两类粒子交换型热机和制冷机的性能特征

两类粒子交换型热机和制冷机的性能特征

论文摘要

传统的热机和制冷机的工作物质是各种经典物质。近年来,随着理论研究的深入和实际的需要,一种以电子为工作物质的新型热机和制冷机模型即电子机被提出。电子机由两个温度和化学势都不相同的电子库组成,电子在温度梯度和化学势梯度的作用下可发生定向传输运动。根据热力学第一定律,伴随电子的传输,两电子库有一定热量的吸收或释放。对应于两电子库之间传输的电子流,两电子库之间存在相应的热流。进一步地,T.E.Humphrey,H.Linke等人在两电子库之间人为地加上一个理想化的能量过滤体,从而实现了对电子的选择性传输,这就是本论文所要研究的能量选择性(ESE)热机和制冷机模型。T.E.Humphrey等人研究的ESE热机和制冷机是过于理想化的理论模型。实际上,模型中两电子库由于温度的不同以及物质材料的属性,肯定会存在热传导,热辐射等非理想因素。考虑到上述因素,对存在热辐射情况下ESE热机和制冷机性能特征的研究是有必要的。文中第二章和第三章中分别研究了热辐射条件下ESE热机和制冷机性能特征。分析了能量过滤体的能量位置,过滤体的能量宽度和热辐射系数对系统性能的影响。在此理论基础上,第四章研究了双共振(双能量过滤体)ESE制冷机的性能特征。分析了双能量过滤体能量位置,过滤体能量宽度以及两过滤体能量间隔对系统性能的影响。得到了一些比前人更细致,更全面的结果。对于实际电子热机和制冷机的设计给出了一个较完善的理论指导。基于热离子发射理论以及著名的理查德公式(Richardson’s equation),早期V.C.Wilson和J.M.Houston研究了由热离子发射引起的热—电转换和电—热转换问题,并对热离子装置能量转换效率进行了分析。随后,A.Shakouri和J.E.Bowers等人指出在异质结中存在热离子发射机制。在此基础上,G.D.Mahan和L.M.Woods等人提出了基于异质结中热离子发射的热离子制冷机模型。本文第五章研究的就是基于热离子发射的真空热离子制冷机模型,但重要地,第五章中首次考虑到了外界磁场对该模型的各项性能的影响。在分析与讨论中,借助数值计算,得到磁场中真空热离子制冷机的一些优化性能。第六章在第五章的理论基础上,首次提出了磁场中真空热离子热机模型,随后研究了该模型的性能特征,并借助数值计算对此系统进行了优化分析。文中对磁场中真空热离子制冷机和热机性能特征的分析,为如何控制外场的变化,从而得到优化工作性能提供了理论指导。本论文研究的是上述两类粒子交换型热机和制冷机的各项性能特征。通过理论分析和数值计算,做了如下工作:第二章基于能量过滤体对电子的选择性传输,针对不同电子库组成的电子热机,考虑电子库之间存在热辐射条件下,运用费米—狄拉克统计分布,推导出了热辐射下两电子库的净电子流密度随能量的分布函数,得到相应的热流表达式。接着,得到了热辐射时,单能量过滤体ESE热机各项性能参数。分析了热辐系数,能量过滤体对热机性能的影响。通过数值模拟,画出了该系统的优化性能特征曲线,从而得到了提高该系统工作性能的方法。第二章中,当能量过滤体Er>E0时,ESE系统表现为热机。在第三章中,当能量过滤体Er<E0时,同样的ESE系统则表现为制冷机。本章在第二章的理论基础上,进一步分析了热辐射时,单能量过滤体ESE制冷机的各项性能特征。第四章基于能量过滤体对电子的选择性传输,针对不同电子库组成的电子制冷机,运用费米—狄拉克统计分布,推导出了两电子库之间存在双能量过滤体时,净电子流密度随能量的分布函数,分别得到具有一定能量间隔的两能量过滤体中的热流表达式。接着,计算了双共振能量选择性制冷机各项性能参数,分析了能量过滤体能量位置,能量过滤体宽度和两能量过滤体之间的能量间隔对制冷机性能的影响。