Brayton联产循环有限时间热力学分析与优化

论文摘要

提高不可再生能源资源的利用效率,减少能源资源的消耗,是实现我国能源、环境可持续发展的有效途径。以各种Brayton联产循环为基础的燃气轮机热电联产或冷热电联产技术是一项合理利用不可再生能源资源的有效方法,在我国有着广阔的应用前景。从Brayton联产循环理论的角度对该项技术进行热力学分析与优化,对更好地理解和洞察联产循环具有重要的理论研究意义,对实现联产系统的优化设计,提高联产系统的总体性能,更好地发挥联产系统的节能潜力,具有重要的工程指导意义。本文在学习和总结前人研究成果的基础上,运用有限时间热力学方法,对Brayton热电联产循环进行分析与优化研究。通过建立能够反映实际过程本质特征的相对理想化模型,优化不同Brayton联产循环的设计参数,分析各种联产循环的性能影响因素,比较不同联产循环性能。本文的主要研究内容及章节安排如下:第1章介绍了本文的研究背景、目的和意义。对有限时间热力学的研究现状及其在联产循环优化中的应用作了全面回顾,对热电联产技术的发展现状进行了简要介绍。定义了评价联产循环性能的指标:总有用能率和联产效率、总火用输出率和联产火用效率。在第2章、第3章和第4章中,将分别对内可逆简单开式Brayton联产循环、不可逆简单开式Brayton联产循环、不可逆回热开式Brayton联产循环进行分析与优化。通过建立不同联产循环的热力学模型,确定它们各自的有效压比参数范围,推导不同性能指标:效率与总有用能率、火用效率与总火用输出率等多种性能指标的计算公式,分析这些性能参数在一些特殊条件下的结果。通过寻找最佳的联产循环压比参数,实现对不同性能参数的优化。利用数值算例,分析不同性能参数及其优化结果随循环压比参数和循环电热比的变化规律。在第5章中,将对影响开式Brayton联产循环性能的各种因素进行分析,包括循环温比、用户温比、各种内部不可逆性,以及回热度等对联产性能及其优化结果的影响规律,分析提高联产性能的有效途径。在第6章中,将对相应条件下的不同循环性能进行比较,包括:动力循环与联产循环、可逆循环、内可逆循环与不可逆循环、简单循环与回热循环等不同循环之间的比较,分析它们之间的差别,以及它们各自适用的条件。联产的目的是为了节约能源和减少温室气体排放,在第7章中,将直接对开式Brayton联产循环进行能源节约与温室气体减排分析,推导不同联产循环的燃料能源节约率与温室气体减排率的计算公式,并简要分析其与循环设计参数之间的关系。利用前面理论研究的结果,将对以开式Brayton联产循环为基础的燃气轮机联产技术的节能潜力、节能条件以及优化设计区域等工程实际问题进行研究,并开发联产优化设计图,为联产优化设计提供工具。另外,本章还对以微型燃气轮机为基础的建筑冷热电联产系统的组合形式进行探讨,以便工程设计中能够合理地选择系统形式。闭式Brayton循环在核能利用和太阳能热电系统中有着很好的应用前景,因此,在第8章、第9章中,将分别对内可逆、不可逆闭式Brayton联产循环进行研究,通过建立闭式Brayton联产循环的有限时间热力学模型,推导闭式循环的火用输出率与火用效率的表达公式,分析它们随循环设计参数的变化规律,确定最优的压比参数。与开式Brayton联产循环不同,在闭式Brayton联产循环中,还存在着最佳热导分配问题,在第8、9章中,还将研究闭式Brayton联产循环的最佳热导分配和双重优化问题。另外,在第8章中,将对本文的研究结果与文献中的研究结果进行比较,指出文献中研究结果存在的问题及其产生的原因。最后,在第10章中,对全文进行总结,归纳本文的主要研究结论及主要创新点,展望下一步研究的方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 有限时间热力学：从可逆到不可逆
