热泵系统的不可逆度及其热力参数优化

本文采用等价热力变换法,把有内循环不可逆损失和有限热容热源的实际热泵热水器系统变换为等价逆卡诺循环系统,并用定态有限时间热力分析法建立了系统各环节的有效能消耗率方程和系统不可逆度方程,求解了换热器与热泵循环的不可逆耦合问题,重点推导了蒸发器的空气流率与风机消耗功率、传热不可逆损失、蒸发温度、系统性能系数以及不可逆度的关系,算例分析得到了系统的最小不可逆度、最大COP参数所对应的最佳热力参数,所得的最佳冷风温差值与实际基本符合。     

换热器组性能与(火积)耗散及其热阻的关系研究

本文以并联换热器组为对象,在给定每个换热器热容量流的前提下,通过分配各换热器的热导分析了换热器组的总换热量与总(火积)耗散、总(火积)耗散热阻、各换热器(火积)耗散之和、各换热器(火积)耗散热阻之和、及各换热器(火积)耗散热阻加权之和之间的关系。结果表明:在给定每个换热器热容量流,分配热导的前提下,换热器组总换热量的极值与各换热器(火积)耗散之和的极值、各换热器(火积)耗散热阻之和的极值、及以热容量流率与换热量率的乘积作因子的各(火积)耗散热阻加权之和的极值是一致的,而与换热器组总(火积)耗散的极值及总(火积)耗散热阻的极值不一致。     

非平衡热力学中传热过程熵产表达式的修正

熵产是非平衡热力学中的核心物理量,传统上表示为广义力(驱动力)与广义流的乘积.这种表达存在两方面缺陷:一是广义力与广义流的拆分具有任意性;更重要的是,以其计算热波传递时熵产可以为负值,从而违反热力学第二定律.本文基于热质理论分析表明,传热过程的熵产实质上是由热质流体的热质能耗散引起的,所以熵产中的力不是驱动力而是阻力,并且具有力的量纲.由此提出的熵产修正表达式,不仅在计算热波传递过程中熵产恒为正值,与扩展不可逆热力学中的熵产表达式一致,而且不存在力和流拆分的任意性.     

不可逆正、反向卡诺循环的最优性能与熵产率

本文讨论了非线性传热情况下,不可逆卡诺制冷机的最优性能,导出最佳制冷系数与制冷率间的关系;研究了热泵输出“率”之间的关系和协调,导出内不可逆热泵的泵热率与熵产率的关系,并应用熵产率为目标求极值的方法,得到了热机、制冷机和热泵的最优性能关系。为推动有限时间热力学研究提供了一个新的、有效的分析方法。     

基于有限时间热力学的换热器构型优化研究

针对逆流换热器的换热过程,以(火积)耗散最小为优化目标,推导出冷、热流体温度的最佳分布;进而在满足最佳温度分布的前提下,得到了最小(火积)耗散、最小热阻、(火积)传递效率与总传热单元数的关系.引入数值算例,结果显示随着总传热单元数的增加,换热过程不可逆损耗减小,但减小速率也越来越小.同时也证明了(火积)理论比熵理论更适...     

对流换热过程的热力学优化与传热优化

为了进一步明确对流换热过程中热力学优化与传热优化之间的差异,本文分别利用熵产最小原理、(火积)耗散极值原理针对两种边界条件下的对流换热问题进行分析,讨论熵产,(火积)耗散与有用能损失以及对流换热能力之间的关系.结果表明:熵产最小意味着系统的有用能损失最小,但并不反映系统的对流换热能力的强弱;而(火积)耗散取极值意味着系统的对流换热能力最强,但与系统的有用能损失不存在对应关系.因此,对于将降低有用能损失作为优化目标的换热问题应采用熵产最小原理进行分析;而对于需要将提高换热能力作为优化目标的对流换热问题应采用(火积)耗散极值原理进行分析.     

冷热联供的空气制冷不可逆循环分析

本文分析了压气机排气余热利用的冷热联供回热空气制冷不可逆循环,并建立了仅忽略系统内所有换热器流动阻力损失的循环工作性能系数(COP)计算方程式。用该方程分析研究了透平膨胀机与压气机等熵效率、压缩机排气余热度、降温比、传热温差、压比等参数对系统COP值的影响,发现膨胀透平等熵效率提高对COP值的贡献远大于压气机效率同样提高的功效;在其它参数确定时,存在最佳压比,可使系统工作性能系数在该条件下达极值。在优化参数配置下,用于空气调节的冷热联供回热空气制冷不可逆循环的COP值可达2左右。     

