量子小系统中的热力学循环性能研究

发布时间：2020-06-22 23:04

【摘要】：为了更有效地利用各种中低品位废热,实现能量的梯级利用,并最终获得热力学循环效率与功率的提升。本文在传统宏观意义上的热力学循环的基础上,研究微尺度下热力学循环的性能特性,建立了以受限空间中理想玻色或费米气体为工作物质的微尺度量子斯特灵热机循环模型和微尺度量子斯特灵制冷循环模型。在传统单一发电模块的基础上,应用非平衡态热力学理论,建立了太阳能驱动的热离子-温差热电耦合动力系统的理论模型。确定微尺度量子斯特灵热机循环、微尺度量子斯特灵制冷循环和太阳能驱动的不可逆动力系统的输出功率和效率,研究微尺度量子斯特灵热机循环和微尺度量子斯特灵制冷循环的性能特性和优化性能,所得结果可为更有效地利用各品位热量提供新的途径。论文的主要研究工作概括如下:1.建立以受限空间中理想玻色或费米气体为工作物质的微尺度量子斯特灵热机循环模型;基于受限理想量子气体的热力学性质,研究了量子边界和简并度对于此循环性能的综合影响;分析和计算了循环的固有回热损失;在气体简并、弱简并、高温极限和热力学极限条件下,分别地推导出循环效率和工作输出等等的一般表达式。循环的效率和工作输出与体积比和表面积比之间的关系和循环的效率与工作输出之间的关系使用曲线进行了表示,并进一步讨论了热尺寸效应对于效率和工作输出的影响。揭示了循环的一般性能特征。2.建立以受限空间中理想玻色或费米气体为工作物质的微尺度量子斯特灵制冷循环模型;分析和计算循环的固有回热损失;推导出循环工作输出和性能系数等等的一般表达式;并进一步讨论了热尺寸效应对于微尺度量子斯特灵制冷循环的影响;揭示了循环的一般性能特征。研究发现,区别于经典量子斯特灵制冷循环,除了温度、体积和其它参数外,微尺度量子斯特灵制冷循环的工作输出和性能系数也依赖于循环系统的表面积比等。3.建立太阳能驱动的不可逆热离子热电与半导体温差热电相耦合动力系统的理论模型,应用非平衡态热力学理论,分别地推导出热离子热电器、半导体温差热电器、耦合动力系统的输出功率和效率的表达式。利用能量守恒定律,计算出内能平衡方程。分析了太阳能驱动的不可逆热离子热电-半导体温差热电耦合动力系统的优化性能特性,获得聚焦度CI_s、热离子热电器输出电压V_(TIG)和TEG负载电阻的优化范围。得到一些有益的新结论。所得结果可为实际系统的设计和优化运行提供理论依据。
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O414.1
【图文】：

热机循环,微尺度,量子,等容过程

中HQ 和LQ 分别是在两个等温过程中工作物质与热源且温度为HT LT 之间的热交换量，1Q 和2Q 分别是在两个等容过程中工作物质与交换量，HV 和LV 是理想气体系统的最大体积和最小体积，HA 和气体系统的最大表面积和最小表面积。为了提高微尺度量子斯特性能，在两个等容过程中会经常使用回热器来加以改善。为了方热交换量HQ 、LQ 、1Q 和2Q 将取绝对值。用公式（7）和（8），可以推导出两个等温过程和两个等容过程在下方给出。53 53513 23513 235( , ) ( , )25( , ) 2 ( , )4 25( , ) 2 ( , )4 2ln ( , ) ln ( , )baH H H LH HSH H H HHH HSH LH L H LLH H H LF T v F T vAF T v F T vV TdS NKTAF T v F T vVz T v z T vλλ + = = ,

回热损失,低温热源,费米气体,温度

循环的回热损失只依赖于两个等容过程的体积和表面积。由于理想玻色和费米气体不仅表现着不同于经典的行为，而且其粒子服从于玻色-爱因斯坦统计或费米-狄拉克统计，因此，对于利用理想玻色和费米气体作为工作物质的微尺度量子斯特灵热机循环，拥有彼此不同的回热特性。根据上面所述的回热特性，可以计算出循环吸热量的统一表达式为( )513 23513 2353 535 3- ( ) 2- ( )4 2 23+ + ( ) ( )4 25 3 3- ( )- ( ) ln2 2 2H Lba baLL LH H H cd cdLbba dcaAG z G zVAQ Q Q NKT G z G zVzG z G zzλδ δλδ δτδ δτ ′ ′ ′ = Δ = ′ ′ , (14)其中 δ = 1代表理想玻色气体和 δ = 0代表理想费米气体。

【参考文献】