• 1.1 经典热力学及其局限性
• 1.2 有限时间热力学的产生与发展
• 1.3 有限时间热力学在联产循环优化中的应用
• 1.3.1 热电联产概述
• 1.3.2 热电联产系统优化
• 1.3.3 联产循环的有限时间热力学优化
• 1.4 本文研究的背景、目的及主要创新
• 1.4.1 研究的背景和意义
• 1.4.2 研究的目的
• 1.4.3 本文的主要创新
• 1.5 热电联产循环的性能评价指标
• 1.5.1 联产系统总有用能率和联产系统总效率
• 1.5.2 联产系统总火用输出率和联产系统火用效率
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 内可逆简单开式Brayton 联产循环热力学分析与优化
• 2.1 内可逆简单开式 Brayton 联产循环模型
• 2.1.1 循环的热力过程
• 2.1.2 循环的数学模型
• 2.1.3 循环的电、热输出与电热比
• 2.2 内可逆简单开式 Brayton 联产循环效率与有用能率优化
• 2.2.1 内可逆简单开式 Brayton 联产循环效率分析
• 2.2.2 内可逆简单开式 Brayton 联产循环的有用能率最大化
• 2.3 内可逆简单 Brayton 联产循环火用效率与总火用输出率优化
• 2.3.1 内可逆简单 Brayton 联产循环火用效率分析
• 2.3.2 内可逆简单 Brayton 联产循环的总火用输出率最大化
• 2.4 数值验证与分析
• 2.4.1 R 和θ对内可逆简单开式 Brayton 联产循环性能的影响
• 2.4.2 内可逆简单开式 Brayton 联产循环性能参数之间的关系
• 2.5 能率优化结果与火用率优化结果比较
• 2.6 本章小结
• 第3章 不可逆简单开式Brayton 联产循环热力学分析与优化
• 3.1 不可逆简单开式 Brayton 联产循环模型
• 3.1.1 循环的热力过程
• 3.1.2 循环的数学模型
• 3.1.3 循环的电热比和有效压气机压比参数范围
• 3.2 不可逆简单开式Brayton 联产循环效率分析与有用能率优化
• 3.2.1 不可逆简单开式 Brayton 联产循环效率分析
• 3.2.2 不可逆简单开式 Brayton 联产循环的有用能率最大化
• 3.3 不可逆简单开式 Brayton 联产循环火用效率与总火用输出率优化
• 3.3.1 不可逆简单开式 Brayton 联产循环火用效率分析
• 3.3.2 不可逆简单开式 Brayton 联产循环的总火用输出率优化
• 3.4 数值验证与分析
• C 对不可逆简单开式 Brayton 联产循环性能的影响'>3.4.1 R 和θ_C 对不可逆简单开式 Brayton 联产循环性能的影响
• 3.4.2 不可逆简单开式 Brayton 联产循环性能参数之间的关系
• 3.5 本章小结
• 第4章 不可逆回热开式Brayton 联产循环热力学分析与优化
• 4.1 不可逆回热开式 Brayton 联产循环模型
• 4.1.1 不可逆回热开式Brayton 联产循环
• 4.1.2 循环的数学模型及循环状态参数确定
• 4.1.3 回热联产循环的电热比和有效压气机压比参数范围
• 4.2 不可逆回热开式Brayton 联产循环效率分析与有用能率优化
• 4.2.1 不可逆回热开式 Brayton 联产循环效率分析
• 4.2.2 不可逆回热开式 Brayton 联产循环的有用能率最大化
• 4.3 不可逆回热开式 Brayton 联产循环火用效率与总火用输出率优化
• 4.3.1 不可逆回热开式 Brayton 联产循环火用效率分析
• 4.3.2 不可逆回热开式 Brayton 联产循环的总火用输出率优化
• 4.4 数值验证与分析
