兩類典型能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)—燃料電池和內(nèi)燃機(jī)循環(huán)—的性能特性與優(yōu)化理論研究.pdf

1、20世紀(jì)以來(lái)，能量轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展迅速。隨著能源問(wèn)題的日趨突顯，尋求合適的新能源及清潔能源成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)，而不斷改進(jìn)熱力循環(huán)方式以提高能量轉(zhuǎn)換裝置的性能則一直是能源技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。在這種背景下，以揭示能量轉(zhuǎn)換的內(nèi)在機(jī)制、優(yōu)化能量系統(tǒng)的工作特性為主要目的各種熱力學(xué)分析方法應(yīng)運(yùn)而生，它對(duì)于開(kāi)拓新型熱力循環(huán)與系統(tǒng)、提高能源系統(tǒng)的整體性能都是十分有意義的。
　　 燃料電池是氫能利用的主要方式之一。它既適合于作分布式電源，又可組成

2、大容量中心發(fā)電站，因此被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的高效、節(jié)能、環(huán)保的發(fā)電方式之一。而近一百年來(lái)，汽車產(chǎn)業(yè)的巨大進(jìn)步，首先源于內(nèi)燃機(jī)工業(yè)強(qiáng)勁發(fā)展的推動(dòng)，同時(shí)又促進(jìn)了內(nèi)燃機(jī)自身的發(fā)展。內(nèi)燃機(jī)發(fā)展至今，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、電力、國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域，是當(dāng)今用量最大、用途最廣的最重要的熱能動(dòng)力機(jī)械。因此，對(duì)這兩種典型的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)研究，不僅有重要的理論意義，而且有極大的實(shí)用價(jià)值，對(duì)開(kāi)發(fā)新能源、發(fā)展新技術(shù)、高效利用能源、改善生態(tài)環(huán)境、開(kāi)拓交叉學(xué)

3、科等都具有重要意義。
　　 基于以上原因，本文圍繞燃料電池系統(tǒng)和幾種典型內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的性能優(yōu)化問(wèn)題展開(kāi)，探索受各種不可逆因素影響的熱力裝置和系統(tǒng)的各種最優(yōu)性能參數(shù)以及它們之間的關(guān)系。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 第一章簡(jiǎn)單介紹了能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的研究背景及發(fā)展。
　　 第二章對(duì)一類工作在穩(wěn)定狀態(tài)的燃料電池建立不可逆的理論模型，考慮來(lái)自電化學(xué)反應(yīng)、電阻及與環(huán)境之間傳熱等多種不可逆性所造成的影響。從能量轉(zhuǎn)換的角度出發(fā)，結(jié)合電化

4、學(xué)、非平衡態(tài)熱力學(xué)和有限時(shí)間熱力學(xué)理論，研究了此類燃料電池的物理及電化學(xué)性能，具體討論了各類設(shè)計(jì)及操作參數(shù)對(duì)燃料電池性能的影響。所得結(jié)果可為實(shí)際燃料電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)作提供一定的理論依據(jù)。
　　 第三章提出了一個(gè)新的理論模型用來(lái)描述在穩(wěn)定狀態(tài)下工作的燃料電池.熱機(jī)混合系統(tǒng)的性能，對(duì)一些基本的設(shè)計(jì)特性以及潛在的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了分析。在模型中綜合考慮了多種不可逆損失，如電化學(xué)反應(yīng)、電阻、燃料電池與熱機(jī)之間的傳熱以及釋放到環(huán)境中的熱漏等

5、。在研究中應(yīng)用能量與熵分析的方法對(duì)多種不可逆損失進(jìn)行闡明，并由此對(duì)整個(gè)混合系統(tǒng)的輸出潛能加以評(píng)定。所得結(jié)果對(duì)燃料電池混合系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和操作具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。文中的新方法亦有助于為同類的能量轉(zhuǎn)換裝置及電化學(xué)體系的研究和發(fā)展提供更好的理論支持。
　　 第四章對(duì)Otto、Diesel、Atkinson、Miller和Dual5種內(nèi)燃機(jī)循環(huán)進(jìn)行了有限時(shí)間熱力學(xué)分析，建立不可逆熱機(jī)的循環(huán)模型，對(duì)來(lái)自于非等熵壓縮和膨脹過(guò)程、有限速率

6、傳熱過(guò)程和透過(guò)氣缸壁的熱漏損失等多種不可逆性對(duì)循環(huán)性能的影響進(jìn)行了研究。得到了一些重要參數(shù)的優(yōu)化判據(jù)，由此確定出不可逆內(nèi)燃機(jī)的最優(yōu)工作區(qū)間。
　　 第五章集中探討了絕熱過(guò)程的內(nèi)部摩擦損耗對(duì)Otto熱機(jī)性能的影響。文中所建立的模型不僅擯棄了一般所采用的內(nèi)可逆熱機(jī)的假設(shè)，也避免了對(duì)不可逆熱機(jī)活塞平均速率過(guò)于簡(jiǎn)化的描述。通過(guò)數(shù)值分析給出了一些性能參數(shù)的優(yōu)化判據(jù)，并詳細(xì)分析了一系列重要設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，對(duì)實(shí)際熱機(jī)的性能改善及優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一

7、定的指導(dǎo)意義。
　　 第六章以O(shè)tto和Diesel兩種內(nèi)燃機(jī)循環(huán)為例，討論了工質(zhì)熱容量隨溫度變化時(shí)，循環(huán)的參數(shù)影響及性能優(yōu)化問(wèn)題。通過(guò)嚴(yán)格推導(dǎo)得出熱容量隨溫度變化時(shí)理想氣體的絕熱方程，并分析了Otto和Diesel熱機(jī)的性能，給出了一些重要參數(shù)的優(yōu)化判據(jù)。所得結(jié)果新穎而又具有普適性，相關(guān)參考文獻(xiàn)中的一些重要結(jié)論可從中直接導(dǎo)出。
　　 最后一章概括了全文的主要結(jié)論，并對(duì)未來(lái)的研究提出設(shè)想與展望。
　　 本文的研究