（理论物理专业论文）两种不可逆制冷循环性能的优化分析.pdf

摘要 摘要 制冷技术已广泛应用于许多领域，而制冷循环理论研究是制冷技术研究中的 重要课题之一。一些学者已应用最优控制论探索了制冷循环的优化性能。在大部 分制冷场合，一般只要使用单级制冷系统。而当制冷空间与环境间的温度跨度较 大且热漏又不可避免时，则需使用联合制冷系统。关于串接联合制冷循环已有不 少研究，而对于并接联合制冷循环的研究却较少。对后者而言，探索热漏等对循 环性能的影响既必要且具有重要价值。另一方面，磁制冷由于具有高效率、无污 染等特性而成为一项极具前景的制冷技术，而磁制冷循环理论的研究也倍受关 注。在目前磁制冷循环的研究中，已设外部热源的温度为常数。事实上，热源的 热容量一般都是有限的。因此，开展变温热源磁埃里克森制冷循环优化性能特性 的研究是很有意义的。 第一章概述制冷技术的发展。 第二章建立了新型两级并接联合制冷循环。新模型考虑了有限速率热传导和 热漏等因素的影响。应用最优控制论，导出了系统主要性能参数的数学表式，计 算了系统在非零制冷率下的最小总功率输入，并优化了工质在等温过程中的温 度，详细讨论了制冷循环系统热交换面积的优化匹配。 第三章建立了受外部热源有限热容、热阻、固有回热损失、附加回热损失和 工质内不可逆性等影响的不可逆磁埃里克森制冷循环新模型。基于顺磁材料的热 力学方程，研究了循环的性能特性，导出了制冷率与制冷系数及制冷率与功率输 入间的优化方程，进而获得最大制冷率及其它相应的性能参数，并讨论、评估了 循环的优化工作区间。 本论文所得结论比相关文献中的结论更接近于实际制冷机的性能特性，有助 于制冷机的优化设计和性能改善。 关键词：制冷循环；不可逆性；优化分析 两种不可逆制冷循环性能的优化分析 a bs t r a c t 1 1 1 e r e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e d t o m a n yf i e l d s ，a n d t h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o no fr e f r i g e r a t i o nc y c l ei so n eo fi m p o r t a n ts u b j e c t sf o rt h e s t u d yo fr e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g y s o m es c h o l a r sh a v ee x p l o r e dt h eo p t i m a lt h e o r yo f r e f r i g e r a t o rc y c l e sb yu s i n go p t i m a lc o n t r o lt h e o r y f o rm o s tr e f r i g e r a t i o na p p l i c a t i o n s ， s i n g l e - s t a g er e f r i g e r a t i o ns y s t e m s a r e a d e q u a t e h o w e v e r , w h e nt h es p a n o f t e m p e r a t u r eb e t w e e nt h ec o o l e ds p a c ea n dt h eh e a ts i n ki sc o n s i d e r a b l ea n dt h eh e a t l e a ki si n e v i t a b l e c o m b i n e dr e f r i g e r a t i o ns y s t e m sh a v et ob eu s e d t h e r eh a v eb e e na l o to fs t u d i e so nt h ec o m b i n e dr e f r i g e r a t i o ns y s t e m si ns e r i e s t h ec o m b i n e d r e f r i g e r a t i o ns y s t e m si np a r a l l e lc o n n e c t i o na r er a r e l yi n v e s t i g a t e d f o rt h el a t t e r , i ti s n e c e s s a r ya n di m p o r t a n tt oe x p l o r et h ee f f e c to fh e a tl e a ko nt h ec y c l ep e r f o r m a n c e o nt h eo t h e rh a n d ，m a g n e t i cr e f r i g e r a t i o ni sap r o m i s i n ga n df o r