（载运工具运用工程专业论文）太阳能——氢能集成系统的热力学分析.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 日期：q , o l t o r , s - 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存论文。 日期： x o l ! 、0 1 - 、2 j - 中文摘要 人类的不断发展和进步也使得能源和环境问题日益严重，人们往往通过牺 牲环境和能源来取得社会的进步和发展，但是当前能源问题日益严重，人们不 得不去寻找新的绿色无污染并且可再生的新能源来解决当前的能源危机。太阳 能具有储存简单，成本低廉，应用无限制等优点，越来越被人们重视，所以研 究太阳能意义重大。在这种背景下本文提出了太阳能一氢能复合发电模型，深 入研究了复合系统的工作原理及过程，验证了复合发电的可能性。 本文建立了太阳能热电发电的能量效率模型，对系统的能量模型进行了仿 真分析，主要研究聚光比对太阳能热电热效率，火用效率以及熵增的影响，对不 同情况下的效率，回路电流，输出电动势进行了详细的计算，得出了聚光比对 太阳能热电装置的性能影响，为提高热电装置的发电效率提供了理论依据。 本文主要是用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立模型对热电发电装置进行仿真模 拟，在热力学理论和能量利用的基础分析上研究模拟了聚光比及负载电阻对热 电装置热效率的影响，分析了各个因素的重要性及提高热效率的方法与措施； 不仅从量的角度对热电装置进行分析，进而对能量的质即火用进行分析，提出了 提高火用效率的方法，从根本上提高了热电效率能量的利用率。 本文在研究热电装置效率及火用效率的基础上提出了太阳能氢能的复合模 型，该模型将太阳能光电一热电，燃料电池，电解器，蓄电池及储氢系统通过 s t a t c f l o w 系统联系起来，各个系统之间相互配合，优化了太阳能热电系统，当能量 不足时能够及时的补充能量，当能量多余时可以将多余的能量储存起来，使得能 量得到充分的利用。 本文借助于m a u a b 软件对太阳能热电装置的热效率及火用效率的影响因素进 行分析，提出了提高热效率的方法及措施，分析了太阳能氢能复合系统的工 作原理，为合理优化复合系统提供了理论依据。 关键字：太阳能，氢能，热电，热力学，集成系统 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to ft h eh u m a nc i v i l i z a t i o na n dr a p i de c o n o m i c g r o w t h ，e n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n ta r eg e t t i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s ，t h e h u m a no f t e na c h i e v es o c i a lp r o g r e s sa n dd e v e l o p m e n ta tt h ee x p e n s eo fe n v i r o n m e n t a n de n e r g y , b u tt h ee n e r g yp r o b l e mi sb e c o m i n gm o r es e r i o u s ，p e o p l eh a dt od i s c o v e r n e wg r e e nc l e a na n dr e n e w a b l en e we n e r g yt or e l i e v et h ee n e r g yc r i s i s s o l a re n e r g y h a sm a n ya d v a n t a g e sj u s ta ss i m p l es t o r a g e ，l o wc o s te t c ，s om o r ea n dm o l ep e o p l e p a ya t t e n t i o nt ot h i s ，a tt h i sm o m e m ，s o l a re n e r g yh a sab r o u g h tf o r w a r d t h i ss o ，a s e r i e so fs t u d yf o rs o l a rt h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o rs y s t e mi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , a n ds e v