空气标准等温加热修正Brayton循环:(2)多目标优化

基于第1部分对循环功率和效率特性的研究,进一步以效率、生态学函数、功率和功率密度为优化目标,以压缩比为优化变量,利用NSGA-Ⅱ算法对内可逆空气标准等温加热修正Brayton循环进行不同目标组合的单、双、三和四目标优化,并利用偏差指数对3种决策方式的优化结果进行分析对比,从而寻找最优解集。结果表明三目标优化中偏差指数最小,为0.129 2。故多目标优化能更有效地找到最优解集。研究成果可为Brayton热机循环的优化设计提供一定参考。

空气标准等温加热修正Brayton循环:(1)功率效率特性分析

在已有文献建立的闭式等温加热修正定常流式Brayton循环模型基础上,提出了一种新的五分支Brayton循环,即空气标准等温加热修正Brayton循环,并运用有限时间热力学理论建立了内可逆空气标准等温加热修正Brayton循环模型,导出了其功率效率表达式,分析了最大温比和预胀比对功率与效率、功率与压缩比和效率与压缩比特性关系的影响,以及传热损失对功率与效率特性关系的影响,并将修正后的Brayton循环性能与传统的Brayton循环性能进行了对比。结果表明:循环功率与效率的关系曲线呈扭叶形,而功率与压缩比和效率与压缩比的关系曲线均呈类抛物线形;随着预胀比和循环温比的增加,循环性能明显提升;与传统的Brayton循环相比,修正后的循环性能更优。

变温热源等温加热修正不可逆回热Brayton循环功率优化

根据有限时间热力学理论,在给定各换热器总热导率的情况下,对变温热源条件下等温加热过程修正的不可逆回热式Brayton循环的功率特性进行了优化。研究表明,该情况下全局性的优化结果并不存在。在给定CCC(收敛型燃烧室)和回热器热导率分配的情况下,通过数值计算,得到了最佳的透平出口温度及RCC(常规燃烧室)和低温侧换热器的热导率分配,讨论了循环参数对最佳热导率分配的影响。另外,本文还对文献[7]中的错误进行了修正,并分析了循环工质与热源的热容率匹配问题。

回热式等温加热修正Brayton循环的功率与效率特性!

根据有限时间热力学理论,分析了变温热源条件下不可逆回热式等温加热修正Brayton循环的功率、效率的全局特性和最优特性。研究发现,计入外部传热不可逆性后,分别存在最佳的循环压比使得循环无因次输出功率和效率取得最大值,而且,一般来说,前一最佳压比更大;回热对循环的输出功率影响极小,对循环效率的提高也只在较低压比时起作用;为提高循环的输出功率和效率,常规燃烧室(RCC)有效度、RCC中热源的入口温度和热容率应取较小的值,而收敛型燃烧室(CCC)有效度、CCC中热源的入口温度和热容率应取较大的值。详细讨论了循环热力参数对最大无因次输出功率及其对应的最佳压比和效率、最大效率及其对应的最佳压比和无因次输出功率的影响,指出了已有文献的错误。研究结果对燃气轮机装置的评估和最优设计具有一定的指导意义。

等温加热修正Atkinson循环及其内可逆特性

基于有限时间热力学理论,建立内可逆等温加热修正Atkinson循环模型,导出循环功率、效率的解析式,分析预膨胀比、最大温比和传热损失对循环性能的影响,并将等温加热修正Atkinson循环与传统Atkinson循环进行比较。结果显示,在同样的循环参数条件下,等温加热修正Atkinson循环的性能优于传统Atkinson循环;功率与压缩比的曲线、效率与压缩比的曲线均呈类抛物线,功率与效率的曲线呈扭叶形;循环的性能随着循环预胀比和最大温比的增加而提升。