t h c o m i n g r e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g yb e c a u s eo fi t s c h a r a c t e r i s t i ci nh i g he f f i c i e n c ya n dn o p o l l u t i o n t h et h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o no fm a g n e t i cr e f r i g e r a t i o nc y c l e sh a sr e c e i v e d a ni n c r e a s i n ga t t e n t i o n f o rt h ee x i s t i n gs t u d yo fm a g n e t i cr e f r i g e r a t i o nc y c l e s ，t h e t e m p e r a t u r e so fh e a tr e s e r v o i r sh a v eb e e nt h o u g h ta sc o n s t a n t i nf a c t ，f o ra r e f r i g e r a t o r ，t h eh e a tc a p a c i t i e so fh e a tr e s e r v o i r sa r eu s u a l l yf i n i t e t h e r e f o r e 。i ti s v e r ys i g n i f i c a n tt oi n v e s t i g a t et h eo p t i m a lp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fam a g n e t i c e r i c s s o nr e f r i g e r a t o rc y c l ew i t hf i n i t eh e a tc a p a c i t i e s i nc h a p t e r1 ，t h ed e v e l o p m e n to fr e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g yi ss u m m a r i z e d an e wa c t i v et h e r m a lp o t e n t i o s t a t t i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e di nc h a p t e r2 i nw h i c h t h ei n f l u e n c e so ff i n i t e r a t eh e a tt r a n s f e ra n dt h eh e a t1 e a ka r et a k e ni n t oa c c o u n t m a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n so ft h em a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa r ed e r i v e d u s i n gt h e m e t h o do ft h eo p t i m a lc o n t r o lt h e o r y , t h em i n i m u mt o t a lp o w e ri n p u to ft h es y s t e m w i t hn o n z e r oc o o l i n gr a t e si sc a l c u l a t e da n dt h et e m p e r a t u r e so ft h ew o r k i n gf l u i di n t h ei s o t h e r m a lp r o c e s s e sa r eo p t i m i z e d t h eo p t i m a la l l o c a t i o no ft h eh e a t t r a n s f e r a r e a si sa l s od i s c u s s e di nd e t a i l i nc h a p t e r3 ，a ni r r e v e r s i b l em a g n e t i ce r i c s s o nr e f r i g e r a t o rc y c l ei sp u tf o r w a r d ，i n w h i c ht h ef i n i t eh e a tc a p a c i t i e so fh e a tr e s e r v o i r s ，t h e r m a lr e s