e r a lp r o p o s a l sh a v eb e e nb r o u g h tf o r w a r d ，m a i n l ya sf o l l o w s ： t h i sp a p e re s t a b l i s h e dam o d e lo fe n e r g ye f f i c i e n c yo fs o l a rt h e r m a lp o w e r g e n e r a t i o n , s i m u l a t e da n da n a l y z e dt h ee n e r g ym o d e lo ft h es y s t e m ，b a s e do nt h e s t e a d y h e a tc o n d u c t i o n e q u a t i o n , t h e r m o d y n a m i ca n a l y s i s i s p e r f o r m e d o na n e s s e n t i a lu n i to ft h e r m o e l e c t r i cd e v i c e s ，a n dam a t h e m a t i c a lm o d e l i n gi ss e tu p a t h e o r e t i c a l b a s i sf o rp o w e rg e n e r a t i o ni sp r o v i d e d t h i sp a p e re s t a b l i s h e dam o d e lo fe n e r g ye f f i c i e n c yo fs o l a rt h e r m a lp o w e r g e n e r a t i o nw i t l lm a t l a b s i m u l i n k ，a ne f f e c ta n a l y s i sf o r t h et h e r m a lg e n e r a t i n g c a p a b i l i t yo nm a t e r i a lp r o p e r t i e si sc o m p l e t e d t h el a wo ft h e r m o e l e c t r i ce f f i c i e n c y a n dp o w e ro u t p u tc h a n g e d 诵mt h ec o l l e c t o r sa b s o r p t i o nr a t e ，f i r i n gr a t ea n dt h e t h e r m a lc o n d u c t i v i t yi sf o u n do u t t h er e q u e s t sf o rc o l l e c t o r sm a t e r i a la t t r i b u t e so fa s o l a rt h e r m o e l e c t r i cp l a n th a v eb e e ns p e c i f i e d f i n a l l y , a f f e c t i n gf a c t o r ss u c ha st h e h e a tc o n v e c t i o n , c o l dp o r tt e m p e r a t u r ea n dl o a da r ei n v e s t i g a t e d ，a n do nt h eb a s eo f t h i sw o r k , t h em a i nf a c t o r si m p a c t i n go nt h et h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i n gc a p a b i l i t ya r e i d e n t i f i e d m e a s u r e st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo b t a i n e d ，a n dt h es c h e m e sf o r e n h a n c e m e n tu n d e rt h ec u r r e n ts i t u a t i o na r ed i s c u s s e d am o d e lo fs o l a r t h e r m o e l e c t r i cd e v i c ee x e r g ya n a l y s i si ss e t u p o nt h eb a s i so ft h ee f f i c i e n c ys t