量子斯特林热机的输出功和热效率

量子斯特林热机工质为一维势阱中的粒子,其循环由两个等内能过程和两个等势宽过程组成,分别对应经典斯特林热机的两个等温过程和两个等容回热过程。建立二能级系统量子斯特林热机的量子力学模型,研究工质系统量子态的演化规律。通过求解Schr?dinger方程,分析量子斯特林热机循环的量子力学机理。考虑热漏的影响,得到热机的最大输出功和最大热效率。数值计算表明输出功与热效率之间的关系曲线是回原点的柳叶形,与经典斯特林热机循环输出功和效率之间的关系曲线形状相同。在最大输出功和最大热效率之间的曲线,是量子斯特林热机的最佳运行区段。研究结果有助于了解量子斯特林热机的最优热力性能,为量子斯特林热机的最优设计和模型评估提供依据。     

再热回热布雷顿循环的热力学分析

对再热回热布雷顿循环进行了热力学第一定律和第二定律分析,导出了输出功、熵产、热效率和(火用)效率的解析式.通过数值算例分别讨论了各个性能目标与再热压比和总压比的关系,并对再热压比进行了优化.分析了回热度、压气机和涡轮机效率和再热终点温度对循环性能的影响,所得结果对实际布雷顿热机的参数选择和优化设计具有一定的指导意义.     

活塞轴向综合误差对斯特林热机循环影响分析

基于施密特循环理论分析方法,以功率25 kW、转速1500 r/min的斜盘式太阳能斯特林热机为例,考虑各个工质循环单元中最小循环压力不变及各种热损失的情况下,利用Matlab软件计算分析了斜盘传动机构中活塞轴向综合误差对斯特林热机循环性能的影响.分析结果表明：该误差对斯特林热机的最大循环压力、基本功率、输出轴扭矩和示功循环效率等性能产生了一定的影响,对斯特林整机运行造成不同程度的不平衡性.     

机械功在热能与动力工程中的应用与优化

探讨了工程热力学中的体积功、流动功、技术功、轴功等几种机械功的物理意义和相互之间的关系,分析了其在热能与动力工程领域中的实际应用,提出了优化几种机械功的应用方案。通过调整混合气余气系数、调整滑油温度、废气利用等方式可提高航空活塞发动机曲轴功,提高发动机热效率;提高压气机增压比可提高燃气涡轮发动机热效率,增大发动机推力;采用定温压缩和级间冷却可降低空调、制冷装置压缩机的压缩功,节约电能;充分冷却热力发电装置中冲击汽轮机做功后的水蒸气可以减少水泵加压所消耗的轴功,减少水泵的功率和数目。     

冷却水耗功对有机朗肯循环影响的热力学分析

由于有机朗肯循环的热效率相对较低,冷凝过程放热量大,冷却水耗功对系统性能的影响较大。研究中考虑冷却水循环,定义水泵耗功比为冷却水耗功与循环功的比值,对有机朗肯循环的系统性能进行热力学分析,研究了冷却水耗功模型中重要参数的影响规律。研究结果表明:提高蒸发温度,水泵耗功比下降;提高冷凝温度,水泵耗功比增大。环境温度为20℃和冷却水初温为25℃时,冷凝器有最小的不可逆损失19.03 kW,系统有最小的不可逆损失为140.32 kW。冷却水温升对水泵耗功比的影响显著,冷却水温升减小,水泵耗功比非线性下降;提高水泵扬程,水泵耗功比线性增大。冷却水温升小于8 K或水泵扬程大于15 m,水泵耗功比大于5%,冷却水耗功对系统净输出功的影响不能忽略。     

理想气体热机循环热效率的一种测量方法

理想气体定压热力过程的温度与比熵的函数关系式为 T=e^（（s＋s0）/cp ）,本文探讨理想气体不同压力的定压热力过程其温度与比熵函数关系式之间的关系,并利用这一关系提出一种测量理想气体热机循环热效率的的方法。     