i s t a n c e s ，i n h e r e n t r e g e n e r a t i v el o s s e s a d d i t i o n a lr e g e n e r a t i v el o s s e sa n dt h ei n t e r n a li r r e v e r s i b i l i t ya r e t a k e ni n t oa c c o u n t b a s e do nt h e r m o d y n a m i ce q u a t i o n so fap a r a m a g n e t i cm a t e r i a l ， t h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec y c l ea r ei n v e s t i g a t e d t h eo p t i m a le q u a t i o n s b e t w e e nt h ec o o l i n gl o a da n dt h ec o e 伍c i e n to fp e r f o r m a n c ea n db e t w e e nt h ec o o l i n g l o a da n dt h ep o w e ri n p u ta r ed e r i v e d m o r e o v e r , t h em a x i m u mc o o l i n gl o a da n dt h e o t h e r c o r r e s p o n d i n gp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s a r ed e t e r m i n e da n dt h e o p t i m a l o p e r a t i n gr e g i o no ft h ec y c l ei sd i s c u s s e da n de v a l u a t e d t h er e s u l t so b t a i n e di nt h e p r e s e n tt h e s i s a r e c l o s e rt ot h ep e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c so fa c t u a lr e f r i g e r a t o r st h a l lt h o s ei nl i t e r a t u r ea n da r eh e l p f u lt ot h e o p t i m a ld e s i g na n dp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to fr e f r i g e r a t o r s k e yw o r d s ：r e f r i g e r a t i o nc y c l e ；i r r e v e r s i b i l i t y ；o p t i m i z a t i o n 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。 日 n 莎榜阳 狄年 叶叩 名签 人明 士尸 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦f - l ；k 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：砷年6 月扩e l 醐：彳船 第一章引言 第一章引言 1 1 制冷循环理论概述 制冷技术是为适应人们对低温条件的需求而产生和发展起来的。在当今社 会，制冷技术已在工农业生产、科学研究、航天及许多高科技领域得到广泛应用， 并在改善人类的生活质量方面发挥着巨大作用。例如，在日常生活中，制冷广泛 应用于食品冷加工、冷贮藏和冷藏运输；在工业生产或科技研究中，常常要求提 供必要的恒温、恒压乃至恒湿环境；在机械加工中，要求低温冷处理等；在农业 生产中，良种保存、种子处理和人工气候室等，都需要低温；现代医学更离不开 制冷技术，深低温冷冻骨髓和外周血干细胞、手术中的低温麻醉等；而石油化工、 有机合成和基础化工行业中的分离、结晶、浓缩、液化和控制反应温度等，也离 不开制冷技术。此外，制冷技术在微电子技术、新型材料、宇宙开发、核工业中 起着举足轻重的作用。美国工程院2 0 0 0 年评出2 0 世纪2 0 项对人类社会和生活 影响最大的工程技术成就之一就是制冷技术，其影响力之大可见一斑。 制冷作为一门科学是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将某物体或 流体冷却，使其温度降到环境温度以下，并保持这个低温。这里所说的“冷”是 相对于环境温度而言的。灼热的铁块放在空气中，通过辐射和对流向环境传热， 逐渐冷却到环境温度，是一种自发的传热降温，不属于制冷。