王有限时间热力学概论.docVIP

有限时间热力学 王妍飞 （华北电力大学 能源与动力工程系，河北 保定 071003） 摘要：有限时间热力学是经典热力学的延伸和推广，是现代热力学理论的一个新分支主要研究非平衡系统在有限时间中能流和熵流的规律．它既不同于20世纪30年代建立起来的不可逆热力学，又不同于工程热力学，有它自己鲜明的理论特征．现已广泛地应用于物理、化学和工程热物理等许多学科领域，建立了一系列相应的新理论．在有限时间热力学的发展过程中，内可逆卡诺循环模型、最大功率输出时的效率、基本优化关系、内可逆循环统一理论、不可逆循环理论等方面的研究起到了极其重要的作用。 图1 最优与传统Otto循环比较 引入有限速率燃烧过程模型后，这一方法同样可用于Diesel机的功和效率优化。Wu在考虑卡诺热机功率优化的同时，以FICA为基准论述了循环的评估问题，Lee等讨论了有限热容热源卡诺热机的评估。 陈文振等证明卡诺热机的全息谱和优化准则可由克劳修斯导出熵时的分割方法推广到任意热机循环，由此可建立起朗肯循环的全息谱，运用所述准则对其进行分析评估.计算表明，以装置比重最小为目标优化时，可使装置总重量降低20%所得结果得到了一项工程设计优化计算的旁证。 Gordon用plc和ACA导出了太阳能热机集热器线性和辐射损失时热机的最佳高温工作温度。陈林根等C407进一步用ACA导出了多种损失关系下的最佳工作温度，并导出了最佳温度，并导出了太阳能热机的优化准则。对化学过程和化学热机的研究Rozonoer研究了不可逆放热化学反应过程问题。另外还有一些文献研究了生物化学反应，燃烧反应，一般反应和催化聚合反应的效率和功率优化问题. Mozurkewich等研究了耗散过程工作热机，求出了通用耗散热机的最优路径，并将其应用到了光驱动和化学反应供热热机，所得最优路径包括两个绝热和两个“等功率”过程。Ondrechen等借助3循环模型分析了从管道反应器内放热化学反应过程吸热驱动有限热容热源可逆卡诺热机时的优化性能，陈林根等则研究了化学反应驱动有限热容热源内可逆卡诺热机的最优性能。Hielmfelt等研究了管道反应器容积变化以及引起容积变化的外摄动形式变化对化学反应热机最优性能的影响。还有一些作者分析了一些类热机循环的性能，包括声学热机、激光器、光驭动热机、水分离系统、热电发电和制冷系统的最优性能。借助有限热源的研究结果证明M axwel不可能推翻热力学第二定律[4]。 有限时间热力学制冷循环的研究，采用热机的研究思想可对2源和3源制冷循环的上述问题进行研究。无限热源牛顿定律2源制冷系统当内可逆循环中工质经历的为卡诺制冷循环时，称其为内可逆卡诺制冷循环。Leff等Lse，最先考虑把CUIZOI1和Ahlborn的研究方法引入制冷循环研究，由于最大制冷率时牛顿定律系统的制冷系数界限为零，故没有进一步研究。严子浚用基本优化关系的概念导出了内可逆卡诺制冷机的制冷率、制冷系数优化关系为 (1) 并导出了考虑压比影响时的优化关系，且以为目标进行优化分析。李继坤研究了一类有实际运行条件限制的内可逆卡诺制冷循环，得到了制冷率、制冷系数关系和制冷机所需功率，并有一些作者研究了Stirling制冷机的优化问题。 陈天择证明给定制冷率下制冷系数最大的最优循环是内可逆卡诺制冷循环。李俊达，研究了带有中间热源的联合制冷循环最优构型，陈金灿等则导出了无中间热源时联合制冷循环的最优构型[5]。 热泵循环的有限时间热力学分析，内可逆2源热泵当内可逆循环中工质经历的循环为卡诺热泵时，该循环称为内可逆卡诺热泵循环。Blanchard导出了牛顿传热定律条件下的最佳供热率、供热系数关系 （2） 陈林根和陈文振研究了不同传热规律时的最优性能。同时也给出了2源热泵的全息谱和性能优化准则[6]。 有限时间热力学研究的新方法和新内容 在研究方法和研究内容上，主要有以下进展。 新的性能界限除了研究最大效率、最大输出功率、最小总熵产等外，为了追求热力性能间的协调，一些学者研究了热机效率和功率联合优化问题，得到了最大时的效率界限.霍夫曼( K.H.Hoffmann )等用最优控制理论求出了热力过程耗散的两种最低界限值.陈林根等在萨拉蒙(P.Salamon)等引入利润率指标的基础上，提出有限时间拥经济分析法，得到最大利润率时的性能界限，布朗F. A. Brown )兼顾最大功率和最小嫡产两个目标，以功率与熵产率和低温热源温度乘积之差最大为优化准则，得出了“生态学”优化准则及相应的性能界限。 优化关系的导出性能界限代表了一定的指标值获得极值