基于空气热机的热机效率分析及在教学中的应用

热机实验是大学物理必修课程中热力学实验教学环节的重要组成部分,本文利用卡诺定理和热力学第二定律对热机的做功过程进行详细分析。实验通过示波器对热机循环过程中的非电信号的数字化和对两种交流信号进行耦合分析,得出其与热机实际做功值的关系,从而验证此空气热机所满足的卡诺定理。在此基础之上,进一步分析热机在负载情况下的做功情况,由此导出空气热机在负载情况下的效率转换值与转速的关系,进而得到此类空气热机输出效率最佳值及其所满足的条件。结合我校热力学实验教学内容,为今后热力学教学工作提供一些参考意见。     

热电子热机最大功率运行时的效率特性研究

基于单通道的热电子热机模型,导出了热机在中间运行模式和最大功率运行模式下输出功率和效率的解析表达式,系统分析了热机在这两种模式下的最大功率时的效率(EMP)特性,得到了EMP的一般特性关系曲线。获得了过滤器中心能量位置和能量宽度等设计参数对对EMP特性的影响特点;确定了该效率的取值界限和有效区间。所得结果对热离子和热电装置等实际电子热机系统的设计和运行具有理论指导意义。     

热声制冷机板叠性能指标数值计算与遗传算法优化

板叠是驻波热声热机的重要部件,直接影响热声热机的效率。针对驻波热声制冷机,构造了一个板叠性能指标的数值计算方法及其优化设计方法。分析基于短板叠近似理论的计算方法的局限,构造迭代数值方法同时求解制冷量、压力、体积流率、平均温度分布以及温度梯度等参数,从而计算出板叠性能指标;基于该迭代方法探讨了热声板叠长度、宽度、位置、阻塞率以及温差等与板叠性能指标之间的关系;以板叠长度、宽度、位置、阻塞率为优化设计变量,板叠性能指标为优化目标,利用遗传算法,对驻波热声制冷机板叠进行了优化设计。与基于短板叠近似理论的方法相比,由于考虑了更多的实际因素,该方法数值计算结果更为准确,优化设计结果更容易被接受。     

热声热机技术的研究进展

首先简要地介绍热声热机(包括热声发动机和热声制冷机)的基本工作原理和热声技术特点,指出热声热机是基于热致声效应和声制冷效应两类热声效应而工作的,它完全没有机械运动,采用惰性气体工作,是一种可靠性高和环保的新型的能源转换机械.然后重点介绍近十几年来国内外在热声技术研究方面所取得的重要进展,主要包括在热声发动机和热声制冷机两个方面.在热声发动机研究方面,简要回顾热声效应的发现和驻波热声发动机的研究进展,接着介绍行波热声发动机的提出和迅速发展历程,重点介绍热声转换效率达到30%的热声斯特林发动机和压比达到1.3(采用氦气)、效率达到32%的聚能型热声发动机研究工作;在热声制冷技术方面,分别介绍热声驱动脉冲管制冷获取低温的研究工作以及热声驱动室温制冷机获得高效率、大冷量等方面的研究工作,并重点介绍采用声压放大器获得液氢温度以下的完全无运动部件热声驱动脉冲管制冷机(低于20 K),以及在-20℃获得了300 W以上的制冷量的双行波流程的热声驱动室温热声制冷机.最后,扼要地介绍热声理论方面的研究进展,并对热声技术的问题和该研究领域的发展方向进行展望.     

