开口热力学系统的(火积)分析

(火积)是近年提出以描述热量传递能力的物理量.将(火积)的概念拓展应用于涉及做功的开口热力学过程的分析.定义了焓(火积)的概念,基于该定义发展了开口系统的(火积)平衡方程,并给出了开口热力学系统中的"(火积)损失"的概念.应用(火积)平衡方程,对空气标准循环进行了分析和讨论.研究表明,当工质吸收的热量来自燃料燃烧反应时,(火积)损失速率可以描述循环净输出功率的变化;当工质吸收的热量来自高温热流体加热时,则系统的最大(火积)损失速率和最小熵产速率均对应于循环的最大输出功率.因此,(火积)损失是一个可以描述空气标准循环性能的参数.     

基于(火积)守恒方程的可逆热力循环(火积)分析及其应用

将(火积)分析应用于热力循环性能的分析和优化中.首先在可逆热力过程和热力循环的分析中提出了热(火积)流和功热(火积)流的概念,并建立了相应的(火积)守恒方程.其次通过对可逆热机热泵联合循环中(火积)守恒的分析表明,与通常的热泵循环不同,热机-热泵联合循环的功能类似于电学中的变压器(电压变换器),因此可把此类联合循环称之为变温器或温度变换器.此外,取决于联合循环热源的温度,在某些条件下联合循环必须向环境输出功热(火积)流,从而降低联合循环的性能;而在另外一些条件下则可以从环境吸收功热(火积)流,从而提高联合循环的性能.最后,基于热质理论指出了热(火积)实际上是热质能的简化表达式,因而热(火积)流和功热(火积)流则分别是热质能流和功热质能流的简化表达式,它们实际上都是相对性能量.因此,类似于电压变换器中电能与磁能满足能量守恒定律,热机热泵联合循环中不仅热量和功量满足能量守恒定律,热(火积)流和功热(火积)流还满足相对性能量守恒定律,从而(火积)分析方法可用于分析可逆热力循环的性能,而熵分析及?分析方法则无法分析可逆热力循环的性能.最后,本文以两种典型的热机-热泵联合循环为例分析了联合循环的性能评价方法.     

(火积)耗散与热力学过程的不可逆性

分析了(火积)耗散与热量传递、功热转换、自由膨胀、等温物质扩散等热力学过程不可逆性之间的关系.研究表明,对于功热转换、自由膨胀和等温物质扩散3种不可逆过程,均存在熵产而不存在(火积)耗散,因此(火积)耗散不能反映这些过程的不可逆性.对于热量传递过程,熵产和耗散同时存在,表明(火积)耗散只能反映与热量传递过程相关的不可逆性.进一步,对内可逆热力学循环的不可逆性进行了分析.由于内可逆循环将所有的不可逆性归结为工质与热源之间传热过程的不可逆性,因此(火积)耗散能反映这一类循环的不可逆性.以内可逆卡诺循环为例进行了计算验证.     

功熵与功(火用)

类似于克劳修斯采用由3个等温过程和3个绝热过程组成的可逆热转功循环,建立热向功转换与热量从高温向低温转换的等价定律,并导出克劳修斯等式和熵的方法.本文采用由3个等压过程和3个等容过程组成的可逆功转热循环,建立了功向热转换与功量从高压向低压转换的等价定律,导出了逆循环等式和功熵,并推广至任意可逆的逆循环.系统的体积就是功熵,它是逆循环的核心物理量.类似于(火用)的定义和表达式,定义了新的物理量——功(火用),并借助于逆p-V循环导得了它的表达式.而后阐明了功熵和功(火用)的物理意义,并与热熵和热(火用)的物理意义进行对比.最后介绍了它们在可逆过程性能分析中的应用.     