• C 对不可逆回热Brayton 联产循环性能的影响'>4.4.1 R 和θ_C 对不可逆回热Brayton 联产循环性能的影响
• 4.4.2 不可逆回热开式 Brayton 联产循环性能参数之间的关系
• 4.5 本章小结
• 第5章 开式Brayton 联产循环性能影响因素分析
• 5.1 循环温比的影响
• 5.2 用户温比的影响
• 5.3 等熵效率的影响
• 5.4 流动损失的影响
• 5.5 回热度对回热联产循环性能的影响
• 5.6 本章小结
• 第6章 不同开式Brayton 循环之间的性能比较
• 6.1 联产循环与相应动力循环之间的比较
• 6.2 不同联产循环之间的比较
• 6.3 不同联产循环优化性能之间的比较
• 6.4 本章小结
• 第7章 开式 Braydon 联产循环的能源节约与温室气体减排分析及其工程应用
• 7.1 联产系统的燃料能源节约与燃料能源节约率
• 7.1.1 燃料能源节约与燃料能源节约率的定义
• 7.1.2 不同开式 Brayton 联产循环的燃料能源节约与燃料能源节约率
• 7.1.3 燃料能源节约与燃料能源节约率随θ和R 的变化关系
• 7.2 燃气轮机联产技术可实现的能源节约潜力分析
• 7.3 燃气轮机联产节能条件与优化设计区域确定
• 7.4 燃气轮机联产优化设计图
• 7.5 建筑冷热电联产系统的组合形式
• 7.6 热电联产与温室气体减排分析
• 7.7 本章小结
• 第8章 内可逆简单闭式 Brayton 联产循环火用分析与优化
• 8.1 内可逆简单闭式Brayton 联产循环模型
• 8.1.1 闭式循环的热力过程
• 8.1.2 内可逆简单闭式 Brayton 循环的数学模型
• 8.2 火用输出率和火用效率的变化规律
• 8.2.1 火用输出率的变化规律
• 8.2.2 火用效率的变化规律
• 8.2.3 火用输出率与火用效率之间的关系
• 8.3 最佳的热导分配与火用输出率双重优化
• 8.3.1 最佳的热导分配
• 8.3.2 热导和压比参数双重优化
• 8.3.3 双重最大火用输出率与其对应火用效率的影响因素分析
• 8.4 关于最大火用效率问题的讨论
• 8.5 本章小结
• 第9章 不可逆简单闭式Brayton 联产循环火用分析与优化
• 9.1 不可逆简单闭式Brayton 联产循环模型
• 9.2 不可逆闭式联产循环火用输出率和火用效率的变化规律
• 9.2.1 最优压比参数
• 9.2.2 火用输出率和火用效率关系
• 9.2.3 最佳电热比
• 9.2.4 换热有效度对优化结果的影响
• 9.3 不可逆闭式联产循环最佳的热导分配与双重优化
• 9.3.1 最佳的热导分配
• 9.3.2 不可逆简单闭式Brayton 联产循环双重优化
• 9.4 本章小结
• 结论与创新
• 参考文献
• 致谢
• 附录A（攻读学位期间的主要研究成果）
• 附录B（内可逆简单开式Brayton 联产循环各点状态参数的确定）
• 附录C（内可逆简单开式Brayton 联产循环压比参数范围的确定）
• 附录D（不可逆简单开式Brayton 联产循环各点状态参数的确定）
• 附录E（不可逆简单开式Brayton 联产循环有效压气机压比参数范围的确定）
• 附录F（不可逆简单开式Brayton 联产循环效率极值条件）
• 附录G（不可逆回热开式Brayton 联产循环各点状态参数的确定）
• 附录H（不可逆回热开式Brayton 联产循环有效压气机压比参数范围的确定）
• 附录I（不可逆回热开式Brayton 联产循环效率极值条件）
• 附录J（联产优化设计图）
• 附录K（内可逆简单闭式Brayton 联产循环火用输出率与火用效率推导过程）
• 附录L（不可逆简单闭式Brayton 联产循环火用输出率与火用效率推导过程）