火积理论综述_中国暖通空调网 - 技术交流
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综合·论文

火积理论综述
2016-09-12 | 中国暖通空调网 |【

北京工业大学   王薇  薛汇宇  王云默  潘嵩

  要: 耗散极值原理的提出,为传热优化开辟了新的方向。本文回顾了火积理论的产生与发展过程,从火积的物理意义、导热、对流换热、辐射换热等方面介绍了火积理论的研究进展。重点围绕火积理论在传热效果的表述、火积理论与“体点”导热优化、火积耗散极值原理与对流构形优化相结合、传热器等方面,阐述了火积理论和火积耗散极值原理的科学性及实用性。并且展望了火积和火积耗散极值原理在今后建筑环境与能源应用工程专业的进一步研究与发展。

关键词:火积理论, 火积耗散极值原理,熵产生率, 火积耗散率

1 绪论

20 世纪70 年代石油危机的直接影响下,强化传热受到世界各国科技界的普遍关注,并迅速发展成为热科学与技术领域一个非常重要的学科分支。随着可持续发展,低碳技术和低碳经济等社会发展理念的进步,强化传热的概念已发展成为包含更广阔范畴的传热优化的概念[1]。熵是热力学中除能量以外的另一个核心概念,它不仅是过程不可逆性的度量、系统的热平衡判据,还可以表征系统的无序度。熵的推广虽然在很多领域取得了一定的成果,但也引起了一些适用性的质疑。比如在热设备节能优化方面,熵产最小与性能最好并不完全对应。因此,针对现有传热学理论中存在的不足,过增元等人[2]基于热量传递现象的本质,从传热学的角度定义了热量传递势容和热量传递势容耗散函数,并且说明了热量传递势容是一个描述物体所具有的热量传递的总能力的新的物理量,并将其命名为

2 火积理论

是传热学中的一个物理量,它具有势能的意义,表征物体传递热量的能力,在热质理论中,是热量在温度场中具有的势,代表热质的势能。一个物体具有的G=1/2UT,其中U 是系统的热力学能[3]反映了物体传递能量的能力并具有能量的含义,它与电容器当中的电能(电容与电势乘积之半)相对应。在导热过程当中,热量是守恒的,但是因为耗散而不守恒,对于不涉及热功转换的热量传递过程,其不可逆性的度量是的耗散而不是熵产。传热的耗散可类似于流体在流动过程当中的机械能的耗散[1]。通过研究发现,传热的耗散取极值的时候,传热效率达到最大,传热过程也是最优的状态。这种现象被概括为耗散极值原理[4,5],即:“对于具有一定约束条件并给定热流边界条件,当耗散最小的时候,导热过程最优(温差最小);给定温度边界条件的时候,当耗散最大时,导热过程最优(热流最大)”。

这一原理的提出为实际换热过程和设备的性能评定提供了科学依据。同时,火积和火积耗散概念反映了传热的本质属性,也是热力学第二定律的新发展。

3 国内研究现状及火积理论在建筑环境与能源应用工程专业的应用

3.1 火积的物理意义及应用火积耗散率表示传热效果

朱宏晔等人[6]建立了电热模拟装置,验证了导热优化的耗散极值原理,试验表明使导热性能最优的高导热材料分布与数值模拟结果相一致。韩光泽等人[7]将导热系统与弹性力学系统以及带电系统类比,发现这三种不同类型的系统在输运方面具有一致的行为特征。韩光泽和过增元[8]提出了热力功的概念描述传递过程中的势容,认为势容耗散的机理是传热物体的温度所做的热力功多余吸热物体的温度所做的热力功。

根据一些专家学者的研究,用熵产率和耗散率表述的传热效果是一致的,并且,耗散率可以以线性反映温差的变化,因此在描述传热的效果上要优于熵产。如图1,2 所示:(其中TL1,TL2,TL3为低温热源,熵产,为火积耗散率,为不可逆传递热流)


 

3.2 导热及“体点”导热优化

过增元等人[1]分别针对导线绝缘层的散热问题和体积问题,应用最小热量传递势容耗散原理即耗散率最小进行优化,结果显示温度梯度愈均匀,热量传递势容耗散小,热量传递效率愈高。陈群等人[9]基于耗散研究了多孔介质导热的不可逆性与热导率的关系,优化了多孔介质的导热过程,结果显示热导率不仅影响多孔介质的传热能力而且也影响导热的不可逆性。

“体-点”导热问题,即如何在特定几何空间(“体”)内布置一定的高导热材料,将其内发热量高效的传到器件表面的某一指定位置(“点”)。假定用于填充的高导热材料体积一定,首先对单元进行优化,得到其最优外形(长宽比);然后将若干个经过优化的单元进行组合,得到第一机构形体,再对第一机构形体的外形或矩形单元数目及高导热材料的分布进行优化,使第一级构形体的耗散率达到最小;将这一类似的工作持续下去,经过若干次组合和优化,直至更高级的构形体能覆盖住所给的控制体积。其构形优化过程如图所示:

“体点”导热的构形优化过程
3 “体点”导热的构形优化过程

3.3 对流换热及基于火积耗散率和流阻最小的冷却流道优化

魏琪[10]从数学上确定了具有体热源的湍流对流中时均耗散的上界和下界,该上界和下界反映了体热源对湍流对流中耗散的影响。程林和许明田[11]根据耗散、热力学和流体力学导出了一般对流传热的局部耗散率的公式。陈群等人[12,13]利用耗散极值原理针对两种边界条件下的对流换热问题进行了分析,指出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耗散极值原理。同时科学家发现,将耗散极值原理与对流换热流道的构形优化结合起来,可以导出总流阻最小时的最优构形。