u d y , t h et h e r m a le x e r g ye f f i c i e n c yo ft h ed e v i c ei sa n a l y z e d , a n dt h el a wo fe x e r g y e f f i c i e n c yc h a n g e sc o m i n g 丽t 1 1t h ec o n d e n s e r se x e r g ye f f i c i e n c yr a t i o ，c o l l e c t o r m a t e r i a le m i s s i v i t y , a n dc o l l e c t o r st h e r m a lc o n d u c t i v i t y , h e a tc o n v e c t i o nr a t i o ， c o l d - t e m p e r a t u r ea n dl o a da r ef o u n do u t f i n a l l y ，b a s e do n t h ee x e r g ye f f i c i e n c y ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e sad y n a m i cm o d e l o fs o l a rh y b r i ds y s t e m , a n dd e v e l o p ss e v e r a ls u b s y s t e mm o d e l st h a tc a na c c u r a t e l y p r e d i c tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y b r i ds y s t e m t h em o d e lc a nb eu s e df o r s t u d y i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，d e s i g n i n gt h ec o n t r o ls y s t e m sa sw e l l s u c h c o m p l e xd y n a m i cs y s t e m sw h i c hc o m p o s em u l t i p l ep o w e rs o u r c e s ，t h em a t h e m a t i c a l m o d e la n ds i m u l a t i o nm o d e la r cn e c e s s a r yf o u n d a t i o nf o rd e s i g na n dd e v e l o p m e n to f c o n t r o ls t r a t e g y b a s e do ns o m ep r e l i m i n a r ys t u d i e sa n d e x p e r i m e n t a ld a t a , t h i sp a p e r f o c u s0 1 1t h e h y b r i d v e h i c l ep o w e r s y s t e m , d i s c u s s i n gt h em a t h e m a t i c a la n d s i m u l a t i o nm o d e l i n gd e e p i y w i t ht h i ss o f t w a r eo fm a t l a b ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h et h e r m a la n de x e r g y e f f i c i e n c yo ft h ed e v i c e ，m e a s u r e st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo b t a i n e d , a n dt h e s c h e m e sf o re n h a n c e m e n tu n d e rt h ec u r r e n ts i t u a t i o na r ed i s c u s s e d a n a l y z et h e t h e o r e t i c a lb a s i so ft h eh y b r i dv e h i c l ep o w e r s y s t e m ，p r o v i d e sar e a s o n a b l eb a s ef o r o p t i m i z et h es y s