自由活塞VM循环热泵性能分析与热力学优化

摘要

自由活塞机构采用弹簧保持运动的周期性，由于没有机械侧压力作用在活塞上，可以减少活塞密封环的磨损。将自由活塞机构应用于VM循环热泵可以提高热泵的工作寿命。但自由活塞VM循环热泵在运行过程中，存在很多不可逆损失。本文进行自由活塞VM循环热泵的性能分析与热力学优化，研究循环性能的提高途径。
　　根据自由活塞在VM循环热泵中的位置，确定了四种自由活塞机构弹簧的连接方式。通过计算系统的性能系数，确定采用三根弹簧的连接方式。并分析了活塞位移、频率、相位角、振幅比和阻尼对自由活塞结构运动规律的影响。
　　在热源温度为800K，供热温度为333K，冷源温度为273K下，分析自由活塞VM循环热泵各主要部件特点，进行设计，并确定系统的运行参数。计算回热损失、流阻损失、导热损失、穿梭损失、泵气损失和其他损失，得到实际性能系数和理论性能系数相差21.5%。并且热泵的实际性能系数随着循环平均压力的增大呈现递增的趋势，并且增加的趋势逐渐减小。随着转速的增大，热泵的制冷量和制热量呈现增加的趋势，并且增加的趋势越来越明显。减小活塞间隙可以减小穿梭损失和泵气损失的总和，从而提升热泵的性能系数。
　　最后采用有限时间热力学的方法，建立了VM循环热泵的不可逆循环模型。不可逆过程包括热源热容的有限性、热阻和换热效率、回热损失及热漏损失，分析了以上因素对循环热泵制热系数和泵热率的影响，推导了制热系数和泵热率的表达式。研究发现，热源的入口温度、出口温度和换热器效率成耦合关系，提高换热器效率可以减小热源出口温度从而提高热源利用率。在给定条件下，高温热源入口温度为545K时，可以取得最大制热系数。低温热源入口温度越高，制热系数和泵热率越大。制热系数随着回热器效率的提高显著增加，随着漏热率的增加而趋于缓慢地减小。泵热率则随回热器效率的提高增加平缓。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 本课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究内容

第2章 自由活塞VM循环热泵的运动分析

2.1 VM循环热泵结构和工作原理

2.2 弹簧连接方式分析

2.3 活塞的运动分析

2.4 本章小结

第3章 自由活塞VM循环热泵的性能分析

3.1 其他部件设计

3.2 自由活塞VM循环热泵的各项损失

3.3 自由活塞VM循环热泵的性能分析

3.4 本章小结

第4章 自由活塞VM循环热泵的有限时间热力学分析

4.1 有限时间热力学理论基础

4.2 不可逆VM循环热泵模型的建立

4.3 不可逆性分析

4.4 模拟分析

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研工作

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