对流和辐射边界条件下轧钢加热炉壁绝热层(火积)构形优化

基于绝热过程(火积)耗散极值原理,以耗散率最小为优化目标,在对流传热和辐射传热边界条件下,对轧钢加热炉壁平板绝热层进行构形优化,得到平板绝热层的最优构形.结果表明:对流传热边界条件时,(火积)耗散率最小的绝热层最优构形与热损失率最小的绝热层最优构形是明显不同的.(火积)耗散率最小的绝热层最优构形与热损失率最小的绝热层最优构形相比,(火积)耗散率降低了5.98%,从而使得其整体绝热性能得到提高.对流与辐射复合传热边界条件时,绝热层厚度线性增大的布置方式与等厚度绝热层和厚度线性减小的布置方式相比,绝热层(火积)耗散率分别降低了16.59%和39.72%,从而使得绝热层整体绝热性能大大提高.存在最佳常系数a2,opt使得绝热层无量纲(火积)耗散率取得最小值.绝热层最小无量纲(火积)耗散率和最大温度梯度最小值对应的最佳常系数a2,opt相差不大,这使得(火积)耗散率最小的绝热层最优构形对应的热应力也较小,从而在提高绝热层整体绝热性能的同时也有助于提高其热安全性.本文所得结果能从传热优化角度为绝热层的优化设计提供参考.     

广义对流传热定律下多级热机系统功率优化的Hamilton-Jacobi-Bellman方程和动态规划法

研究了有限热容高温流体热源和无限热容低温环境间工作的多级内可逆卡诺热机系统, 考虑热源与工质间传热服从广义对流传热定律[q∝(ΔT)^m], 在初态时刻和驱动流体初态温度均一定的条件下, 应用最优控制理论导出了最大输出功率与流体温度最优构型相关的连续Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB)方程. 基于普适的优化结果, 进一步导出了牛顿传热定律(m=1)下的解析解; 对于非牛顿传热定律(m≠1), 优化问题不存在解析解, 将连续HJB方程离散化, 运用动态规划方法编程实现获得了其完整的数值解, 并深入讨论了系统最大输出功率与过程时间、流体温度三者间的关联耦合关系. 研究结果对实际能量转化系统的最优设计与运行具有一定理论指导作用.     

三源制冷循环有限时间经济性能界限和优化关系

考虑工作于T_H、T_L和T_0热源间的内可逆三热源制冷循环,设工质与热源间的传热系数为α,循环输入热量(火用)和输出冷量(火用)的价格分别为φ_1和φ_2,且有0<φ_1/φ_2<1,则用有限时间(火用)经济分析法可导出两种传热规律下的最佳利润率与制冷系数的关系和最大利润率时的     

εR最大时卡诺制冷机的ε和R

在有限时间热力学的研究中,当讨论热机的最优化问题时,目前常用的目标函数有功率、效率、(火用)效率和熵产生等等。例如,柯曾(Curzon)和阿尔博恩(Ahlborn)求出了最大功率输出时卡诺循环的效率,罗宾(Rubin)又推     

基于变截面单元体的火积耗散率最小导热构形优化

基于构形理论, 以火积耗散率最小为优化目标, 对变截面外形和变高导热通道的单元体进行了构形优化, 结果表明, 当增加控制体内部复杂程度时, 并不总能降低其平均传热温差, 而是存在最佳的构造级数, 使平均传热温差达到最小. 因为变截面高导热通道内的热流密度不符合线性分布, 所以基于火积耗散率最小的最优构形与基于最大温差最小的最优构形是不同的. 基于火积耗散率最小的最优构形相比基于最大温差最小的最优构形可以较大程度地降低平均传热温差, 明显地改善了传热性能. 由于火积更能反映对传热能力的要求, 因此基于此可对各种导热构形问题进行进一步的研究.     

