《傳熱過程中的最小作用量原理研究》是依託華中科技大學，由吳晶擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：傳熱過程中的最小作用量原理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：吳晶
- 依託單位：華中科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
本項目首先將熱量傳遞過程目的分為兩大類：熱功轉換和加熱物體，指出不同目的傳熱過程不可逆性的量度需要區分，其中熵產用於量度以熱功轉換為目的的傳熱過程不可逆性，而火積耗散用於量度以加熱物體為目的的傳熱過程不可逆性。類似於其它學科，在傳熱過程引入最小作用量概念，但又有所不同，提出對於同一個傳熱過程按照其目的不同，可建立兩個最小作用量- - 熵產熱阻和火積耗散熱阻，並從能量和能量耗散角度闡明它們的巨觀物理意義。建立用於傳熱過程最佳化的最小作用量原理：熵產熱阻最小原理和火積耗散熱阻最小原理，前者適用於以熱功轉換為目的的傳熱過程最佳化，後者則適用於以加熱物體為目的的傳熱過程最佳化，並採用兩個原理分別對熱力循環中的換熱器和多平行平板輻射換熱過程進行最佳化設計。最後，進行多平行平板輻射換熱過程實驗以驗證理論和數值結果。本研究可以豐富火積分析和熵分析理論，建立不同目的傳熱過程最佳化的理論與方法，為提高能源利用率提供指導。
結題摘要
能源是人類社會經濟成長和可持續發展的動力，能量利用過程約80%需要通過熱量傳遞來獲得，因此通過傳熱過程性能的改善以提高能源利用率顯得尤為重要。本項目結合對熵和火積物理含義的理解，明確了以熱功轉換和加熱物體為目的傳熱過程的最佳化應採用不同的最佳化原理，主要研究內容包括最佳化原理的發展、在傳熱和熱力循環系統最佳化中的套用及其實驗驗證。研究成果包括：（1）將火積耗散熱阻概念擴展至輻射換熱過程，基於熱流加權平均溫差概念定義了輻射換熱過程的熱阻，發展了用於輻射換熱最佳化的最小熱阻原理；（2）在高發射率材料數量一定的條件下，套用火積耗散熱阻最小原理對高發射率材料的布置進行了最佳化，並與最小熵產原理的最佳化結果相對比，發現採用最小熵產原理最佳化時，是使得傳熱區域內溫度倒數之差最小而非溫差最小，這使得在一些邊界條件下，熵產最小時換熱性能並不是最優。而最小熱阻原理的最佳化結果是使溫差最小，因此更適用於以加熱物體為目的的傳熱過程的最佳化；（3）將火積耗散熱阻概念套用於多種傳熱方式耦合的傳熱過程中，定義了耦合傳熱過程的總火積耗散和總熱阻，通過數值模擬驗證了火積耗散熱阻最小原理的適用性；（4）通過對贗配高電子遷移率電晶體（PHEMT）傳統熱阻和火積耗散熱阻的分析比較，指出傳統熱阻概念在工程實際套用中的局限性，與之相比，火積耗散熱阻的大小更能反映器件的傳熱性能；（5）將基於火積理論建立的溫度-熱流量圖（簡稱T-Q圖）分析方法推廣至化工領域，通過T-Q圖可形象而定量地分析比較無相變和有相變的簡單化工過程（無熱回收）、傳統熱回收化工過程以及自熱回收化工過程的不可逆性，揭示自熱回收技術能夠顯著節能的物理本質，為進一步改進和最佳化化工過程提供了簡便而有效的途徑；（6）基於火積傳遞效率概念，確定了n級聯內可逆卡諾熱機在總輸出功率最大時的各中間溫度，指出任一級換熱過程的溫度並不是唯一的，而是浮動的，這使得研究人員可以根據需要靈活選擇工質的種類和熱機的相應運行壓力；（7）搭建三平行平板輻射換熱實驗裝置，驗證了火積耗散熱阻最小原理的適用性；（8）指出當藉助可用能概念理解熵的巨觀物理意義時，需區分系統與環境的可逆熱相互作用和功相互作用，熵是系統與環境在熱相互作用中不可用性的量度，與可逆功相互作用無關。本項目可以豐富火積分析和熵分析理論，建立傳熱過程最佳化的理論和方法，為提高能源利用率提供具有工程指導意義的最佳化準則。
