传热过程中的最小作用量原理研究

In our work, heat transfer processes are classified into two categories according to the purposes of heat-to-work conversion and object heating. We point out that the irreversibility of heat transfer processes with these two different purposes should be measured by entropy generation and entransy dissipation separately. The concept of least action, which has been proposed in other branches of physics, is introduced to heat transfer processes. But what is different is that there exist two least actions, entropy generation thermal resistance and entransy dissipation thermal resistance, in one heat transfer process according to the two different purposes of heat transfer. The macroscopic physical meanings of the two least actions are discussed by the viewpoints of energy and energy dissipation. The principles of least action for heat transfer processes optimization are proposed: the principle of minimum entropy generation thermal resistance and the principle of minimum entransy dissipation thermal resistance. It is indicated that the former is valid for optimizing heat transfer processes with purpose of heat-to-work conversion. In contrast, the latter is more suitable to optimize heat transfer processes for object heating. Moreover, these two principles are applied to optimize the heat exchangers in thermodynamic cycles and the radiative heat transfer processes among multiple parallel plates. Finally, an experimental study of the radiative heat transfer processes among multiple parallel plates is presented to verify the results obtained by theoretical and numerical analyses. Our study would contribute to enrich the theory of entransy and entropy analysis and develop the theory and method for optimizing heat transfer processes with purposes of heat-to-work conversion and object heating, which may provide guidance for better energy utilization.

本项目首先将热量传递过程目的分为两大类：热功转换和加热物体，指出不同目的传热过程不可逆性的量度需要区分，其中熵产用于量度以热功转换为目的的传热过程不可逆性，而火积耗散用于量度以加热物体为目的的传热过程不可逆性。类似于其它学科，在传热过程引入最小作用量概念，但又有所不同，提出对于同一个传热过程按照其目的不同，可建立两个最小作用量- - 熵产热阻和火积耗散热阻，并从能量和能量耗散角度阐明它们的宏观物理意义。建立用于传热过程优化的最小作用量原理：熵产热阻最小原理和火积耗散热阻最小原理，前者适用于以热功转换为目的的传热过程优化，后者则适用于以加热物体为目的的传热过程优化，并采用两个原理分别对热力循环中的换热器和多平行平板辐射换热过程进行优化设计。最后，进行多平行平板辐射换热过程实验以验证理论和数值结果。本研究可以丰富火积分析和熵分析理论，建立不同目的传热过程优化的理论与方法，为提高能源利用率提供指导。

能源是人类社会经济增长和可持续发展的动力，能量利用过程约80%需要通过热量传递来获得，因此通过传热过程性能的改善以提高能源利用率显得尤为重要。本项目结合对熵和火积物理含义的理解，明确了以热功转换和加热物体为目的传热过程的优化应采用不同的优化原理，主要研究内容包括优化原理的发展、在传热和热力循环系统优化中的应用及其实验验证。研究成果包括：（1）将火积耗散热阻概念扩展至辐射换热过程，基于热流加权平均温差概念定义了辐射换热过程的热阻，发展了用于辐射换热优化的最小热阻原理；（2）在高发射率材料数量一定的条件下，应用火积耗散热阻最小原理对高发射率材料的布置进行了优化，并与最小熵产原理的优化结果相对比，发现采用最小熵产原理优化时，是使得传热区域内温度倒数之差最小而非温差最小，这使得在一些边界条件下，熵产最小时换热性能并不是最优。而最小热阻原理的优化结果是使温差最小，因此更适用于以加热物体为目的的传热过程的优化；（3）将火积耗散热阻概念应用于多种传热方式耦合的传热过程中，定义了耦合传热过程的总火积耗散和总热阻，通过数值模拟验证了火积耗散热阻最小原理的适用性；（4）通过对赝配高电子迁移率晶体管（PHEMT）传统热阻和火积耗散热阻的分析比较，指出传统热阻概念在工程实际应用中的局限性，与之相比，火积耗散热阻的大小更能反映器件的传热性能；（5）将基于火积理论建立的温度-热流量图（简称T-Q图）分析方法推广至化工领域，通过T-Q图可形象而定量地分析比较无相变和有相变的简单化工过程（无热回收）、传统热回收化工过程以及自热回收化工过程的不可逆性，揭示自热回收技术能够显著节能的物理本质，为进一步改进和优化化工过程提供了简便而有效的途径；（6）基于火积传递效率概念，确定了n级联内可逆卡诺热机在总输出功率最大时的各中间温度，指出任一级换热过程的温度并不是唯一的，而是浮动的，这使得研究人员可以根据需要灵活选择工质的种类和热机的相应运行压力；（7）搭建三平行平板辐射换热实验装置，验证了火积耗散热阻最小原理的适用性；（8）指出当借助可用能概念理解熵的宏观物理意义时，需区分系统与环境的可逆热相互作用和功相互作用，熵是系统与环境在热相互作用中不可用性的量度，与可逆功相互作用无关。本项目可以丰富火积分析和熵分析理论，建立传热过程优化的理论和方法，为提高能源利用率提供具有工程指导意义的优化准则。