在炎热的夏天，当 气温较高时，往往使房间温度维持在2 5 0 c 左右，就必须采用制冷技术进行空气 调节。只有通过一定的方式将物体或特定空间冷却到环境温度以下才称为制冷。 制冷温度范围从环境温度以下，一直可达接近绝对零度即0 k 。为了区别制冷温 度的高低，在科学研究和工业生产中，常把制冷分为普冷和低温两个体系。1 2 3 k 以上的温度范围属于“普冷”，简称为制冷，而1 2 3 k 以下则属于低温温区，图 1 1 表示了低温的分界线和范围。 制冷的形式主要有以下几种：蒸气压缩制冷、吸收和吸附式制冷、空气压缩 膨胀制冷、热电制冷、蒸气喷射式制冷、磁制冷、热声制冷、脉管制冷等等。蒸 气压缩膨胀制冷和吸收、吸附式制冷是应用广泛的传统制冷方式，它们都属于液 体蒸发制冷，但工作原理有所不同，蒸气压缩膨胀制冷是利用压缩机将蒸发成气 两种不可逆制冷循环性能的优化分析 体的制冷剂回复到原来的液体状态，而吸收和吸附式制冷是则是利用液体吸收剂 或固体吸附剂对制冷剂吸收或吸附，再用驱动热源使蒸发成气体的制冷剂回复到 液体状态。空气制冷是以空气作为工质，它与蒸气压缩制冷的工作过程相近，区 别在于工质在循环过程中不发生集态改变。蒸气喷射式制冷与吸收式制冷机相类 似，也是依靠消耗热能而工作的，但蒸气喷射式制冷只用单一物质为工质，而后 者常使用工质对。热电制冷又称为温差电制冷、半导体制冷或电子制冷，它是以 温差电现象为基础的制冷方法，利用珀尔贴效应实现制冷目的。磁制冷是建立在 磁性材料的磁热效应基础上的一种固体制冷。磁热效应( m a g n e t o c a l o r i ce f f e c t ， 即m c e ) 是磁性材料的一种固有特性，当施加外磁场时磁性材料的磁熵降低并 放出热量，反之，当去除外磁场时磁性材料的磁熵升高并从制冷空间吸收热量， 这与气体压缩膨胀时引起的放热吸热现象相似。 图1 1 低温温度范围 资料来源：王如竹，丁国良等制冷原理与技术，北京：科学出版社，2 0 0 3 2 第一章引言 制冷技术可追溯到人类最早将冬季自然界的天然冰雪保存到夏季使用，这在 我国、埃及和希腊等文明古国的历史上都有记载。人工制冷的方法是工业革命的 产物。1 7 4 8 年英国人柯伦证明了乙醚在真空下蒸发时会产生制冷效应。1 7 5 5 年 苏格兰人w ：c a l l e n 发明了第一台蒸发式制冷机。1 8 3 4 年美国人波尔金斯获得了 乙醚在封闭循环中膨胀制冷的英国专利，这是蒸气压缩制冷机的雏型。空气制冷 机的发明比蒸气压缩式制冷机稍晚，1 8 4 4 年美国人戈里发明了空气循环式制冷 机，这是世界上第一台制冷和空调用机器。随后，法国人f g a l t e 于1 8 5 9 年发 明氨水吸收式制冷机。1 8 7 3 年美国人d b y o k 制造了第一台氨压缩机，此后氨 压缩式制冷机在工业上获得了普遍应用。随着技术的发展，制冷技术也开始在人 们日常生活中获得应用，在家用冰箱方面始于1 9 1 8 年，美国考布兰工程师设计 了世界上第一台电冰箱，而空调技术的应用始于1 9 1 9 年，美国芝加哥兴建了第 一座空调电影院，次年开始在教堂配备空调，1 1 年之后出现了舒适的空调火车。 制冷机一般都是依靠内部循环流动的工作介质来实现制冷，它不断地与外界 产生热量交换，即不断地从被冷却对象中吸取热量，再向环境排放热量。工作介 质在制冷系统中所经历的一系列状态变化过程的综合为制冷循环。制冷循环的理 论研究是制冷技术的最重要研究内容之一。人们最早研究的制冷循环是卡诺 ( c a r n o t ) 制冷循环。众所周知，工作在和死热源问的可逆卡诺制冷机的制 冷系数为占。= 瓦6 r - r l ) 。然而，实际制冷循环由于工质同外界热交换必须在 有限温差下进行，因而总是在有限时间内完成的，而不可能以无限缓慢的速度进 行，且运行中存在能量质的损失，因此实际制冷循环制冷系数总小于可逆卡诺制 冷循环的制冷系数。 有限时间热力学 1 1 0 是考虑有限速率热传导等不可逆性对热机性能的影响 而产生的。最初，研究者仅考虑工质与热源间存在传热不可逆性( 热阻损失) 的 内可逆热机循环 1 1 1 5 ，进一步的研究拓展到制冷循环 1 6 2 2 ，所得结论能揭示 热阻对制冷机优化性能所带来的根本性影响。事实上，在实际制冷设备中，除了 传热不可逆性外，还存在诸如热漏、外部热源的有限热容、回热循环的回热损失 及工质内部耗散等其它不可逆因素。为此，不少学者在内可逆制冷机循环理论的 基础上，提出了其它多种不可逆制冷机模型 2 3 3 6 。 这些模型所涉及的循环包 两种不可逆制冷循环性能的优化分析 括：卡诺制冷循环、布雷顿( b r a y t o n ) 制冷循环、斯特林( s t i f l i n g ) 制冷循环和 埃里克森( e r i e s s o n ) 锘1 冷循环等等。这些研究探讨了多种不可逆性对以上制冷循环 性能的影响，得到了一系列比传统制冷理论更为实际的新性能界限。