等温加热修正Diesel循环及其内可逆特性

提出一种新的Diesel循环,即等温加热修正的Diesel循环,并运用有限时间热力学理论建立内可逆修正Diesel循环模型,导出循环功率与效率、功率与压缩比和效率与压缩比的特性关系,研究循环温比、预胀比和传热损失对循环性能的影响,将修正后的循环性能与传统的Diesel循环性能进行比较。结果显示:循环功率与效率的关系曲线呈扭叶型,而功率与压缩比和效率与压缩比的关系曲线均呈类抛物线型;随着预胀比和循环温比的变大,循环性能明显提升;与传统的Diesel循环相比,修正后的循环性能更优。

不可逆简单MCBC在不同优化目标下的性能比较

应用有限时间热力学的理论和方法,导出了变温热源条件下简单不可逆等温加热修正Brayton循环(MCBC)的无因次功率、热效率、无因次功率密度、无因次熵产率和无因次生态学函数的解析式,并分别以它们为优化目标,详细对比了不同优化目标下的主要设计参数,指出了不同设计方案的优势与不足。本文所得结果可以为闭式燃气轮机装置优化设计提供理论指导。

等温加热修正双布雷顿循环分析与优化

采用热力学第二定律分析法研究等温加热修正的双布雷顿循环性能,导出了循环比功和效率解析式。通过数值计算,讨论了循环中换热器有效度等参数对系统效率的影响,发现存在顶循环和底循环最佳压比使得系统效率和输出比功最大,上下两循环等温加热过程能显著提高循环效率,顶循环中的燃烧和等温燃烧过程导致的损失最大。

基于NSGA-Ⅱ算法的变温热源内可逆简单MCBC的性能优化

基于前人所建立的变温热源内可逆简单等温加热修正的闭式布雷顿循环(modified closed Brayton cycle,MCBC)模型,分析了压气机压比等参数对循环性能的影响。分别以无因次功率和无因次生态学函数为优化目标,以压比和各个换热器的热导率分配为优化变量,对变温热源内可逆简单MCBC进行单目标优化。最后基于NSGA-Ⅱ算法,以无因次功率、热效率和无因次生态学函数为优化目标,以压比和各个换热器的热导率分配为优化变量,对变温热源内可逆简单MCBC进行多目标优化,并分析了相关参数的灵敏度。结果表明:常规燃烧室(regular combustion chamber,RCC)和收敛型燃烧室(converging combustion chamber,CCC)外侧流体的入口温比对单目标优化结果的影响存在着明显的相互关系;与单目标优化得到的结果相比,多目标优化得到的最优解对应的偏差指数更小,其中通过香农熵决策得到的偏差指数最小;优化变量变化±10%对最优无因次功率、最优热效率、最优无因次生态学函数及其对应的等温压降比的影响很小,其变化范围均不超过5%。

最大有效功率时等温加热修正内可逆Diesel循环性能

基于有限时间热力学理论和已有文献建立的内可逆等温加热修正Diesel模型,以有效功率为目标函数,研究了循环性能特性。通过数值计算,分析了循环参数对循环有效功率的影响,比较了最大有效功率和最大功率条件下循环性能的差异。结果表明:有效功率与压缩比的关系曲线呈类抛物线型,有效功率与效率的关系曲线呈回原点的扭叶型;随着循环温比、预胀比的增加和传热损失系数的减小,最大有效功率、最大有效功率时对应的最佳压缩比、最大效率及最大有效功率对应的效率均增大;相同条件下,最大有效功率时对应的效率比最大功率时对应的效率大,选择最大有效功率为目标函数时,以牺牲部分功率为代价,使循环效率有较大提升。

内可逆等温加热修正Miller循环功率效率特性

提出了一种对传统Miller循环改进后得到的新循环——等温加热修正Miller循环,应用有限时间热力学理论建立了内可逆等温加热修正Miller循环模型,得到了循环功率与压缩比、效率与压缩比和功率与效率的关系曲线,分析了循环最大温比、预胀比、修正Miller循环比和传热损失对循环性能的影响,并将修正前后的Miller循环性能进行了对比。结果表明:循环的功率与压缩比和效率与压缩比的关系曲线为类抛物线型,功率与效率的关系曲线为扭叶型;随着循环最大温比、预胀比和修正Miller循环比的增大,循环性能显著提升;修正Miller循环性能明显优于传统Miller循环性能。