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热力学循环

2014-12-22

能源是人类社会生存发展的物质基础,随着人类对化石能源的大量开采和消耗,能源生产和消费与环境污染之间的矛盾不断增加。如何提高能源的利用率,同时减小对环境的污染,已成为当前能源领域研究的重点和热点。而能量转换是能源利用的核心,热力循环是能量转换的主要方式,也是能源系统发电的主要实现途径。本课题组主要从热力学理论和实际热机分析两个层面开展研究:

1. 热力学理论研究

1)不可逆热力学理论分析

1824年,Carnot提出了一个理想热机模型,即卡诺循环,其热效率为工作在相同温限下所有热机的效率最高限。而研究实际热机的任何过程都必须考虑时间和系统的不可逆性。通过考虑热源与工质之间的传热时间,热源与工质之间的传热规律,本课题组对不可逆热力系统进行了理论分析,已经研究了基于传热规律的内可逆卡诺循环模型和低耗散模型、基于唯象规律的线性不可逆模型和最小非线性模型。基于实际热机工质的吸热和放热过程是非等温的(不可逆过程),建立了一般化非等温热机模型,研究热力循环在不同优化标准下的性能。

2)基于不同优化标准的循环分析

对于实际热机,由于工作条件和用途各异,优化准则会相差很大。火电厂以热效率为主要考虑因素,军事舰艇视推动力(发动机输出功率)为主要考虑因素,而民用船只的燃料和动力都很重要,故其热效率和输出功率都要兼顾。此外,在其他不同的场合下,有时需要考虑到热机的空间尺寸、经济性以及对环境的影响等因素。目前对于热机的优化准则主要有:效率,功率,生态学指标和准则。本课题组研究一般化热力循环在不同优化标准下的性能和效率限,可以为实际热机的分析和优化奠定基础。

3)基于有限时间热力学的循环分析

内可逆卡诺循环的不可逆性源于工质和热源的传热温差,传热规律对循环性能有很大影响。但内可逆卡诺循环没有考虑绝热膨胀和压缩过程的不可逆性,对于实际热机,其过程的不可逆性不能忽略。基于有限时间热力学,考虑循环的吸热放热时间,工质在吸、放热过程中温度不再保持恒定,本项目组在前人基础上研究了基于牛顿传热规律,具有非等温和非等熵过程热机在最大功率下的效率限。

4)基于非平衡态热力学的循环分析

在非平衡态热力学中,热力学力和流之间存在一定的关系,但其唯象系数很难确定。热力循环中的吸热量、放热量和功率可以用流和力来描述,基于此,可以构建基于唯象规律的热力循环模型。基于唯象规律的热机模型有:线性不可逆模型和最小非线性模型。与线性不可逆模型相比,最小非线性模型考虑了热机工作过程时,热量向热源和冷源的耗散,更贴近实际工况。

2. 实际热机研究

1)基于遗传算法的单目标优化

实际热力系统涉及到具体的结构部件和循环工质,尤其是工质的物性受温度和压力的影响较大,具有非线性,因此基于求解析解的方法不再适用。借鉴遗传算法(基于生物优胜劣汰遗传进化规律演化而来的随机搜索方法),可为非线性系统寻找最优值提供良好的解决方案。本项目组基于遗传算法,分别以最大输出功率、最大热效率、最大㶲效率、最小比投资成本、最年度化投资成本等优化目标,研究实际的有机朗肯循环(ORC)、电话学循环(TREC),卡琳娜(kalina)循环等系统的在不同优化准则下的循环性能。

2)基于NSGA-II的多目标优化

在系统优化过程中,不同的优化目标往往会相互制约,相互矛盾,如较高的输出功率会导致较低的效率和较高的投资成本,反之亦然。为解决这一问题,可以根据实际情况对不同的优化目标赋予不同的权重,组合成新的优化标准来优化系统的综合性能。基于非劣解排序的多目标遗传算法(NSGA-II),可以得到多个优化目标在不同权重下的最优解集,即帕雷托前沿(Pareto Frontier),由TOPSIS算法来计算最优工况点。基于上述方法,可对实际系统(如ORC系统,TREC系统,kalina系统等)进行多目标协同分析和优化,研究系统在多个优化准则下的循环性能,为实际系统的优化运行提供指导方向。

图1. 太阳能光伏(PV)驱动的电化学制冷机(TRER)

图2. 太阳能驱动固态热机系统示意图

图3. 由固体氧化物电解(SOE)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)组成的固态热机