孤立系统内传热过程的火积减原理

从热力学第一、第二定律出发, 基于熵的概念, 可以得出孤立系统的熵增原理和孤立系统、定温定容系统等的热平衡判据. 本文基于火积的概念, 得出了孤立系统内传热过程的火积减原理, 发现在孤立系统内的热量传递过程中, 火积总是减小的, 该原理可以视为热力学第二定律在传热过程中的一种表述. 本文还得到了孤立系统和封闭系统的热平衡判据, 即最小火积原理和最小自由火积原理, 发现孤立系统在达到热平衡时系统的火积最小, 而封闭系统在热平衡状态下自由火积最小. 这就表明, 在传热过程中, 火积和熵一样, 都可以作为时间之矢, 指出其发展方向; 而且, 火积也可以用于描述系统的平衡态.     

换热器参数优化中的熵产极值和火积耗散极值

以“仅以传递热量为目的”和“参与不可逆布雷顿循环”的逆流换热器为例, 比较了熵产极值准则和火积 耗散极值准则在换热器参数优化问题中的适用性. 对参与热功转换的换热器, 换热器的热力学优化准则取为熵产极值较好; 对只参与热量传递的换热器, 换热器参数优化准则取为火积 耗散极值更合适. 对流体温度变化不剧烈的换热器, 两种优化准则趋于一致.     

T形腔火积耗散最小构形优化

火积耗散极值原理给出了新的传热优化的理论依据和评判标准. 针对矩形固体中包含T形开口空腔的传热模型, 引入了基于火积耗散定义的无量纲当量热阻, 在系统总体积、空腔体积以及T形腔所占矩形域体积一定的约束条件下, 以该当量热阻最小化为目标对模型进行了构形优化. 数值结果表明, 基于火积耗散极值原理可以设计出系统传热性能最优的几何结构. 修正了文献中无量纲总(最大)热阻的表达式, 以其最小化为目标得到了一些与文献结果不同的新规律. 将两种热阻指标下的数值优化结果进行了对比分析, 发现分别对应两种指标的最优系统结构明显不同, 以当量热阻最小化为目标的优化比以最大热阻最小化为目标的优化, 可以有效降低传热平均温差, 改善系统整体传热性能. 空腔自由度越大, 系统性能更佳. 通过数据拟合, 分别得到了当量热阻和最大热阻与3自由度几何参数的优化关联式.     

热功转换循环规律的另一半:逆循环的定理、定律和核心物理量

在回顾卡诺定理、热力学第二定律(正循环等价定律)以及核心物理量熵时,发现它们主要讨论的都是热量通过可逆循环转换为功量的规律.即使对于热泵或制冷逆循环,仍然应用正循环的概念和分析方法讨论它们的性能.然后以逆卡诺循环为例,分析和证明了两温限下逆卡诺循环的性能系数不是最大而是最小.随之提出了一个新的逆循环,它是由两个等压和两个等容过程组成,可称之为逆压容(p-V)循环.在净功量给定和两温限条件下,逆压容(p-V)循环的性能系数远大于逆卡诺循环的性能系数.此结果表明,逆循环中功量是有品位的,压力就是功量的品位.最后建立了逆循环的等价定律和逆循环等式,并引入了功熵的概念.基于逆循环的原理、定理、定律、核心物理量和循环性能等,可望形成热功转换循环规律的另一半.     

(火积)理论及其应用的进展

(火积)和(火积)耗散极值原理的提出,为传热优化开辟了新的方向.回顾了(火积)理论的产生与发展过程,从导热、对流换热、辐射传热、换热器设计、传质等方面介绍了(火积)理论的研究进展.重点围绕(火积)耗散率与熵产率的异同点比较分析、(火积)耗散极值原理与有限时间热力学相结合、(火积)耗散极值原理与导热构形优化相结合、(火积)耗散极值原理与对流构形优化相结合等四个方面,阐述了(火积)耗散极值原理的科学性.     