t e m k e yw o r d s ：s o l a re n e r g y , h y d r o g e ne n e r g y , t h e r m o l e l e c t r i c i t y , t h e r m o d y n a m i c 1 1 i 目录 中文摘要i a b s t r a c t ii 第1 章绪论1 1 1 课题背景l 1 2 文献综述1 1 3 本文工作4 第2 章能量利用系统的热力学理论基础5 2 1 传热学理论5 2 1 1 传热模式5 2 1 2 太阳辐射传热7 2 2 火用效率与火用分析8 2 2 1 火用与能8 2 2 2 火用和火无9 2 2 3 能量转换规律l0 2 2 4 热量火甩lo 2 3 熵与熵增计算l2 2 4 本章小结13 第3 章太阳能热电发电系统的热力学分析1 5 3 1 太阳能热电发电系统的基本原理1 5 3 1 1 热电原理1 5 3 1 2 热电材料性能参数1 7 3 2 太阳能热电发电系统的模型2 l 3 2 1 光熟转化模型2 1 3 2 2 热一电转化模型2 2 3 3 太阳能热电发电系统的热效率分析2 3 3 4 太阳能热电发电系统的火用分析3 0 3 5 太阳能热电发电系统的熵分析3 4 3 6 提高热电装置性能的途径3 6 3 7 本章小结3 7 第4 章太阳毹氢能集成系统的子系统模型船 4 1 太阳能氢能集成系统的概述3 8 4 2 太阳能光电热电系统4 0 4 3 燃料电池4 3 4 4 电解器系统4 4 4 5 蓄电池系统4 6 4 6 储氢系统。4 7 4 7 本章小结。4 9 第5 章太阳毖氢畿集成系统的仿真分析 5 1 太阳能氢能集成系统的模型集成和控制策略5 0 5 2 太阳毖氢能集成系统的集成参数5 2 5 3 太阳锯氢能集成系统的仿真结果与分析5 3 5 4 本章小结5 7 第6 章结论与展望鼬 6 1 结论5 8 6 2 创新点。5 9 6 3 展望5 9 致谢 参考文献6 1 攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文斛 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 2 1 世纪以来，人类文明不断进步，科学技术生产力不断发展，物质财富也 得到了很大的积累。可正因为人类的不断进步，人类往往在繁荣发展的追求道 路上忽略了人类对环境及资源的破坏，环境的不断破坏是人类的居住环境威胁 到人们的健康及发展，资源的不段掠夺使得人类遭到自然界频繁的严重的的报 复和惩罚。随着工业的高速发展，全球性的能源危机以及环境恶化正威胁着人 类长期稳定的发展。为此，各国政府鼓励研究与开发各种可再生资源以及绿色 环保技术。并且给予了前所未有的关注与支持。原油价格暴涨，导致我国新一 轮能源危机，人们也认识到环境及资源的重要性，政府倡导人们不断开发利用 自然界存在的低成本能源，比如太阳能，地热能等，到目前阶段已经取得了一 定的效果，可以实现大规模的实际应用【l 】。 诸如太阳能、地热能及废热和余热等低品位的热源发电的成本比较低，或者 无需成本，但是其产生温差的能力比较小，发电效率比较小，因此，如果有一 种方式能够合理地利用这些低品位的热能，必定能够缓解环境和能源问题，为 人类环境能源问题做出贡献，创造更大的的经济和社会效益。 太阳能分布广泛，可以无限存储，利用起来也比较清洁经济，在能源比较匮 乏的今天具有十分广阔的发展空间，太阳能发电就是人们对太阳能利用的成果 之一，太阳能发电包括热电发电和光电发电两个方面。现阶段太阳能发电成本 高并且效率很低，人们对半导体材料的发电性能没有足够的认识，所以深入研 究热电材料的性能参数刻不容缓，具有重要理论指导意义【2 】。 1 2 文献综述 蔡永华等建立了光电一热电复合发电系统的效率模型，研究了太阳能光电一 热电复合发电系统中热电子系统的光热转换效率以及热电器件的效率，对热电 子系统中各物性参数进行优化，来实现热电系统效率的最优化【3 】。 林比宏等建立了太阳能温差发电系统的一般模型，运用有限时间热力学和非 武汉理工大学硕士学位论文 平衡态热力学理论，研究了存在的四种主要的不可逆因素对太阳能驱动的半导 体发电装置的性能特性的影响，得出了发电装置的输出功率的一般表示式，讨论 了最大输出功率以及其优化条件，确定了最大的温差发电装置输出电流和功率， 得到了一些有意义的结论 3 1 。吴玉庭等进行试验研究了常规的太阳能电池在聚光 条件下的热电性能 4 1 。董兆等阐述了单晶硅材料的太阳能电池的原理，综合分析 了目前国内的发展现状及所遇到的瓶颈，并且提出了解决改进方案【6 】。贾磊等对 热电发电装置进行分析，模拟了各种效应对功率和效率的影响【7 1 。 ak r i b u s 等简单介绍了国内外太阳能发电技术的发展现状以及国内该技术 的发展前景，并对我国现阶段的发展提出了建议，结果表明太阳能发电在国内 具有很大的发展空蝌引。