非线性传热情况下斯特林热机的有限时间热力学分析

本文导出斯特林热机工作于非线性传热情况下,最佳功率N与效率η之间的关系。     

混合热阻条件下广义热机的最优构型及其性能

研究了有限热源条件下工质与热源间传热规律服从混合热阻形式时热机的有限时间热力学性能，讨论了循环的最优构型及最优功率与效率间的优化关系，所得结果对实际热机的设计工作具有一定的指导作用。     

辐射传热条件下一类内可逆热机最大效率时的最优构型

对辐射传热条件下给定循环周期和输入能的内可逆热机最优构型进行了研究,利用最优控制理论得出了最大效率时热机的最优构型为8分支循环,其中包括2个等温分支、4个最大功率分支和2个绝热分支．利用泰勒级数展开的方法得出了各分支过程的时间和热源及工质温度的计算方法,并与牛顿传热规律和线性唯象传热规律下最大效率优化的结果,以及辐射传热条件下最大功率优化的结果进行了比较．     

线性唯象传热定律下Otto循环热机活塞运动最优路径

以存在热漏、摩擦等内、外不可逆性的Otto循环热机为研究对象,考虑工质与环境之间传热服从线性唯象传热规律[q∝Δ（T^-1）],给定循环总时间和耗油量,以循环输出功最大为目标对整个循环活塞运动的最优路径进行了研究.利用最优控制理论得出了无加速度约束与限制加速度时对应于循环最大输出功时各冲程活塞最优运动规律及循环总时间的最优分配.限制加速度时各个冲程活塞运动最优构型均由三段构成,且均包含一个初始最大加速段和一个末端最大减速段.给出了最优构型的数值算例,并与牛顿传热定律[q∝Δ（T^-1）]下的最优构型进行了比较.计算结果表明优化活塞运动规律后可使热机功率和效率提高9%以上,主要是通过减少功率冲程初始段的热漏损失实现的.     

非对称有限热源之间热机循环的基本热力学约束

为讨论更一般情形中有限热源之间的热力学约束,探讨了在2个具有非对称热容有限热源之间工作的热机循环问题.假定热源热容C满足德拜定律C∝Tⁿ,高低温热源不对称体现在它们关于温度(T)的幂指数(n)不同.对于通常的固体材料,n由材料的空间维度和所处温度区间决定;在低温热源与高温热源初始热容比很大或很小的2个极限区域,证明了热机最大功率效率关于最大功效率的函数具有不依赖于热源维度的普适形式.在数值上探讨了2热源初始热容大小对称而热容(关于温度变化)行为不对称的特殊情况,结果显示,最大功效率和最大功率效率随高温热源维度的增大而升高,而关于低温热源维度变化的单调性则与低高温热源的初始温度比T_L/T_H有关.这一结果表明,若将有限热源的热容性质纳入其间热机循环的优化考量,则循环在低温端的优化方向(n在给定区间内的大小选择)要由热源初始温度所确定的卡诺效率η_C≡1-T_L/T_H决定.     

线性唯象传热热机系统最大效率时的最优构型

对内可逆热机在线性唯象传热条件下给定输入能和循环周期的最优构型进行了研究，利用最优控制理论得出了最大效率时热机的最优构型为八分支结构，其中包括两个等温分支、四个最大效率分支和两个绝热分支．利用数值计算方法求解了最优构型，给出了数值算例，并与牛顿传热规律下最大效率的最优构型进行了比较．     

熵产生最小时不可逆Otto循环热机活塞运动最优路径

给定循环总时间和耗油量的情况下,以存在传热、摩擦等内、外不可逆性的Otto循环热机为研究对象,考虑工质与环境之间的传热分别服从牛顿传热规律q∝Δ（T）和线性唯象传热规律q∝Δ（T-1）,以循环熵产生最小为目标对整个循环活塞运动的最优路径进行了研究.利用最优控制理论得出了两种传热规律下无加速度约束和限制加速度时对应于循环最小熵产生时各冲程活塞最优运动规律及循环总时间的最优分配.限制加速度时各个冲程的活塞运动最优构型均由三段组成,均包含了一个初始最大加速段和一个末端最大加速段.给出了最优构型的数值算例,并与牛顿传热规律和线性唯象传热规律时最大输出功条件下的最优构型进行了比较.计算结果表明优化活塞运动规律后可使热机熵产生减小30%以上,这主要是通过减少功率冲程初始段传热损失引起的熵产生实现的.     