近十几年来， 有限时间热力学又拓展了一些交叉领域的研究，将有限时间炯分析方法，：厢经 济分析方法 3 7 3 9 ，生态学优化理论 4 0 4 4 】，热经济优化理论 4 5 4 8 等应用到多 种制冷循环中，并应用这些准则深入探索有关制冷机用能过程的特点，为节能优 化，提高制冷机的最佳运行经济效益和环境保护等提供有效的途径。 1 2 联合制冷循环理论的研究进展 单级制冷机具有设计相对简单、制造成本低、维修费用少、可靠性高等优点， 是应用最为广泛的制冷系统。然而，当制冷空间与环境问的温度跨度较大，且热 漏又不可避免时，常常需要使用两级或多级联合制冷系统。一般来说，联合制冷 系统可分为两大类：一类是串接联合制冷系统，另一类是并接联合制冷系统。近 年来，国内外一些学者应用现代热力学理论研究了两级或多级串接联合制冷循环 系统的优化性能，取得了一些有意义的结论。例如，c h e n 和y a n 4 9 】、c h e n 和 w u 5 0 分别构建了一类两级内可逆串接联合制冷循环，导出了制冷系数与制冷 率及制冷系数与比制冷率问的优化关系。c h e n 和s u n 等 5 1 】建立了一类两级内可 逆串接联合制冷循环，该循环适用于活塞式和定常态流两种制冷系统，导出了比 制冷率和性能系数间的优化关系方程。对于实际制冷设备，除了传热不可逆性外， 还存在热漏、工质内部不可逆性和热源热容量有限等因素的影响。因此，进一步 的研究是必要的。c h e r t 和w u 等 5 2 】探索了热漏对两级内可逆串接联合制冷系 统最优性能的影响。g o k t u n 5 3 】研究了受热阻和内不可逆性影响的两级不可逆 串接联合制冷系统，导出了制冷系数的一般数学表式。c h e n 等 5 4 5 6 还分别研 究了受有限速率热传导、热漏和工质内不可逆性等影响的两级串接联合制冷系统 的性能。k a u s h i k 等 5 7 】分析了有限速率热传导、工质内不可逆性及有限热容热 源等对两级不可逆串接联合制冷循环性能的影响。c h e n 5 8 在文献 5 4 】的基础上， 进一步探索了三种不可逆因素对多级串接联合制冷系统性能的影响。随着有限时 间热力学在串接联合制冷循环理论研究中的深入发展， s a h i n 5 9 ，6 0 将热经济方 法应用于串接联合制冷系统的研究中，以制冷系统每单位总成本的制冷率为优化 4 第一章引言 目标函数，分别研究了两级内可逆串接联合制冷循环性能特性 5 9 】以及受热阻、 热漏和工质内不可逆性影响的两级不可逆串接联合制冷系统 6 0 】，获得了最大热 经济目标函数及其相应的其它性能参数，所得结论可为制冷系统的热经济优化准 则提供理论参考。进一步，e d r i l 【6 1 】则将炯优化方法应用于受热阻、热漏和工 质内不可逆性影响的不可逆两级串接联合制冷系统的研究中，确定了最大炯输出 及最大炯效率输出时的优化性能参数。 另一方面，根据实际制冷应用的需要，m a r t i n o v s k i i 6 2 于1 9 7 9 年首先提出 了一种新型的并接联合制冷系统。t s i r l i n 6 3 于1 9 9 8 年进一步发展了该制冷循环 系统。该系统除了一个中间腔室外，还有一个温度要求更低且需保持恒温的内部 腔室。而外界环境与中间腔室间以及中间腔室与内部腔室间存在热漏。为了维持 内部腔室温度不变，两台制冷机并接且置于不同腔室中将相应的热量抽到外界环 境。该文计算了零制冷率下的系统最小总功率输入。所得结果对联合制冷系统的 进一步发展和应用奠定了基础。应该指出的是，文献 6 3 并未考虑工质与热源之 间的有限速率热传导及非零制冷率的情况。事实上，有限速率热传导是常见的主 要不可逆因素，而非零制冷率为更接近实际制冷系统应用的情况。因此，综合考 虑上述两种重要因素对两级并接联合制冷系统的性能特性的影响是很有必要的。 1 3 磁制冷循环理论的研究进展 随着可持续发展和环保意识的全球化，制冷技术加紧进行绿色环保、高效节 能、减少排放的新一代替代工质的开发与实用化进程的研究。磁制冷技术由于使 用磁性物质作为制冷工质，对臭氧层无破坏作用，不产生温室效应，是高科技绿 色制冷技术。和传统气体压缩制冷技术相比，它具有制冷效率高、能耗少、噪音 低、可靠性强、体积小、易维护、寿命长且无环境污染等优点，有望成为未来制 冷技术的主导。 磁制冷的研究可追溯到一百多年前，1 8 8 1 年w a r b u r g 6 4 首先观察到金属铁在 外加磁场中的热效应。1 9 1 8 年w e i s s 和p i c c a r d 6 5 从实验中发现n i 的磁热效应o 1 9 2 6 年d e b y e 6 6 、1 9 2 7 年g i a u q u e 6 7 两位科学家分别从理论上推导出可以利用 绝热去磁实现制冷，从此极大地推动了磁制冷的发展。1 9 3 3 年g i a u q u e 等人 6 8 】 以顺磁盐g d 2 ( s 0 4 ) 3 8 h 2 0 为工质成功地利用磁热效应进行了绝热去磁制冷的实 两种不可逆制冷循环性能的优化分析 验，并获得了0 5 3 o 1 k 超低温。此后，低温领域中磁制冷的研究得到了蓬勃发展。 