y v o r o b i e v 等对太阳能光伏发电装置和太阳能光电热 电复合发电装置进行了各方面的理论分析和性能对比，结果表明复合系统更能 有效的利用太阳能，更加的实用，该系统由辐射集中器、光伏电池和热电发电 机三部分组成，列出了两种方案：一种是在高温条件下，用光伏电池来吸收全 部的太阳辐射能；另一种是在常温条件下，光伏电池具有比较特殊的结构，它 只可以利用太阳光谱来达到高温，另外一部分不能被半导体材料完全吸收，计 算结果表明该系统是有效可行的，并且发电效率远高于第一种【8 】。许克等介绍了 现阶段运用比较广泛的热电发电技术，介绍了各自的原理基础【1 0 1 。 李洪峻等主要研究了不同的热电材料的不同的温度适用范围【1 1 】。张华俊等对 热电装置进行了实验研究，研究表明，集热体冷端温度一定，装置的输出功率 和效率会随着热端温度的提高而增加，相反，当集热体热端温度一定，装置的 输出功率和效率会随着冷端温度的提高而减少【1 2 1 。汤广发简单阐述了热电发电 的优点以及增大热电发电效率的措施【l 引。刘宏等从优值系数的角度出发，分析 了集热体材料对热电性能的影响，提出了提高效率的方法【1 3 1 。c a l l e n 等认为提 高热电装置的效率有两种方法：一方面是从生产工艺出发，研究好的热电材料， 提高热电优值系数，另一方面是从各种边界条件出发，找出热电装置的最优使 用条件，计算出了最优的设计方案和准则【1 5 1 。 钱剑锋在文中对国内外在半导体热电材料及热电微电源方面的研究进展进 行了研究与分析，介绍了半导体热电材料及热电微电源理论，论文的主要内容 包括有关热电理论和热电装置的研究、热电式微电源的设计、仿真研究等部分。 从对热电装置的研究中提出推导出了热电的理论及实际模型0 6 1 。nm a t e e v a 等 认为，热电材料在常温和高温条件下，低温端温度越低，输出电压越大，并且 分析了两者之间具体的关系i l 。赵嫒媛等采用a n s y s 软件，在中温范围内 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 0 0 - 4 0 0 ( 2 ) 仿真模拟了热电发电器件的性能，并且得出了在中温范围内热电装 置的热点转换效率是最高的。在此基础上，作者把太阳能作为热电器件的唯一 能量来源，研制出了一整套集热式的热电装置，此装置包括三个主要部分：太 阳能集热装置、直流稳压模块及温差发电器。余柏林等在文中指出，当集热体 热端温度相同，冷端温度越低，输出电压会先增大后减小，这是由于热电材料 的赛贝克系数与材料本身的性能有很大关系，如化学组成、晶体结构及能带结 构，载流子浓度和迁移率都会影响不同材料的电导率，降低集热体的冷端温度 可以提高载流子的浓度和迁移率，最终提高电导率，但实验证明，大多数半导 体热电材料的电导率上升到一定值后，其赛贝克系数反而会下降，所以输出电 压反而会减小。 潘玉灼等运用非平衡态热力学理论，讨论了热电装置的结构参数与发电器 的性能影响【1 8 j 。sc u r 等用数值计算的方法确定了z n e s b 3 ( b i s b ) 2 f i e s e ) 3 材料 最佳长度比和最佳横截面积比1 1 9 】。mt s u t s u i 比较了模拟数据和实验数据，两者 数据也比较吻合 2 0 1 。梁永斌等研究了近年来的研究现状及问题，提出了几点解 决方案【2 l 】。彭江英等在研究由p b t e 合金组成的梯度材料得不同的截流子浓度时， 将最佳工作温度设定在温度曲线与两段材料功率因子的交点，并且根据这个温 度决定了两段材料的长度 2 2 1 。dbh y u n 等对( b i ，t e ，s e ) 热电材料的赛贝克系 数与温度的关系进行了研究，结果表明：赛贝克系数在温度为2 5 0 k 时达到最大， 赛贝克系数会随着冷端温度的降低而减小，但是温差继续增大会导致输出电压 见效的幅度降低，并通过实验证明了结论。js c h i l z 等认为在半导体装置中，温 差电优值z 的值决定了换能效率。单一均质材料的最优值系数与温度有关系， 为此，将单一均质材料设计成梯度结构可以使材料的结构在各个温度范围内能 够达到最优值 2 3 1 。马秋花等认为提高热电装置的性能有很多方法：增加声子散 射；提高载流子的浓度；热电材料梯度化。钱卫强提出热电材料的性能特 征是温差发电的基础，也是我们研究的根本依据，为此我们可以用热电材料的 最优值系数z 来表示材料的性能特性 2 5 1 。o m e r 等模拟了不同几何尺寸对热电性 能的影响，最后找出了最优的几何尺寸方案【2 6 】。苏景芳等模拟了温差制冷的可 能性，他认为以后的主攻的方向是开发高效的温差发电器，加入融合先进的技 术方法和科学依据作为理论基础是未来的研究重点也是难点。结论表明热电发 电前景广阔，甚至可以代替太阳能电池板等发电设备 2 6 1 。 