不同结构石墨烯发声器的热声效率

为了研究不同石墨烯发声器结构对热声效率的影响,建立了石墨烯发声器的声压解析模型,对单层石墨烯发声器、多层石墨烯发声器以及镍铬基的泡沫石墨烯发声器的发声效率进行了理论与实验研究。首先,介绍了石墨烯发声器的工作原理,建立了石墨烯发声器的周期性温度变化模型和声压解析模型。然后,实验研究了单层石墨烯发声器、多层石墨烯发声器以及镍铬基的泡沫石墨烯发声器的热声效率。实验结果表明在14~25 kHz内,施加6 V交流电,测距为6 cm的条件下,单层、多层和泡沫石墨烯发声器的最高SPL分别为35.19,20.36和33.42 dB,SPL理论值最高约为37.45 dB。具有较低电阻,较低比热容,较高导热率的石墨烯发声器可以获得较高的热声效率和声压。     

内燃式水动力装置有效热效率特性

通过试验研究了内燃式水动力装置的有效热效率特性。内燃式水动力装置将传统内燃机与柱塞式水泵技术集成为一体,直接利用活塞往复直线运动输出水压能。定义了系统最佳有效热效率区和最佳有效热效率特性曲线并与传统内燃机驱动柱塞泵系统进行了比较。全工况有效热效率比传统内燃机驱动柱塞泵系统改善13．63％～ 74．45％。相同有效热效率水平下包含的工况明显比传统内燃机驱动柱塞泵系统宽广。内燃式水动力装置各油门开度下最高有效热效率在19．91％～28．88％之间,对应转速为1400 r／min。     

椭圆齿轮驱动结晶器非正弦振动的研究

开发并应用了椭圆齿轮驱动结晶器非正弦振动装置。在分析非正弦振动产生原理的基础上,给出了振动的位移、速度和加速度函数,并提出了实现机构——椭圆齿轮驱动机构。采用了弹簧缓冲的结晶器谐振技术,提高了振动平稳性,减少了振动冲击和驱动电动机功率。对振动的工艺参数和动力学特性进行了分析。工业应用表明此技术对减少拉漏、减轻振痕、提高铸坯表面质量及提高拉坯速度等方面效果显著。     

考虑压降的开式布雷顿CHP装置性能优化

考虑工质在流动过程中的压降不可逆性,建立开式简单布雷顿热电联产装置的有限时间热力学模型。以可用能率、火用输出率、利润率、第一定律效率和火用效率为目标研究装置的性能。通过Matlab数值计算,在无燃料消耗和装置尺寸约束下,优化了压气机进口相对压降,得到了最优可用能率、火用输出率和利润率,进一步优化压比,得到了最大火用输出率和利润率;在有约束条件下,优化压气机进口相对压降,得到了最优第一定律效率和火用效率,同时得到了各部件最佳的流通面积分配,进一步优化压比,得到了最大第一定律效率和火用效率。研究设计参数对装置最优性能的影响,发现分别存在最佳的供热温度使火用输出率、利润率和火用效率取得双重最大值。通过比较发现按最大火用输出率设计能使装置具有较大的可用能率和较低的压比,按最大利润率设计能使装置具有较大的第一定律效率和火用效率以及较低的燃料和空气消耗。     

Power optimized work limit for internally irreversible reciprocating engines

The theory of irreversible thermodynamics for reciprocating externally irreversible cycles gives rise to an optimum efficiency at maximum power output of η=1−(T_L/T_H)^0.5 for internally reversible Carnot cycles, in contrast to the upper limit for Carnot cycles of η=1−(T_L/T_H) obtained from classical thermodynamics. It is shown here in addition, for the internally irreversible reciprocating Carnot cycle using linear heat transfer modes, that the optimum work output at maximum power (W_opt) is less than (and in the limit of no internal irreversibility is equal to) exactly one-half of the work potential of the externally reversible cycle operating at maximum thermal efficiency (Carnot work, W_rev) between the same temperature limits (i.e., ). To accomplish this the analysis goes one step further than earlier works to make use of time symmetry to minimize overall cycle time and thus better optimize overall cycle power. Because this novel procedure implies the concurrent use of first and second laws of thermodynamics, it automatically ensures optimal allocation of thermal conductances at the hot and cold ends while simultaneously achieving both minimization of internal entropy generation and maximization of specific cycle work. Based on linear heat transfer laws, this expression for optimum work is shown to be independent of heat conductances.     