直至u 1 9 7 6 年，美 雪n a s a 的l e w i s 研究中心的gvb r o w n 6 9 首次在实验室实现了 室温磁制冷，这标志着磁制冷技术开始从低温转向室温。b r o w n 的磁制冷原理示 意图如图1 2 所示。在该系统中，水冷电磁体提供7 t 的外磁场，为l m o l 的金属钆 ( g d ) 磁工质，放在等间距排列的圆筒形不锈钢蓄冷器中，并使其上下往复运 动，运行近似e r i c s s o n 循环，通过开关控制依次实现退磁吸热、等磁场( 零磁场) 、 励磁放热和等磁场( 强磁场) 4 个过程。经过约5 0 次的循环，实现了冷端( 2 7 2k ) 、热 端( 3 1 9k ) 的4 7k 温度跨度。这一成就在国际上引起较大轰动，引发了全球新一轮 磁制冷技术开发的热潮。随后的2 0 多年，在室温或近室温范围利用磁热效应实现 制冷也有了长足的发展，许多研究者在室温磁制冷技术( 样机) 及磁制冷材料方面 作了不懈的努力，取得了许多有益的研究成果。例如，1 9 7 8 年，美国l o s a l a m o s 实验室的s t e y e r t 等人 7 0 设计了回旋式磁制冷装置，当高、低磁场差为1 2 t ，温 跨为7 k 时，该装置能达到5 0 0 w 的制冷功率。1 9 9 6 年美国宇航技术中心的z i m m 采用了活性蓄冷( a m r ) 技术，设计了一台磁制冷机，在5 t 的磁场下获得了5 0 0 - - 6 0 0 w 的制冷量 7 1 1 。2 0 0 1 年9 月美国宇航公司联合a m e s 实验室成功开发了首台采 用永磁体提供磁场的回转式磁制冷机。针对量大面广的室温磁制冷装置，大力开 发具有巨磁热效应的磁制冷材料已成为当前磁制冷材料研究开发的主流。1 9 9 7 年，美国a m e s 实验室发现g d s i g e 系列合金具有超过g d 的巨磁热效应 7 2 1 。近年 来，在钙钛矿锰氧化物中也发现了大的磁熵变化，由此引起了众多学者对该类材 料的关注。我国南京大学学者对该系列化合物进行了许多研究 7 3 7 5 。另外，2 0 0 1 年荷兰阿姆斯特丹大学的t e g u s 等人 7 6 】发现了一种具有巨磁热效应的化合物 m n f e p i _ x a s 。，通过调节p a s 比例在3 2 - 1 2 之间变化可以使该材料居里温度在 2 0 0 。3 5 0 k 之间变化。这些研究对室温磁制冷的发展起着十分重要的作用。 磁制冷循环是磁制冷技术中的重要环节，为磁制冷机的高效运行提供了理 论基础，得到制冷界的普遍重视。常见的磁制冷循环有：卡诺( c a r n o t ) 制冷 循环、斯特林( s t i f l i n g ) 制冷循环、埃里克森( e r i c s s o n ) 制冷循环以及布雷顿 ( b r a y t o n ) 制冷循环。e r i c s s o n 铝l j 冷循环及s t i r l i n g 带1 冷循环常设计为回热式制 冷循环。一些学者 7 7 8 3 】对磁e r i c s s o n 、磁s t i r l i n g 铝1 冷循环是否可实现理想回热 6 第一章引言 麓冷嚣内骸度舒靠 图1 2b r o w n 的室温磁制冷原理图 资料来源：王贵，张世亮等，磁制冷技术研究现状，制冷，2 0 0 3 年1 2 月 这个问题展开了研究和讨论。结果表明，磁s t i r l i n g 制冷循环具备理想回热的条 件，而以单一顺磁质和以单一铁磁质为工质的磁e r i c s s o n 制冷循环都不可能具 有理想回热的条件。这些结果对磁制冷循环理论的研究具有一定的指导意义。 在磁制冷循环理论研究的早期，一些学者 8 4 8 9 应用经典热力学理论研究磁 制冷机的循环性能。随着有限时间热力学的发展，一些学者把其理论运用到磁制 冷循环中，获得了比在经典情况下更合乎实际的性能界限和结论。注意到实际传 热过程存在传热温差，有限速率热传导要求传热是在一定时间内完成。一些文献 f 9 0 1 0 3 1 考虑传热不可逆性及循环过程的时间等因素，探讨相关磁制冷循环制冷 率、制冷系数特性，分析了不可逆性对制冷机优化性能所带来的根本性影响，取 得了一些有意义的结论。显然，仅考虑传热不可逆性的制冷机循环性能，不可能 对实际制冷机的性能特性作出较为精确的描述。尽可能多地考虑各种不可逆因素 是很有必要的。如进一步考虑热漏、回热器的回热损失、来自工质内部由于耗散 等引起的内不可逆性等等，这些都可使研究结论更接近于实际。为此，一些学者 9 3 9 5 ，9 7 考虑了高、低温热源间存在热漏的磁制冷循环模型，研究表明热漏对 磁制冷机的性能特性不仅有量上的变化，而且有质的影响。另一方面，回热器与 循环工质间的热交换也是不可逆的，因而制冷循环通过回热器实现回热的同时不 可避免地存在损失，因此一些学者 9 0 ，9 5 ，9 7 9 8 ，1 0 1 1 0 3 在磁制冷循环模型中考 虑了回热损失。随着研究的深入，w u 等 9 3 ，9 5 ，1 0 2 1 0 3 弓1 入内不可逆因子来描 述工质内部不可逆性。