总的说来，现阶段，国内外对热电材料的研究已经达到了一定的水平，但在 热电装置的性能效率方面还需进一步提高，仍然处于研究阶段。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文工作 本文在热电理论的基础上，建立了太阳能装置的理论模型，用s i m u l i n k 软件 模拟了聚光比对太阳能热电热效率，火用效率以及熵增的影响，对不同情况下的 效率，回路电流，输出电动势进行了详细的计算，得出了聚光比对太阳能热电 装置的性能影响。通过这些研究，实现热电系统效率的最优化，最后在热电系 统的基础上进一步建立了太阳能一氢能复合系统模型，分析了复合系统中各子 系统的原理，模拟复合系统的运行原理及控制过程。本文共有6 章，每个章节 的内容如下： 第1 章为绪论，对本文的研究背景和国内外研究现状进行了分析。 第2 章介绍了能量利用系统的热力学理论基础，包括能量效率平衡分析， 火用效率及火用分析，熵分析及熵增计算。 第3 章对太阳能热电发电系统效率模型进行了分析，首先介绍了太阳能热电 发电系统的基本原理，建立了太阳能热电系统的模型，通过对模型进行参数分 析，得出了不同的电阻，不同的聚光比对热电热效率，火用效率及熵分析及熵增 的影响及变化规律，并且得出了提高热电性能的途径。 第4 章对太阳能氢能集成系统的热力学分析，首先详细介绍了太阳能氢 能集成系统的系统组成及原理，为下一章打下理论基础。 第5 章并且通过对系统各个子系统进行热力学分析，得出了太阳能氢能集 成系统的工作过程，通过s t a t f l o w 将各个子系统集成起来，模拟整个系统的工作 规律及原理。 第6 章对全文进行了归纳总结，并提出下一步的研究与展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章能量利用系统的热力学理论基础 本章主要介绍了传热学的基本理论，对系统的热效率，火用效率及熵增进 行了初步介绍，未下章的模型分析打下理论基础。 2 1 传热学理论 2 1 1 传热模式 传热学就是研究由温差所引起的物体内部热量的传输规律的科学，研究传热 学的规律有助于更准确的掌握物体内部温度差之间的关系。热传递过程分为稳 态传热过程和非稳态传热过程两类。 物体温度分布决定了传热速率。一般说来，物体内部每个点的温度都是随着 时间和空间而变化的，温度场的变化公式为： t = f ( x , y , z , o ( 2 1 ) 其中，丁表示温度；x ，y ，z 为空间坐标；t 表示时间坐标。 物体内部各个点的温度有些会随着时间的变化而变化，有些不会随着温度的 变化而变化，我们把随时间变化的称为稳态温度场，不随时间变化的称为非稳 态温度场，温度场中存在着一些温度相同的点，把这些点连接起来成为一个面， 称之为等温面，等温面上任意两点连成的线，我们称之为等温线，并且与等温 线垂直的垂面上温度变化最大，用温度梯度来定义，它表示温度变化率最大， 定义公式如下， g r a d t ：l i r a _ a t ：罂 ( 2 2 ) x 斗0 a n o n 其中，g r a d t 为温度梯度，定义温度梯度的正方向是温度不断增加的等温面法线 方向，a n 为法线n 方向上的距离。 任何热量的传递只能以热传导、对流、辐射三种方式进行。 ( 1 ) 热传导 热传导的定义可以从两个方面来定义，一是宏观角度，定义如下：热量从同 一物体内温度高的地方传递到温度低的地方，或传递到与他接触的不同物体的 过程称为热传导。另一方面是微观，定义如下：当物体之间没有宏观相对运动 5 武汉理工大学硕士学位论文 时，原子，自由电子及分子的热运动产生的热量的传递称为导热。 从微观方面来看，各种状态存在的物质的导热原理各不相同。对于导热固体 来说，大量的自由电子在晶格间运动，导电良好的固体中会有相当多的自由电 子在晶格之间运动，非导电固体的导热是晶格结构的不断振动导致的，气体分 子相互碰撞，热量从高温传道低温处，这些运动着的分子可以将热能从高温传 到低温，自由电子的不规则运动也导致了热量的传导，液体的热传导原理目前 还存在着争论，一部分人认为液体与气体类似，存在一点小的差别，液体分子 之间的距离比气体小，相对来说分子间的影响力比较大，另一部分人认为液体 跟非导电固体比较接近，主要靠弹性波的作用 2 7 1 。 通过大量的实际导热问题的经验提炼，导热现象的规律已经总结为傅里叶定 律，又称为导热基本定律，当物体的温度仅在一个方向上面变化时，为稳态导 热时，我们用傅立叶公式来描述：在导热现象中，单位时间内通过某一横截面的 热量与该横截面上的温度梯度，反比于该横截面的面积。而热量传递的方向则 与温度降低的方向相同，用公式表示为： g = 姜一瑶 协3 ) 其中，为热流量，单位为w ；a 为热传导系数，单位为w ( m k ) 。负号表示传 热方向与温度梯度方向相反；丁为空间上某点x 处的温度，单位为k ；鼋为热流 密度，单位为w m 2 。 ( 2 ) 热对流 热对流仅发生在流体中，流体之间发生宏观的相对位移，冷热流体之间相互 混合，导致热量在流体中的传递的过程。液体的热对流和热传导是同时存在的， 在工程上称之为对流换热。根据牛顿冷却定律，对流换热公式为： q = h a t ( 2 - 4 ) 其中，h 为传热系数；4 丁为壁面和流体之间的温差。 ( 3 ) 热辐射 辐射能是一种电磁能，辐射能的原因多种多样，顾名思义，热辐射的原因就 是热。自然界中所有的物体无时无刻都在向周围发生并且吸收着热辐射。物体 间以辐射方式进行的热量传递是辐射与吸收过程的综合结果。 物体与环境处于热动态平衡状态时，物体与环境之间就没有辐射传热量，物 体与外界环境仍然存在辐射与吸收过程。热传导和对流传热两种热量的传递只 有在物质存在的条件下残可以实现，但是辐射传热不同，它可以在真空中传递， 6 武汉理工大学硕士学位论文 无须借助中间介质来完成，辐射传热区别于另外两种传热的另一个特点就是， 辐射传热能量转移和能量转换的综合，伴随着转移和转换两种能量的发生，因 为辐射传热是能量从热能转换为了辐射能，并且发生了转移，每个物体都存在 有辐射能，物体在发射辐射能时和吸收辐射能量时，辐射能又转变为了热能。 辐射能主要发生在存在有温差的物体之间。 热辐射热量由斯蒂藩一玻耳兹曼方程定律揭示，也称热辐射方程，表示如 下： = a o ： 4 ( 2 5 ) 其中，a 为物体的辐射表面积，单位为m 2 ；o 为斯蒂藩一玻耳兹曼常量：t 为黑 体的热力学温度，单位为k 。 以上分别介绍了三种传递热量的基本方式：热导热、热对流和热辐射。在实 际问题中，这些方式一般都不会单独出现，通常表现在相互串联的几个传热环 节中，而且同一环节的传热也是如此。所以我们通常根据具体情况来分析运用 这三种基本的传热方式。 2 1 2 太阳辐射传热 用e 表示入射太阳光辐射能量的密度，计算公式可以表示如下： q r 。加= 【e ( 五) d 兄 ( 2 6 ) 其中，e ( 五) 表示经过大气层吸收后的太阳光谱的辐照度。 太阳能量分布图如图3 1 所示。图中有两条曲线a m l 0 和a m l 5 ，其中 a m l 0 曲线表示在地球大气层外接收到的太阳辐射能，a m l 5 曲线表示通过大 气层以后辐射到地球表面的太阳辐射能。在太阳辐射过程中，由于空气中有尘 埃的吸收，到达地球表面是的强度为8 3 5w 砰。 7 武汉理工大学硕士学位论文 | 。；。；。 厂枷芋一飘产嘲守叫 鼢k i 卡哪- _ 隔o ： n l ： 霄 ”； 菹 硇 l 五l 、 妒 献 ； u |壤阶k | 1 i 慨li lln 。 2 2 火甩效率与火用分析 w 群d 蝴c 细心 图2 - 1 太阳辐射能量分布图 近年来，能源短缺问题日益严重，人们也不断开发利用新的能源来解决当务 之急。由此，在能源领域，我们引入一个新的概念来评价能量的价值，即“_ ：j ( 用”， 人们通常称为有用能。火用是能量中可以变为有用功的那部分能量，更从质的方 面揭示了能量的实际价值，揭示了能量在转换过程中不断向无用功转变的本质， 使人们对能量的利用有了更加深入本质的认识，迄今为止，火用在很多实际领域 都有很多应用，如冶金、制冷、能源、石油化工。 2 2 1 ；| ：用与能 火用的大小在能量转换过程中才能够表现出来。热力学第二定律揭示了能量转 换的不可逆性，机械能可以完全转换为热能和内能，但是相反的，内能和热能 不能转化为机械能而不对外界产生任何影响。以能量转换为依据，我们可以把 能量划分为三类不同“质”的能量：第一种是可以完全转换的能量。这种能量在能 量转换的过程中在理论上可以完全转换为其他形式的能量，如机械能、水能、 风能等，它们在技术上可以完全转换为我们需要的能量，称之为高级能量。从 本质上来说，高级能量完全有序。因此，从理论上来说，这些高级能量之间可 8 武汉理工大学硕士学位论文 以完全相互转换，即质与量是统一的。第二种为可部分转换的能量。如内能、 热量等，从本质上讲，这部分能量只能部分转换，只有有序的那部分能量才能 转换，根据热力学第二定律，他们不可能完全转换为机械能或者电能。这类只 能部分转换的能量被称为“低级能量”。第三种为不可转换的能量，这类能量是无 序的，无法转换为可利用的能量，量很大但质为零，如介质的内能。 2 2 2 火用和火无 不同种类的能量的转换能力各不相同，如果仅以这个作为评价能量好坏的标 准不是很准确，外界环境和转换过程的不可逆程度都会影响能量的转换能力， 所以如果需要比较转换能力的高低，就必须制定一个比较相同的转换环境，这 个约束条件有两个，一个是具有相同的周边环境，并且我们用死态来定义系统 与给定环境相平衡的状态，另一个是转换过程的可逆条件相同。在两个条件都 相同的情况下，把最大的可能转换能力作为度量能量转换的度量尺度。 至此，我们定义“火用”为：在一定的外界环境条件下，系统从任意状态可逆变 化到死态时，系统从任意状态可逆变化到死态时，能完全转换为有用功的那部 分能量。 