和完善了广义热力学优化理论.     

封闭腔导热辐射与自然对流耦合换热的数值研究

对具有导热和表面辐射换热相互耦合的封闭腔内的自然对流进行了数值研究,计算采用层流模型,为SIMPLE算法,QUICK差分格式.计算结果表明,在自然对流的封闭腔内,辐射换热比对流换热更占主导地位.当具有固体层时,导热的效应使总的对流换热有所增长(曲线的初始部分),但当固体层的导热系数比超过一定值时(kr≥10),再增加固体的导热性能,对封闭腔内的流动和换热的影响就不明显了.从数值上证实了在实际的建筑环境中,只要外围护结构的厚度达到一定的数值就可以达到隔热保温的要求.再增加厚度并不会得到更好的效果.     

非晶金刚石纳米棒阵列制备及其场发射性能

采用磁过滤等离子体结合氧化铝模板技术制备了具有优异场发射性能的非晶金刚石纳米棒阵列膜. 显微分析表明, 阵列棒分布均匀, 棒密度达10⁹ cm^–2. 场发射性能测试表明, 其最低阈值电场为0.16 V/μm, 在2 V/μm较低电场值下可获得最大电流密度180 mA/cm², 并且发射电流在长时间内非常稳定. 利用扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱(IR)和场发射测试装置等手段对样品的形貌、内部结构以及场发射性能进行表征. 初步探讨了非晶金刚石纳米棒阵列场发射机理.