研究结果表明，在其它参数一定时，内不可逆因子的增大 将导致制冷率和制冷系数下降。 啊斟m网国g囤圈。 两种不可逆制冷循环性能的优化分析 1 4 本论文的研究内容及安排 第一章概述制冷技术的发展，并侧重阐述联合制冷循环和磁制冷循环的研究 进展。 第二章首先建立不可逆两级并接联合制冷循环新模型，模型中包含一个需保 持恒温的内部腔室、一个中间腔室和由两台制冷机组成的并接联合制冷循环系 统。新循环系统考虑了热阻和热漏等多种不可逆因素。应用有限时间热力学和最 优控制理论等方法，导出了在非零制冷率下系统总功率输入的数学表式，继而以 系统总功率输入为目标函数，获得在给定制冷率下系统最小总功率输入及等温过 程中的最佳工作温度，进一步评估了联合制冷循环系统相关热交换面积的最佳匹 配，并分析了中间腔室与外界环境间的热交换面积和内部腔室与中间腔室间的热 交换面积之比对联合制冷循环性能参数优化值的影响，数值计算也给出了在不同 制冷率及在不同传热系数下系统最小总功率输入及其相应的性能参数优化值。最 后，还讨论了几种特殊情况下联合制冷循环的性能特性。 第三章研究不可逆磁埃里克森制冷循环的优化性能。应用最优控制理论和对 数平均温差( l m t d ) 等方法，探索热源有限热容、传热不可逆性、固有回热损 失、附加回热损失和工质内不可逆性等因素对磁埃里克森制冷循环性能的影响， 导出- r n 冷率与制冷系数、功率输入之间的优化关系解析表式，获得制冷率、制 冷系数和功率输入等重要参数界限以及它们的优化工作区间，通过数值算例和图 解法详细讨论和评估了上述不可逆因素和磁场比对磁埃里克森制冷循环性能的 影响。 第四章简要概括了本论文的主要内容，指出进一步深入研究的一些方向。 参考文献 【1 】a n d r e s e nb ，b e r r yr ，n i t z a n 八s a l a m o np t h e r m o d y n a m i c si nf i n i t et i m e ：it h e s t e p - c a m o tc y c l e j 】p h y s r e v a ，19 7 7 ，15 ( 5 ) ：2 0 8 6 2 0 9 3 【2 1 a n d r e s e nb ，s a l a m o np ，b e r r yr t h e r m o d y n a m i c si nf i n i t et i m e j p h y s t o d a y , 19 8 4 ， 9 ：6 2 7 0 【3 1 a n d r e s e nb f i n i t e t i m et h e r m o d y n a m i c s m 】c o p e n h a g e n ：p h y s l a b i i ，u n i v o f c o p e n h a g e n ，1 9 8 3 8 第一章引言 【4 】 【5 】 6 】 c h e nj ，y a nz u n i f i e dd e s c r i p t i o no fe n d o r e v e r s i b l ec y c l e s 阴p h y s r e v a ，19 8 9 ，9 ( 8 ) ： 4 1 4 0 - 4 1 4 6 b o a na a d v a n c e de n g i n e e r i n gt h e r m o d y n a m i c s m 】2 n de d ，n e wy o r k ：w i l e y , 19 9 6 w uc ，c h e nl ，c h e nj r e c e n ta d v a n c e si nf i n i t e t i m et h e r m o d y n a m i c s 【m 】n e w y o r k ：n o v as c i p u b l i s h e r si n c ，19 9 9 【7 】陈丽璇，严子浚有限时间力学：现代热力学理论的一个新分支 j 自然杂志，1 9 8 7 ， 1 0 ( 11 ) ：8 2 5 8 2 9 【8 】严子浚发展中的有限时间热力学 j 物理学报，1 9 9 2 ，3 ：卜4 9 1 陈林根，孙丰瑞，陈文振有限时间热力学研究新进展 j 自然杂志，1 9 9 2 ，1 5 ( 4 ) ： 2 4 9 2 5 3 1 0 1 陈林根，孙丰瑞有限时间热力学理论和应用的发展现状 j 物理学进展，1 9 9 8 ，1 8 ( 4 ) ： 3 9 5 4 2 1 【11 c u r z o nf ，a h l b o mb e f f i c i e n c yo f ac a m o te n g i n ea tm a x i m u mp o w e ro u t p u t 【j 】a m j i p h y s ，19 7 5 ，4 3 ( 1 ) ：2 2 - 2 4 【l2 】r u b i nm o p t i m a lc o n f i g u r a t i o no fac l a s so fi r r e v e r s i b l eh e