量子卡诺制冷循环品质因子优化

魏轩宇¹, 范宇和¹，余淑雯¹，殷勇^1,2*

(^1. 武汉工程大学 光电信息与能源工程学院，湖北 武汉 430205

^2.武汉工程大学 热科学与动力工程研究所，湖北  武汉 430205)

摘  要: 本文建立了一个量子卡诺制冷循环模型，循环工质为广义势阱中的两个费米子。得到了无量纲制冷率、制冷系数和品质因子等循环参数的表达式，讨论了循环性能受热漏系数与势阱宽度比的影响。结果表明：以品质因子作为优化目标时，能够兼顾制冷率与制冷系数，使制冷机具有较高制冷量的同时制冷系数有所提高。

关键词: 有限时间热力学；量子制冷循环；广义势阱；品质因子；性能分析

基金项目：武汉工程大学科学基金（19QD22）；武汉工程大学研究生创新基金（CX2022466）

0.引言

作为经典热力学的延伸与拓展，有限时间热力学^[1]主要研究非平衡系统在有限时间等约束条件下的热力学规律。作为热力学研究的一个方向，许多学者对量子工质热力循环^[2-4]进行了研究。

严子浚^[5]考虑将制冷率与制冷系数结合作为优化目标，得出了品质因子的表达式。吴锋等^[6]研究了在不同优化目标下量子卡诺制冷机的性能。Zhang等^[7]考虑了四能级1/2自旋量子工质热机的性能优化。Wang等^[8]研究了谐振子量子热机的性能，提出了热漏系数。Wang等^[9,10]研究了三能级量子热机的最优性能。殷勇^[11]等研究了以生态学函数为优化目标的量子斯特林制冷机的性能。Yin等^[12]在量子工质的基础上提出广义势阱的概念,研究了斯特林制冷机的最优性能。

在文献^[5，8-12]的基础上，本文将建立一个三能级量子卡诺制冷循环模型。循环的工质为囚禁于广义势阱中的费米子，为了简化，分析讨论只考虑两个费米子。循环中引入高低温热源间的热漏。本文推导出无量纲制冷率，制冷系数和品质因子的表达式，并对这些性能参数之间的关系进行分析。

（魏轩宇）量子卡诺制冷循环的品质因子优化 .pdf