天然气驱动VM循环热泵的热力学优化研究

论文摘要

我国采暖能耗巨大,热泵作为一项高效节能技术,其应用对于能源和环境的可持续发展有着重要意义。天然气驱动VM循环热泵按VM热动力闭式气体回热循环原理工作,为进一步提高循环的性能系数,本文采用热力学方法进行理想、实际和量子化VM循环的优化研究。理想VM循环热泵的性能系数随着中温热源温度的增加而减小,随着低温及高温热源温度的增加而增大。在理想VM循环中,冷腔的最大体积大于热腔的最大体积,且冷腔中的平均分子数远远大于热腔,所以低温热源温度对性能系数的影响最大。对于实际VM循环热泵,采用纯He的COP较高,但氦氖混合气的运行特性与纯He一致,所以在部分场合,可以考虑采用氦氖混合工质。EES编程计算结果表明:当工质为纯He时,回热损失和活塞轴向导热损失,大约是系统总损失的80%。对内可逆VM循环热泵,泵热率受不同的导热规律的影响巨大,但各参数对系统性能影响的定性分析是相同的。当泵热率达到最大值时,其对应的性能系数并不是最大的。供暖温度越高,泵热率越大,但其性能系数却是逐渐降低的。回热时间系数与压缩比的比值增大,则泵热率减小,其性能系数增大。对量子VM循环热泵,当高温和中温等温路径上设置相同的阶梯数,且相邻两个阶梯的占有数之比也为常数时,循环性能系数最大。当热源温度给定时,选用频比较大的气体做工质可提升性能系数。漏热会大幅减小性能系数。当忽略回热时间时,得到了最佳温度系数的表达式,并推导出最佳泵热率的热力学优化准则。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 天然气驱动VM 循环热泵
• 1.2.2 有限时间热力学
• 1.3 本课题研究内容
• 第2章 天然气驱动VM 循环热泵的热力学分析
• 2.1 天然气驱动VM 循环热泵
• 2.1.1 系统结构
• 2.1.2 工作原理
• 2.1.3 系统优点
• 2.2 理想VM 循环热泵的热力学分析
• 2.3 热源温度对COP 的影响
• 2.4 混合工质对COP 的影响
• 2.5 实际VM 循环热泵的损失计算
• 2.5.1 计算方法
• 2.5.2 计算结果
• 2.6 本章小结
• 第3章 VM 循环热泵的内可逆循环优化
• 3.1 内可逆循环VM 热泵的理论模型
• 3.2 循环周期
• 3.3 内可逆性能优化
• 3.4 本章小结
• 第4章 量子VM 循环热泵的阶梯循环优化
• 4.1 量子VM 循环的理论模型
• 4.2 经典极限下量子VM 阶梯循环的最优化
• 4.3 量子VM 循环的周期
• 4.4 本章小结
• 第5章 量子VM 循环热泵有限时间热力学优化准则
• 5.1 量子VM 循环的优化目标
• 5.2 量子VM 循环热泵的有限时间热力学优化准则
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 攻读硕士学位期间参加的科研工作
• 致谢
• 详细摘要