(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.     

导热优化中的最小传递势容耗散与最小熵产

为了比较分析强化传热中存在的熵产最小化和传递势容耗散最小化两种不同的方法,针对体点问题,根据这两种方法对导热系数分布进行了优化。数值计算和理论分析的结果表明,根据最小传递势容耗散原理得到的结果优于最小熵产原理得到的结果。其原因在于传递势容耗散最小的优化目标是提高热量传递效率,而熵产最小的优化目标实际上是减少可用能损失。     

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.     

耦合能量和熵产分析的热电制冷器多目标优化

能量和熵产最小化理论已广泛应用于热电系统优化,然而平衡制冷量最大化和熵产最小化的热电系统参数优化研究较少。本文基于能量平衡和熵产最小化理论,通过效率单元法和稳态热传递,建立了热电制冷器(TEC)的热力学数学模型,并评价系统的热力学性能。在固定冷端温度条件下,考虑热物性参数的温度依赖特性,研究了包括热电臂臂长L、半导体对数N及面积比率F等几何参数对制冷器制冷量和熵产的影响。同时,构建了多目标函数J以实现制冷量和熵产的耦合,并利用简化共轭梯度法(SCGM)对系统参数进行多参数多目标的优化。结果表明,多参数多目标能有效优化热电制冷器的性能,相比于初始几何结构,耦合评价指标J下降约为初始值的30%。     

不同目的热优化目标函数:热量传递势容损耗与熵产

热量传递势容(势容)反映了物体的导热能力,在导热过程中势容有损耗,对应于势容损耗最小的导热过程效率最高,传热速率最大。熵反映了过程的不可逆性,在导热过程中熵有增加(熵产),对应于熵产最小的过程是系统做有用功的能力((?))损失最小的过程。以势容损耗和熵产为目标函数,分别对导热平板和圆形导热管进行了导热优化计算。以势容损耗作为目标函数的优化,要求沿传热方向温度的梯度为常数,结果是系统具有最大的导热能力。以熵产作为目标函数的优化,要求沿传热方向温度的自然对数的梯度为常数,结果是系统具有最小的(?)损耗。     

传热过程的效率

在许多物质或能量传递交换的过程中都有效率的概念,如热功转换过程、流动过程、输电过程等,但是在传热过程中却没有.基于效率可以讨论传热过程的性能,并可作为传热过程优化的目标.本文基于新的物理量=定义传热过程的效率,讨论影响传热过程效率的各种因素,特别是把"不可逆"因素与"不可用"因素分开.不可逆因素来自于某种能量形式的耗散...     

层流对流换热中的势容耗散极值与最小熵产

在一定的约束条件下,存在一个最优的速度场,它能够使得温度场和速度场的协同程度最好,从而使得对流换热的整体传热性能达到最优。目前对传热效果的评价存在熵产最小化和势容耗散取得极值两种不同的准测。分别根据这两种优化准则,用变分方法推导了在粘性耗散一定的条件下,稳态无内热源的层流对流换热的场协同方程,并对方腔内对流换热问题进行了优化。数值计算结果表明,势容耗散取得极值时的换热效果优于熵产最小的结果,因此势容耗散极值原理更适合做为对流换热的优化准则。     

热光伏能量转换器件的热力学极限与优化性能预测

受不可逆损失的影响,热光伏能量转换器件在高品位热能回收与利用方面受到限制.本文揭示不可逆损失来源,提供热光伏能量转换器件性能提升方案.利用半导体物理和普朗克热辐射理论,确定热光伏能量转换器件在理想条件下的最大效率.进而考虑Auger与Shockley-Reed-Hall非辐射复合和不可逆传热损失对光伏电池的电学、光学和热学特性的影响,预测热光伏器件优化性能.确定功率密度、效率和光子截止能量的优化区间.结果表明:相比于理想热光伏器件,非理想热光伏器件的开路电压、短路电流密度和效率有所降低;优化热光伏电池电压、光子截止能量和热源温度,可提升器件的功率密度和效率.通过对比发现理论与实验结果较一致,所得结果可为实际热光伏能量转换器件的研制提供理论指导.     

JT节流制冷器热力性能仿真与优化

本文充分考虑了流道的几何形状、流体物性的变化、纵向导热损失以及辐射漏热损失,建立了Hampson型J-T节流制冷器的稳态数理模型,对其稳态热力特性进行了性能仿真及可用能分析,并采用响应面优化法和可用能损失最小化对换热器结构进行了参数优化。结果表明:与实验值相比较,误差在1%左右,证明了该稳态热力模型的准确性;在可选结构参数范围内,存在最优结构配置使换热器的可用能损失最低,即换热器的性能最佳,并进一步验证了响应面分析法的合理性,为J-T节流制冷器的优化提供了新的思路和方法。     