孤立系内热传导过程(火积)耗散的解析解

(火积)耗散与熵增均可以作为传热不可逆性的度量, 当前(火积)理论的反对者认为(火积)是不必要的. 为说明(火积)的必要性, 从有效性的角度进行了论证, 即在描述传热过程不可逆性的变化上, (火积)的严格解析解存在, 而熵的严格解析解难以得到. 本文构建了孤立系内的一维及多维热传导模型, 求解了温度及其梯度的级数型解析解, 将其代入(火积)耗散的求解式, 得到其最初的形式为一多重级数的多重积分, 交换积分与级数计算顺序, 并利用特征函数的正交性, 将(火积)耗散求解式中的积分运算求出, 并使级数的维数降低, 最终将其表示为一稳态项与一瞬态项加和的形式, 其极限与文献中的结果一致. 通过对孤立系内(火积)耗散解析解的求解可以得出: 由于热传导过程熵与(火积)的解析解求解难度不同, 在描述传热过程不可逆性变化上, (火积)更加有效; 对于孤立系内不同维数的热传导问题, 只要温度场解析解存在, (火积)耗散解析解均可以应用特征函数正交性求解得到.     

冷库预冷流动传热物理场分布研究

冷库预冷是传统的果蔬采后预冷方法,前人研究通过数值模拟使冷库预冷过程的流场和温度场可视化,本文进一步分析空气流速、局部平均空气龄、温度、熵产、(火用)损和(火积)耗散等物理场的分布特性,指出其间存在密切联系。塑料筐周围的空气流速和流向与内部的局部平均空气龄有关,并影响内部的传热速率。传热熵产率、传热(火用)损率和(火积)耗散率的分布特性及其变化趋势相似,局部高值与局部平均空气龄较低的区域均出现在塑料筐的表面。     

湿空气与溶液传热传质过程的潜热(火积)

空气除湿器中,吸湿溶液和湿空气在温差和湿差驱动下进行热量和水分的传递。为量化该过程的不可逆程度,定义了湿空气和溶液水分传递过程的潜热(火积)及(火积)耗散并得到了绝热逆流除湿器中热质传递过程的(火积)平衡方程,给出了潜热(火积)的简化表达式及其T-Q_1图分析法。用上述新定义和分析方法对典型绝热逆流除湿器中湿空气和溶液热质交换过程进行了分析计算,结果表明,过程的潜热(火积)耗散约为显热(火积)耗散的3倍,因此,除湿器中水分传递的优化需要引起足够重视。     

超临界二氧化碳冷却器中间分流优化设计

基于超临界二氧化碳毛细管冷却器的设计,对冷却器内部的夹点问题、温差均匀性及(火积)耗散率进行了分析。提高冷却水流量和降低冷却水入口温度能够有效避免夹点传热恶化。水流量和二氧化碳流量不匹配会造成冷却器内部温差分布不均匀,增大传热不可逆损失。中间分流措施能够在原有换热器的基础上,通过改变局部水流量分布,提高冷却器内部温差分布均匀性,降低换热器(火积)耗散率。     

热力学与传热学的共性理论基础——可逆与不可逆过程普适的有效能方程

回顾总结了热力学与传热学共性理论基础研究的系列成果,从正视热力学第二定律、"熵产"理论在实际应用中存在的问题入手,以势能理论为依据,用相对环境平衡态的势能为基准态势能定义了能量中的有效能和无效能。这种定义具有与""相同的性质,又能从定义式直接写出有效能函数的表达式。继而利用热力学第一定律方程,推导出了普适的有效能方程、有效能率方程,并与熵方程、■耗散方程和方程进行了比较。前者方程各项都只与状态有关,都能独立计算出来,而后三个方程都有一项与不可逆过程有关的补缺项。把有效能率方程应用于传热过程,导出了传热效率的表达式;应用于实际热机系统,导出了传热与热力耦合系统的输出功率、输入热流率、效率、换热器传热系数以及热源参数之间的关系,并举例应用于系统优化设计。本文构建的热力学和传热学共性理论,为热机与换热器耦合进行热力系统综合分析和协调优化提供了理论基础。     

(火积)理论在热功转换过程中的应用探讨

分析和讨论了(火积)理论在热功转换过程的应用及其局限性.对Carnot循环的分析表明,Carnot循环中系统的(火积)是平衡的,但(火积)和熵之间不存在dG=T2dS这样的联系.对于一般热力学过程,分析表明,在热量传递到内可逆循环中间接对外做功时,现有的(火积)理论可用于系统的分析.讨论了热功转换过程分析中(火积)理论与熵理论的不同.分析表明,两个理论的分析角度及优化输出功的前提条件是不同的.熵产从可用能损失的角度分析热功转换过程,而(火积)理论则从热量势能消耗的角度.当输入系统的可用能给定或者输入系统的热量及热量进、出系统的热力学力给定时,熵产最小化对应于输出功最大;对于(火积)理论,则当输入系统的热量及热量进、出系统的温度给定时,最大(火积)损失对应于最大输出功.同时,它们各自均有局限性.当相应的前提条件不满足时,最大(火积)损失或最小熵产可能不与最大输出功相对应.     