a te n g i n e si 叽p h y s r e v a 1 9 7 9 ，1 9 ( 3 ) ：1 2 7 2 - 1 2 7 6 【13 】- s a l a m o np ，n i t z a na f i n i t et i m eo p t i m i z a t i o n so fan e w t o n sl a wc a r a o tc y c l e 阻j c h e m p h y s ，19 81 ，7 4 ( 6 ) ：3 5 4 6 - 3 5 6 0 【1 4 r u b i nm ，a n d r e s e nb o p t i m a ls t a g i n go fe n d o r e v e r s i b l eh e a te n g i n e s j j a p p l p h y s 1 9 8 2 ，5 3 ( 1 ) ：1 - 7 【1 5 】o r l o vv o p t i m u mi r r e v e r s i b l ec a m o tc y c l ec o n t a i n i n gt h r e ei s o t h e r m s j s o v p h y s d o k l ，19 8 5 ，3 0 ( 6 ) ：5 0 6 5 0 8 【l6 y a nz ，c h e nj ac l a s so fi r r e v e r s i b l ec a m o tr e f r i g e r a t i o nc y c l e sw i t hag e n e r a lh e a t t r a n s f e rl a w j j p h y s d ：a p p l p h y s ，1 9 9 0 ，2 3 ：1 3 6 - 1 4 1 【17 c h e r tl ，s u nf ，w hc t h ei n f l u e n c eo fh e a tt r a n s f e rl a wo nt h ee n d o r e v e r s i b l ec a m o t r e f r i g e r a t o r j j i n s t i t e n e r g y , 1 9 9 6 ，6 9 ( 4 7 9 ) ：9 6 1 0 0 1 8 】k l e i ns d e s i g nc o n s i d e r a t i o n sf o rr e f r i g e r a t i o nc y c l e s 阴i n t j r e f r i g ，1 9 9 2 ，1 5 ( 3 ) ： 1 8 1 - 1 8 5 19 1 a g r a w a ld ，m e n o nv p e r f o r m a n c eo fac a m o tr e f r i g e r a t o ra tm a x i m u m c o o l i n gp o w e r 9 两种不可逆制冷循环性能的优化分析 j 】j p h y s a ：m a t h g e n ，1 9 9 0 ，2 3 ( 2 2 ) ：5 3 1 9 - 5 3 2 6 【2 0 w uc m a x i m u mo b t a i n a b l es p e c i f i cc o o l i n gl o a do far e f r i g e r a t o r j e n e r g yc o n v e r s m g m t ，19 9 5 ，3 6 ：7 - 1 0 2 1 w uc p e r f o r m a n c eo fa ne n d o r e v e r s i b l ec a m o tr e f r i g e r a t o r j e n e r g yc o n v e r s m g r n t ， 1 9 9 6 ，3 7 ( 1 0 ) ：1 5 0 9 - 1 5 1 2 【2 2 w uc h e a te x c h a n g e re f f e c to nag a sr e f r i g e r a t i o nc y c l e j e n e r g yc o n v e r s m g r n t ， 1 9 9 6 ，3 7 ：1 5 1 3 - 1 5 1 6 【2 3 1 a i t - a l im ac l a s so fi n t e r n a l l yi r r e v e r s i b l er e f r i g e r a t i o nc y c l e s j 】j p h y s d ：a p p l p h y s ，19 9 6 ，2 9 ：5 9 3 5 9 9 【2 4 1 a i t - i m t h em a x i m u mc o e f f i c i e n to f p e r f o r m a n c eo fi n t e m a l l y i r r e v e r s i b l e r e f