火用与能有一定的相同点也有一定的不同点，火用本质上也是一种形式的能量， 跟其他形式的能量相同，也具有能量的性质，总的说来，火用是能量中“量”与“质” 相统一的那部分能量，而能的“量”与“质”是不统一的。火用存在于各种形态的能量 中，能量不论以哪种形态存在，火用都是“质”与“量”相统一的那部分能量，这样， 火用为能量的评价提供了一个统一的尺度，使所有的能量之间具有了一种互比性， 这种可比性是从质与量两方面来进行的，不仅反映了量的大小和质的好坏。 在一定的环境条件下，火无是无法转换为有用功的那部分能量。由热力学第二 定律可知，系统的能量由火用与火无组成，可完全转换为有用功的那部分能量称为 火用，不能转换为有用功的那部分能量称为火无。火用与火无都可以等于零，如果火用为 零，能量为不能转换的能量，如果火无为零，能量为高级能量。任何形式的能量 ( e ) 都是由火用( e ，) 与火无( 彳) 组成，即： e 三e + 彳 ( 2 7 ) 其中，e 为总的能，& 为火甩，a 为火无。 综上所述，j l ( 用反映了能量的转换能力，它是能量中量与质相统一的部分，它 是能量中实际有价值的那部分能量，它给各种能量提供了一个相互比较的统一 9 武汉理工大学硕士学位论文 尺度，是不同形式的能量之间可以相互比较，能量的火用越大，质越高，价值越 高，因此，我们用单位能量中含有火用值的多少来度量能量的质量，即： z 罩生 厶 ( 2 8 ) 其中，五称为“能质系数”，是一个无量纲量。 2 2 3 能量转换规律 在上文中，我们认识到火用和火无的定义，热力学第一定律从能量守恒的角度来 揭示了火用与火无之和保持不变，即：系统的火用与火无的总量保持不变，满足能量守 恒定律；热力学第二定律揭示了火用与火无之间的相互转化规律，即：火用可以转换 为火无，但火无不能转换为火甩。如果能量转换的过程是可逆的，则火用的总量守恒， 如果能量转换的过程是不可逆的，则能量在质的方面会减少，即火用转变为火无， 这部分损失的火用是能量转换过程中的真正损失。这样，我们可以将热力学第二 定律从能量转换的角度做出更为准确的解释：在能量的转换过程中，封闭系统 的孤立系统的火用值不会增加，火无值不会减少即火用减火无增原理，因此火用与熵一样， 可以用来判断热量转换过程中变化方向的标志和依据，换而言之，孤立封闭系 统的能量转换过程都有火甩减少火无增加的趋势，而当系统处于稳定平衡状态时的火 用值达到最小，孤立系统的火用减火无增原理直观地解释了热力学第二定律，具有重 要的理论意义，有助于人们理解能量的性质和损失的本质，同时也让我们认识 到火用的减少是能量在职的方面的减少。 2 2 4 热量火甩 热量火用是指变化系统的温度高于环境温度时，系统就会发生不可逆的变化， 对外界环境所能作出的最大有用功，以e ，表示。 定义外界环境和该系统分别为微卡诺循环的冷热源，每个系统中存在多个 卡诺循环，系统在放出热量9 的同时状态发生着可逆的变化，假设作为热源的 系统放出坦j 的热量，根据卡诺循环的效率公式，热量坦j 对外界所能做出的 最大有用功为： t d = ( 1 一詈) d q l ( 2 9 ) 其中，乃为环境温度，丁为系统最终的温度， 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 糸统做日j 惩受化从该状态剑夕匕态盯，l 司微卞话热刀l 堤侠阴思热重刀 q _ - r 蛆，其中最大有用功为： = ，d = ( 1 一争。 ( 2 - 1 0 ) 这里所说的就是热量q 中的热量火用，即 e = = p = ( 1 一等比= q 一瓦丛 ( 2 _ 1 1 ) 其中，t 为系统的绝对温度，7 0 为环境的绝对温度，鲻是系统在可逆过程中的 熵增加量，它等于户笋。 热量火无如为 如= q 一臣= r o 辟= 瓦心 ( 2 1 2 ) 这是在环境温度为瓦的情况下，无法转换为有用功的那部分能量。 在这里，我们引入另外一个参数：能质系数，定义为热量火用与总热量q 的 比值，公式表示为： 如= 鲁斗瓦等 其中，1 o 为环境的绝对温度，a s 是系统在可逆过程中的熵增加量，q 为系统 向微卡诺热机提供的总热量。 假设系统在恒温的条件下放热，其相应的热量火用、热量火无以及能质系数分 别为： e = ( 1 一等) q = q 一瓦髓1 如= 瓦争= 瓦丛 ( 2 - 1 4 ) 如q 寺j 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 熵与熵增计算 假设有一个孤立的密闭系统，不受外界影响，密闭系统中的每个粒子都在 不停的做无规则的运动，粒子相互碰撞，相互作用，每个粒子都具有各自的热 力学状态，并且由于粒子不断地运动着，各个粒子的动力学分布状态也在不停 的发生着变化，但是由于这个系统是密闭的，不受外界影响，所以该系统的总 的粒子数和能量恒定不变。在不同的时刻，系统的粒子的动力学分布状态各