通过数值模拟,画出了该系统的优化性能特征曲线,得到了提高该系统工作性能的方法。第五章基于电子在磁场中运动的动力学方程和电子的热发射理论,建立了磁场中真空热离子制冷机模型。根据统计力学中的理查德公式,推导出了两电极之间的电子流密度公式。利用电子传输的热效应,进而推导出磁场中真空热离子制冷机的制冷功率和制冷系数的一般表达式。借助数值计算,分析了该模型的各项性能特征。对该模型的分析为如何控制外场的变化,从而得到优化工作性能提供了理论指导。在第五章的理论和模型的基础上,改变偏电压的值,可使原模型中的净电子流反向,从而形成了第六章中所研究的另一模型—磁场中真空热离子热机。类似地,可以推导出磁场中真空热离子热机的输出功率和效率的一般表达式。同样,借助数值方法,分析了该模型作为热机的性能特征。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 能量选择性电子热机和制冷机的性能研究
  • 1.2 能量选择性电子热机和制冷机模型及其分析
  • 1.3 基于热离子发射的热机和制冷机的性能研究
  • 1.4 本文的主要工作和内容安排
  • 第二章 热辐射条件下能量选择性热机性能特征
  • 2.1 引言
  • 2.2 存在热辐射时ESE热机模型
  • 2.3 存在热辐射时ESE热机性能参数
  • 2.4 存在热辐射时ESE热机性能特征分析
  • 2.5 本章小结
  • 第三章 热辐射条件下能量选择性制冷机性能特征
  • 3.1 引言
  • 3.2 存在热辐射时ESE制冷机模型
  • 3.3 存在热辐射时ESE制冷机性能参数
  • 3.4 存在热辐射时ESE制冷机性能特征分析
  • 3.5 本章小结
  • 第四章 双共振能量选择性制冷机性能特征
  • 4.1 引言
  • 4.2 双共振ESE制冷机模型
  • 4.3 双共振ESE制冷机性能参数
  • 2=E1+ΔE0时双共振ESE制冷机性能参数'>4.3.1 E2=E1+ΔE0时双共振ESE制冷机性能参数
  • 2=E1+ΔE>E0时双共振ESE制冷机性能参数'>4.3.2 E2=E1+ΔE>E0时双共振ESE制冷机性能参数
  • 4.4 双共振ESE制冷机性能特征分析
  • 0/k-μc/k时制冷机性能特征'>4.4.1 ΔE/k0/k-μc/k时制冷机性能特征
  • E0/k-μc/K时制冷机性能特征'>4.4.2 ΔE/K>E0/k-μc/K时制冷机性能特征
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 外磁场中真空热离子制冷机性能特征
  • 5.1 引言
  • 5.2 外磁场中真空热离子制冷机模型
  • 5.3 外磁场中真空热离子制冷机各项性能参数
  • 5.3.1 电子传输速度区间的选择
  • 5.3.2 磁场中真空热离子制冷机电流密度
  • 5.3.3 磁场中真空热离子制冷机制冷功率和性能参数
  • 5.4 外磁场中真空热离子制冷机性能特征分析
  • 5.5 本章小结
  • 第六章 外磁场中真空热离子热机性能特征
  • 6.1 引言
  • 6.2 外磁场中真空热离子热机模型
  • 6.3 外磁场中真空热离子制冷机各项性能参数
  • 6.3.1 磁场中真空热离子热机电流密度
  • 6.3.2 磁场中真空热离子热机的功率和效率
  • 6.4 外磁场中真空热离子热机性能特征分析
  • 6.5 本章小结
  • 第七章 结束语
  • 参考文献
  • 硕士期间完成的论文
  • 致谢
  • 相关论文文献

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