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

1、20世紀以來，能量轉換技術發(fā)展迅速。隨著能源問題的日趨突顯，尋求合適的新能源及清潔能源成為世界各國關注的焦點，而不斷改進熱力循環(huán)方式以提高能量轉換裝置的性能則一直是能源技術發(fā)展的主要趨勢。在這種背景下，以揭示能量轉換的內在機制、優(yōu)化能量系統(tǒng)的工作特性為主要目的各種熱力學分析方法應運而生，它對于開拓新型熱力循環(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，因此被認為是21世紀首選的高效、節(jié)能、環(huán)保的發(fā)電方式之一。而近一百年來，汽車產業(yè)的巨大進步，首先源于內燃機工業(yè)強勁發(fā)展的推動，同時又促進了內燃機自身的發(fā)展。內燃機發(fā)展至今，已廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、電力、國防等各個領域，是當今用量最大、用途最廣的最重要的熱能動力機械。因此，對這兩種典型的能量轉換系統(tǒng)進行熱力學研究，不僅有重要的理論意義，而且有極大的實用價值，對開發(fā)新能源、發(fā)展新技術、高效利用能源、改善生態(tài)環(huán)境、開拓交叉學

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)和幾種典型內燃機循環(huán)的性能優(yōu)化問題展開，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)性能參數以及它們之間的關系。主要研究內容如下：
　　 第一章簡單介紹了能量轉換系統(tǒng)的研究背景及發(fā)展。
　　 第二章對一類工作在穩(wěn)定狀態(tài)的燃料電池建立不可逆的理論模型，考慮來自電化學反應、電阻及與環(huán)境之間傳熱等多種不可逆性所造成的影響。從能量轉換的角度出發(fā)，結合電化

4、學、非平衡態(tài)熱力學和有限時間熱力學理論，研究了此類燃料電池的物理及電化學性能，具體討論了各類設計及操作參數對燃料電池性能的影響。所得結果可為實際燃料電池的優(yōu)化設計和運作提供一定的理論依據。
　　 第三章提出了一個新的理論模型用來描述在穩(wěn)定狀態(tài)下工作的燃料電池.熱機混合系統(tǒng)的性能，對一些基本的設計特性以及潛在的關鍵問題進行了分析。在模型中綜合考慮了多種不可逆損失，如電化學反應、電阻、燃料電池與熱機之間的傳熱以及釋放到環(huán)境中的熱漏等

5、。在研究中應用能量與熵分析的方法對多種不可逆損失進行闡明，并由此對整個混合系統(tǒng)的輸出潛能加以評定。所得結果對燃料電池混合系統(tǒng)的優(yōu)化設計和操作具有一定的實際指導意義。文中的新方法亦有助于為同類的能量轉換裝置及電化學體系的研究和發(fā)展提供更好的理論支持。
　　 第四章對Otto、Diesel、Atkinson、Miller和Dual5種內燃機循環(huán)進行了有限時間熱力學分析，建立不可逆熱機的循環(huán)模型，對來自于非等熵壓縮和膨脹過程、有限速率

6、傳熱過程和透過氣缸壁的熱漏損失等多種不可逆性對循環(huán)性能的影響進行了研究。得到了一些重要參數的優(yōu)化判據，由此確定出不可逆內燃機的最優(yōu)工作區(qū)間。
　　 第五章集中探討了絕熱過程的內部摩擦損耗對Otto熱機性能的影響。文中所建立的模型不僅擯棄了一般所采用的內可逆熱機的假設，也避免了對不可逆熱機活塞平均速率過于簡化的描述。通過數值分析給出了一些性能參數的優(yōu)化判據，并詳細分析了一系列重要設計參數的影響，對實際熱機的性能改善及優(yōu)化設計具有一

7、定的指導意義。
　　 第六章以Otto和Diesel兩種內燃機循環(huán)為例，討論了工質熱容量隨溫度變化時，循環(huán)的參數影響及性能優(yōu)化問題。通過嚴格推導得出熱容量隨溫度變化時理想氣體的絕熱方程，并分析了Otto和Diesel熱機的性能，給出了一些重要參數的優(yōu)化判據。所得結果新穎而又具有普適性，相關參考文獻中的一些重要結論可從中直接導出。
　　 最后一章概括了全文的主要結論，并對未來的研究提出設想與展望。
　　 本文的研究