基于火积耗散率最小的“盘点”导热构形优化

基于构形理论, 以火积耗散率最小为优化目标, 对“盘点”导热进行了构形优化, 并确定了圆盘中高导热材料采用辐射状布置还是树状布置的临界点. 结果表明, 两种材料导热系数之比和高导热材料所占体积比的乘积决定了该临界点的位置; 基于火积耗散极值原理可以设计出圆盘传热性能最优的构形. 对比分析以火积耗散率最小和最大温差最小为目标的优化结果, 发现分别对应两种优化目标的最优构形明显不同. 当两种材料导热系数之比和高导热材料所占体积比的乘积值为30时, 对于前者, 高导热材料采用辐射状布置还是树状布置的临界点为圆盘无量纲半径等于1.75, 而后者的临界点为圆盘无量纲半径等于2.18. 前者的最优构形相比后者的最优构形可以较大程度降低圆盘的平均传热温差, 明显地改善了传热性能.     

换热器组传热性能的优化原理比较

换热器组内的传热过程目的一般可以分为两类:一类是为了热功转换,另一类是为了加热或者冷却物体.相应地,传热过程也包含熵产最小以及??(火积)耗散极大这两种不同的优化原理.通过分析换热器组内的传热过程,并在一定约束条件下利用不同的原理对换热器组的面积分配进行优化,得出熵产最小原理适用于包含在热力循环中的换热器优化问题,而沫...     

不同热源条件下亚临界ORC与跨临界ORC热经济性能的比较

以系统净功、系统效率及系统平均电力生产成本为性能评价指标,首先基于性能寻优原则,对满足夹点温差要求的跨临界ORC(organic Rankine cycle)中膨胀机进口温度和压力进行分析和确定,然后基于固定的烟气出口温度,对不同烟气进口温度下以R601为工质的亚临界有机朗肯循环(亚临界ORC)和以R134a为工质的跨临界有机朗肯循环(跨临界ORC)的热经济性能进行比较研究.结果表明:当跨临界ORC蒸发器夹点温差位于工质进出口之间时,满足夹点温差要求的膨胀机进口压力越小越好;当跨临界ORC蒸发器夹点温差位于工质出口处时,存在最佳膨胀机进口压力.无论对亚临界ORC还是跨临界ORC,随着热源温度的升高,系统净输出功均升高,系统平均电力生产成本均降低;对于亚临界ORC,系统效率随热源温度的升高单调增加,而对于跨临界ORC,系统效率随热源温度的升高先增加后减小(或保持不变).此外,对于系统净功及系统效率,存在一个热源温度区间,使跨临界ORC优于亚临界ORC,并且随着夹点温差的增大,该热源温度区间扩大;对于系统平均电力生产成本,亚临界ORC始终优于跨临界ORC.     

三热源制冷循环的有限时间热力学界限

按经典热力学,三热源制冷循环的最大制冷系数为其中T_H,T_L和T_O分别为高低温热源和环境的温度,Q_H和Q_L分别为每循环从高温和低温热源吸取的热量。但要达到这个可逆热力学界限时,循环必须以无限缓慢的速度进行,否则由于热阻的存在就不     

热源间热机工作参数选择的有限时间热力学准则

经典热力学给出工作在两个恒温热源之间的热机最大效率为 η=1-Q_2/Q_1=1-T_2/T_1,(1) 其中Q_1、Q_2分别为热机工质每循环可逆地从高温热源吸取的热量和向低温热源放出的热量,T_1、T_2分别为高、低温热源的温度。(1)式给我们的启示是尽可能减小工质同热源间的传热温差,需无限缓慢地工作,其结果是以时间为基础的功率趋向于零。然而,实际热机总要有一定     

卡诺制冷机的最佳输出率

在制冷机的有限时间热力学理论中,应用(火用)概念和(火用)方法有助于对制冷机用能过程特点的深入了解.然而至今还用得甚少,有必要进一步提倡和开展研究.本文导出了工作于T_H和T_L(T_H>T_L)两温度热源间受热阻影响的内可逆卡诺制冷机的最佳(火用)输出率(?)与制冷系数ε间的关系为