3.4 辐射换热

辐射换热是除导热和对流换热方式外,热量传递的另一种重要方式。吴晶等人[14,15]在辐射换热中引入耗散的概念,提出了辐射换热优化的耗散极值原理,并对平行平板辐射换热进行了优化。程雪涛等人[16-19]完成了空间辐射器的等温化设计,导出了封闭辐射传热系统的辐射损失极小值原理、辐射耗散极值原理和最小辐射热阻原理,并讨论了辐射耗散与空间辐射器温度场均匀化的关系。

3.5 火积理论在传热中的综合应用

过增元等的研究表明,以加热或冷却为目的的热量传递过程的不可逆性是由耗散、而不是由熵产来度量的。因此,在不涉及热功转换的换热器中耗散具有重要的研究意义。至今,宋伟明等人[20]利用耗散极值原理对两股流和三股流一维换热器的传热过程进行了优化,结果表明不管是给定换热量寻求耗散最小,还是给定耗散寻求换热量最大,均应使冷热流体的温差场完全均匀,证明了温差场均匀性原理的正确性。程雪涛等人[21]建立了温差场均匀性因子和基于耗散的热阻之间的关系,发现温差场均匀性因子越大对应于热阻越小,进而对应于换热器有效度越大,直接证明了该原则的正确性。柳雄斌等人[22]提出了基于耗散的换热器的当量热阻和换热器热阻因子的定义,建立了基于这一热阻的换热器的分析方法,讨论了传热单元数和热容量流比对换热器热阻的影响。

4 结论

理论为传热优化提供了不同于熵产生最小化的新的理论基础。耗散极值原理的提出,为传热系统的优化提供了新的目标,该目标可以作为系统整体传热能力的特性描述;基于耗散率极值的构形优化可以较大程度的降低平均传热温差。此外,由于传热结构的局部传热性能和整体传热性能并不一定能够同时达到最优,为满足工程实际需要,在传热结构的优化中,仍需进一步考虑兼顾局部传热性能和整体传热性能的优化;对于实际工程传热结构,可考虑加入传热的安全性约束进行优化。可以预期,随着科学研究工作的进一步深入,理论的应用范围会越来越广,其科学性会越来越显现,对热科学领域的影响会越来越巨大和深远。

参考文献

[1] 李志信,过增元.对流传热优化的场协同理论[M].北京:科学出版社,2010

[2] 过增元,夏再忠. 最小热量传递势容耗散函数原理及其在导热优化中的应用[J]. 科学通报,2003161288-1296

[3] Guo Z Y,Zhu H Y,Liang X G.Entransy-A physical quantity describing heat transfer ability[J]. Int J Heat Mass Transfer,2007,50:2345-2556

[4] 过增元,梁新刚,朱宏晔. 火积——描述物体传递热量能力的物理量[J].自然科学进展,2006,16:1288-1296

[5] Guo Z,Zhu H,Liang X.Entransy-A physical quantity describing heat transfer ability[J].Int J Heat Mass Transfer,2007,50:2545-2556

[6] 朱宏晔,陈泽敬,过增元.火积耗散极值原理的电热模拟实验研究[J]. 自然科学进展,2007171692-1698

[7] 韩光泽,朱宏晔,程新广,等. 导热与弹性系统及导电的相似性[N]. 工程热物理学报,2005261022-1024

[8] 韩光泽,过增元. 导热能力损耗的机理及其数学表述[N].中国电机工程学报,20072798-102

[9] Chen Q,Wang M,Pan N,et al.Irreversibility of heat conduction in complex multiphase systems and its application to the effective thermal conductivity of porous media[J].Int J Nonlinear Sci Number Simul,2009,10:57-66

[10] 魏琪.具体热源湍流对流中热量传递势容耗散的界[N].工程热物理学报,2008291354-1356

[11] 程林,许明田.对流传热中的火积耗散理论[D].中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文集.2008

[12] 陈群,吴晶。任建勋.对流换热过程的热力学优化与传热优化[N].工程热物理学报,2008,29:271-274

[13] Chen Q,Wang M,Pan N,et al.optimization principles for convective heat transfer[J].Energy,2009,34:1199-1206

[14] 吴晶.热学中的势能火积及其应用[D].博士学士论文.北京:清华大学,2009

[15] 吴晶,梁新刚.火积耗散极值原理在辐射换热优化中的应用[J].中国科学E 辑:技术科学,2009,39:272-277

[16] 程雪涛,徐向华, 梁新刚. 空间辐射器的等温化设计[N]. 工程热物理学报,2010,31:1031-1033

[17] Cheng X,Liang X.Entransy flux of thermal radiation and its application to enclosures with opaque surfaces.Int[J] J Heat Mass Transfer,2011,54:269-278

[18] 程雪涛,徐向华,梁新刚.非等温,非灰体不透明漫射固体表面组成的封闭空腔中的辐射火积平衡方程及其应用[J].中国科学:技术科学,2011,41:1359-1368

[19] 程雪涛,梁新刚.辐射火积耗散与空间辐射器温度场均匀化的关系[N].工程热物理学报,2012,33:311-314

[20] 宋伟明,孟继安,梁新刚,等. 一维换热器中温度场均匀性原则的证明[N]. 化工学报,2008592460-2464

[21] Cheng X,Zhang Q,Liang X.Analyses of entaransy dissipation,entropy generation and entransy-dissipation-based thermal resistance on heat exchanger optimization[J].Appl Therm Eng,2012,38:31-39

[22] 柳雄斌,过增元,孟继安.换热器中的火积耗散与热阻分析[J]. 自然科学进展,2008181186-1190

备注:本文收录于2014年第十九届全国暖通空调制冷学术年会论文集

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