对流换热中的准(火积)耗散函数

通过分析对流换热过程中微元控制体内的(火积)流动平衡,得到类似于热传导过程中(火积)耗散函数表达形式的对流换热准(火积)耗散函数,表明对流换热过程中的(火积)耗散由热传导和对流形成的耗散共同构成。并通过分析对流换热过程的特点,对准(火积)耗散函数中对流项的影响进行了修正,使用圆管内热充分发展流动与无限宽平行通道内的对流换热过程检验,控制体内准(火积)耗散函数的计算结果与边界(火积)流的结果一致,表明文中提出的准(火积)耗散函数是可靠的。     

热力学第二定律的量化表述及其应用例

尝试对热力学第二定律进行量化表述,通过能量在转移过程中有效能量变化的计算,当消耗的有效能变为无效能时,则用于描述不可逆过程;当有效能与功等量交换时,则用于描述可逆过程,并给出了多过程系统的第二定律计算式;介绍了有效能函数与热力学的三个能函数U、H、F的关系及其微分关系;给出了传热、摩擦、节流、冷热液体混合等7种不可逆过程和等价内可逆卡诺循环热机的有效能消耗。用有效能消耗量与输运热量的比值,定义了不可逆传热过程的有效能消耗系数η_(u,ir);用有效能转化功量与吸热量的比值定义的热机效率叩,发现传热过程的有效能消耗系数和卡诺循环热机的效率有相同的表达式,为η_(u,ir)=η=T_0(1-T_2/T_1)/T_2,不仅与热源高、低温T_1和T_2有关,还与环境温度T_0有关。     

换热器性能分析新方法

鉴于以加热或冷却为目的的热量传递过程,其不可逆性应以NFDA1的耗散率来度量,为此可以用换热器中的NFDA1耗散率定义换热器的当量热阻,它既包含换热器中的传热热阻,还包含了由非逆流形式和非平衡流引起的附加热阻. 换热器当量热阻的倒数称之为换热器的当量热导. 通过NFDA1耗散定义的换热器当量热阻建立了传热不可逆性与有效度的联系,并导得了换热器有效度与当量热导（热阻）和热容量流比的统一函数关系式,它适用于不同流程布置的换热器. 因此,有效度-热导（热阻）方法能更方便于不同类型换热器性能的分析和比 关键词： 换热器 热阻 耗散 熵产     

不可逆四热源吸收式热变换器的最优性能

在恒温内可逆四热源吸收式热变换器循环模型的基础上,建立了线性(牛顿)传热定律下考虑泵热空间向环境的热漏、工质的内部牦散以及工质与外部热源间的热阻损失的不可逆四热源吸收式热变换器循环模型。导出了在总换热面积一定的条件下,循环泵热率和泵热系数的基本优化关系、最大泵热率和相应的泵热系数、最大泵热系数和相应的泵热率以及最佳工质工怍温度和最佳换热面积分配关系。     

广义不可逆卡诺制冷机的生态学最优性能

以反映制冷机火用输出与熵产率之间最佳折衷的“生态学”准则为目标 ,综合考虑热阻、热漏及工质内不可逆性 ,导出了牛顿传热定律系统广义不可逆制冷机的生态学最优性能 ,由数值算例对不同损失情况下制冷机的性能变化规律进行了比较。文中结果对实际制冷机的设计工作具有一定的理论指导意义     

基于(火积)耗散数最小的板翅式换热器优化设计

本文以传热和阻力引起的总(火积)耗散数最小为目标,在给定热负荷的情况下对工作流体为理想气体的板翅式换热器进行优化.结果表明,优化后传热(火积)耗散数和阻力(火积)耗散数都得到了大幅减小,而后者减小的幅度更大.随着总煨耗散数的减小,换热器有效度有所增加,而消耗的风机功率大幅减小,从而提高了换热器整体性能.     

SOFC不可逆过程热力学性能的数值计算

固体氧化物燃料电池(SOFC)内存在着复杂不可逆传递过程导致不可逆损失。结合熵产进行数值研究,描述七种不可逆损失的来源、分布及程度;探讨损及效率在发电过程中的变化规律并考察其受温度、水碳比(S/C)、预重整率的影响。结果表明:温度梯度是CH_4-SOFC总熵产主驱动力,质热耦合、重整、活化及欧姆熵产分别集中位于通道、支撑层顶部、电极功能层及电解质中心面。损随电流密度的增大呈先减小后增大规律,而效及发电效率则是先上升后下降。升温,最小损及最大效和发电效率均增大;提高水碳比及预重整率,最小损减小,最大效及发电效率均增大。损和效可全面反映能量损失与利用程度,分析SOFC中不可逆过程传递机制可为其热优化和结构设计提供一定的理论依据。