传热规律为Q∝（△T）^m时热机的内可逆热经济学

对传热规律为Q∝(△T)^m的热机内可逆热经济学做了进一步研究，得到了最优利润和相应的效率与其他参数间的关系。     

广义传热规律下的斯特林热机的Z函数优化

基于广义传热规律Q∝(ΔT)m,建立不可逆斯特林热机模型,并考虑热阻、热漏和回热损失对热机的影响.以Z函数为目标实现功率与效率之间的协调优化,对比研究Z函数与效率、功率与效率,功率与效率的关系曲线,讨论漏热率、回热器效率、回热时间等参数对斯特林热机性能的影响.结果表明:漏热率越小,回热时间越短;回热器效率越大,斯特林机性能越好.     

非线性传热规律下卡诺热机的最佳利润与效率关系

导出了卡诺热机在两种非线性传热规律下，最佳利润与效率间的关系，并得到了其最佳利润时的效率界限。     

热源值的有限时间热力学分析

利用有限时间热力学的概念分析了热源的有限时间Yong值，通过分析指出有限时间Yong值比传统的无限时间Yong值更能反映出热源的实际做功能力。     

实际热声热机微热力学循环性能优化

分析实际热声热机微热力学循环中的诸多因素,运用有限时间热力学方法,导出实际热声热机微热力学循环的效率与输出声功率的最优关系,分析不可逆程度因子及热漏系数对此最优关系的影响.结果表明:实际热声热机微热力学循环中存在一最佳温度振荡值,使循环在得到高效率的同时得到高输出功率,并由数值计算认证了这一结论.     

线性唯象传热规律下的内可逆不雷逊热机循环的功率、功率密度和效率的性能优化

以在高温热源服从牛顿传热规律而在低温热源服从线性唯象传热规律并考虑了热阻和热漏的布雷逊热机为模型,导出了该热机的输出功率、输出功率密度和效率的表达式。讨论了高温换热器的效率、低温热导和热漏对热机各种性能参数的影响。所得结果可对实际热机的优化设计提供理论依据。     

谐振子系统量子热机循环性能

建立一种不可逆谐振子系统量子热机循环模型, 基于Heisenberg表象算符运动方程和半群分析法, 获得了谐振子系统中热力学第一定律和循环的时间演化公式. 推导出量子热机循环的输出功、效率、输出功率和熵产率等重要性能参数的一般表达式. 通过数值解, 得到了在最大输出功率的条件下, 热机循环中各主要性能参数的最佳优化值和优化区间. 最后, 简要地讨论了诸如无摩擦、高温等特殊情况下循环的性能特征.     

复杂传热规律下热声制冷机最优性能

建立了复杂传热规律下广义不可逆热声制冷机的循环模型,运用有限时间热力学方法导出了存在热阻、热漏和其他内不可逆性时,传热指数为复数的热声制冷机制冷率与制冷系数的解析式,分析了传热指数中实部和虚部对热声制冷机最优性能的影响,通过数值计算对不同损失和不同传热规律情况下的热声制冷机最佳制冷系数和制冷率的变化规律进行了比较分析.     

一类内可逆循环运行的优化

本文讨论工作限于有限高低温热源间循环的有限时间热力学过程的优化。这一循环由两个多方过程和两个绝热过程组成,并被广泛地用于实际工作。本文分别讨论了以最大輸出功率、最大效率和最小熵产生率为目标函数运行的优化,井将这些结果与无限熱源条件下优化的结果加以比较。这一模型更接近于实际,结论有较强的指导意义。     

热源值的有限时间热力学分析

利用有限时间热力学的概念分析了热源的有限时间火用值 ,通过分析指出有限时间火用值比传统的无限时间火用值更能反映出热源的实际做功能力 .