驻波型热声制冷机熵产分析

声制冷机是一种新型制冷机,具有无机械运动部件,可靠性高寿命长,采用惰性气体为工质无污染等优点．驻波型热声制冷机的声功泵热效应是不可逆过程,内部不可逆损失导致热声制冷机效率偏低,制约了热声制冷机的发展和应用．本文研究了线性范围内驻波型制冷机换热器和回热器内的可压缩振荡流动与传热过程的熵产,分析了板间距,振荡频率和温度梯度对熵产的影响。     

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     

压差预冷多尺度热力学特性实验研究

压差预冷是目前普遍使用的采后果蔬预冷方法,其研究集中在预冷时间和能耗等表观物理量,尚缺乏热力学特性的研究。本文基于苹果压差预冷实验建立多尺度热力学模型,从能量、熵、■和■四个方面分析压差预冷过程的热力学特性。在压差预冷过程中,通风功耗和其转换而来的热分别是主要功负荷和热负荷,传热能力损失和热力学损失分别主要由冷库内部空气与各筐苹果之间的对流换热过程和维持此过程的通风设备引起.     

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.     

基于可用能和熵产分析500 W/4.5 K氦制冷机优化

利用流程模拟软件对500 W/4.5 K氦制冷机建立静态模型,建立制冷循环的可用能效率以及系统熵产的分析公式.选取透平路分流系数、透平路中间压力、透平路进口温度和压机出口压力关键参数为研究对象,采取氦制冷机的可用能效率分析和系统熵产分析相结合的研究方法,对氦制冷流程进行优化分析.优化后的500 W/4.5 K氦制冷机的...     

单相对流传热中的熵产分析与优化

本文分析了圆管内单相对流传热过程的熵产,以局部熵产率为优化目标,流动功耗一定及能量与质量守恒为约束条件,应用拉格朗日极值原理对管内流动进行分析优化,导出局部熵产率为最小时的控制方程组,并运用Fluent软件对该方程组进行数值求解,得到圆管单相优化后的速度场与温度场。结果表明,以熵产最小为目标优化后的流场为多涡的纵向旋流,其换热及流动性能较好。     

矩形肋片热沉(火积)耗散率最小与最大热阻最小构形优化的比较研究

针对矩形肋片热沉, 分别以最大热阻最小化和基于(火积)耗散定义的当量热阻最小化为优化目标, 采用二维传热模型并结合有限元数值仿真对其进行构形优化, 比较了两种目标下的热沉最优构形, 并分析了全局参数(综合了对流换热系数、肋片占据的总面积及其热导率的函数)和材料占比对两种目标(最大热阻、当量热阻)及其对应最优构形的影响. 结果表明: 热沉外形固定时, 两种目标下均不存在最优的肋片厚度; 热沉外形自由变化时, 两种目标下的最优构形存在一定的差异. 此外, 全局参数对两种目标下的最优构形均没有影响, 而材料占比对两种目标下的最优构形均有较大影响. 提高全局参数和材料占比均可以减小最大热阻最小值和当量热阻最小值, 但对两种目标的减小程度不同. 总体上, 调节热沉结构参数使当量热阻最小, 可以同时获得很好的局部极限性能; 而调节热沉结构参数使最大热阻最小, 获得的整体平均散热性能却较差. 因此, 对本文热沉模型进行优化时, 以当量热阻最小化为优化目标更合理.     

辐射传热中的熵流,熵产和有效能流

以无限大双平行灰体平板等辐射流传热为例,研究了辐射传热的熵流,导出了辐射传热的熵产率,有效能传输效率和理论最佳接收温度的基本通用计算式。通过引入系统黑度的概念,把以上结果应用于复杂辐射传热的热力学分析。针对辐射强度随传递距离不断减弱的辐射传热的非平衡辐射热力学问题,提出辐射强度系数和当量辐射温度的概念,并以太阳能热接收转换器为例,导出了以当量辐射温度表征的辐射能接收转换热效率,熵增强度,有效能输出率,最佳接收温度的计算式,考察了聚光度对提高太阳能接收器有效能输出率的作用。     

真空热离子发电器的性能优化和参数设计

建立一个包括外部和内部均存在传热不可逆损失的真空热离子发电模型,由阴极和阳极的能量平衡方程确定极板的工作温度,进而导出发电器输出功率和效率的一般表达式。在不同的工作条件下,对输出功率和效率进行优化,并讨论极板功函数和输出电压对系统性能的影响,获得系统的主要参数的优化选择判据。所得结果对材料的合理选择和器件的优化设计有指导意义。     

板翅式换热器传热、阻力多目标权衡优化

本文利用NSGA-Ⅱ算法对板翅式换热器中流体的传热和阻力分别引起的熵产数和(?)耗散数进行了多目标权衡优化。使传热和压降这两个相互矛盾的目标函数同时达到最优,并对帕累托前沿解域进行了LINMAP(多维偏好分析的线性规划)决策,最后对比了两种适值函数的优化结果。结果显示:换热器结构在11个自由度,并满足较小的熵产数或■耗散数的条件下,相比单一目标函数压降最大减少73.65%,成本最多节省1.61%;在相同换热效率下,煨耗散法优化得出的总成本比熵产法减少0.01%。     

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