涡轮转子起动温升曲线优化及试验研究

涡轮转子在快速起动的过程中会产生较大的热应力,影响转子的热疲劳寿命。结合遗传算法与转子结构热分析,提出发动机起动温升控制曲线非单调参数化,对涡轮转子快速起动过程中的温升控制曲线进行优化设计。优化过程以转子最大热应力为目标函数,计算搜索最优解,并研究温升控制曲线对转子最大热应力的影响。结果显示,优化后的发动机快速起动温升控制曲线可以有效地降低转子的最大热应力和缩短快速起动时间。同时,为了验证提出的涡轮转子快速起动温升曲线优化设计方法的有效性,搭建转子热冲击应力测试试验台,通过对比优化前后温升曲线下的转子最大热应力,验证了理论分析结果。提出的优化设计方法可以为发动机设计初期的快速起动控制方案设计提供一定借鉴。     

The measurement method solving the problems of engine output characteristics caused by change in atmospheric conditions on the principle of the theory of optimal temperature range of exhaust system

All high-performance engines are sensitive to changes in external atmospheric conditions, which are immediately reflected in changes in the engine output characteristics. At best only they effect decreasing of the maximum engine power. However, in a more difficult situation, there is the possibility of excessive detonation combustion process during certain changes in atmospheric conditions. The exhaust system temperature significantly affects the maximum output power and the combustion engine characteristics. With increasing temperature of combustion products in the exhaust system there is an overall reduction in maximum power and its transfer to a higher engine speed because of the length of an exhaust manifold is theoretically shorten. Therefore, to achieve the maximum values of output parameters, it is necessary to ensure an optimal temperature value of the combustion products in the exhaust system. This article also provides optimal temperature range of working temperature as well as it presents a theoretical analysis of the impact for atmospheric conditions in this interval. Based on theoretical results there has been developed a measuring method, which allows to regulate the input amount of the fuel mixture supplied to a cylinder during change in atmospheric conditions and its functionality was experimentally verified.     

实际联合动力循环有限时间热力学研究

基于有限时间内传热不可逆情况,用有限时间热力学方法建立了内可逆内燃机循环与斯特林循环相结合的联合动力装置的热力学模型,导出了以压缩比、温度比等循环参数表示的联合循环功率和效率表达式,通过对温度比（斯特林循环吸热温度与内燃机循环初始放热温度的比值）的数值计算分析,验证了温度比对联合循环功率和效率的影响,以及联合循环功率与效率之间的关系。该分析结果对联合循环动力装置的性能研究具有实际指导意义。     

Multi-objective optimization of combustion,performance and emission parameters in a jatropha biodiesel engine using Non-dominated sorting genetic algorithm-II

The present work studies and identifies the different variables that affect the output parameters involved in a single cylinder direct injection compression ignition (CI) engine using jatropha biodiesel. Response surface methodology based on Central composite design (CCD) is used to design the experiments. Mathematical models are developed for combustion parameters (Brake specific fuel consumption (BSFC) and peak cylinder pressure (P_max)), performance parameter brake thermal efficiency (BTE) and emission parameters (CO, NO _x , unburnt HC and smoke) using regression techniques. These regression equations are further utilized for simultaneous optimization of combustion (BSFC, P_max), performance (BTE) and emission (CO, NO _x , HC, smoke) parameters. As the objective is to maximize BTE and minimize BSFC, P_max, CO, NO _x , HC, smoke, a multiobjective optimization problem is formulated. Nondominated sorting genetic algorithm-II is used in predicting the Pareto optimal sets of solution. Experiments are performed at suitable optimal solutions for predicting the combustion, performance and emission parameters to check the adequacy of the proposed model. The Pareto optimal sets of solution can be used as guidelines for the end users to select optimal combination of engine output and emission parameters depending upon their own requirements.