中国工程热物理学会会传热与传质分会议论文火积损失的构成及其应用分析.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：123406 火积损失的构成及其应用分析 孙晨，程雪涛，梁新刚 （清华大学航天航空学院，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京，100084） (Tel：010804，Email：c-sun08@mails.tsinghua.edu.cn) 摘要：火积损失即为热力学过程中火积的减少量，由火积耗散和功火积两部分组成。对于传热过程，火积损失仅包括火积耗散，为火积损失的不可逆部分，反映了热力学第二定律。对于卡诺循环，火积损失仅包括功火积，具有可逆特性，反映了热力学第一定律。对于包括传热过程和热功转换过程的系统，火积损失等于火积耗散与功火积之和。火积损失可应用于包含热功转换的过程以优化系统输出功，算例表明在一定条件下输出功和火积损失相对应。 关键词：火积损失，火积耗散，功火积，优化 0 前言 常见的热学过程主要有两类，传热和热功转换。近年来，学者们对这两类过程的优化方法开展了广泛的研究。近些年一个比较新的概念是过增元等[1]基于热电比拟提出的可用以描述物体传热能力的新物理量——火积。对于内能为U、温度为T的物体，其火积定义为 (1) 在传热过程中必然伴随着火积的耗散。Guo等[1]发展了火积耗散极值原理，即在给定边界热流时，传热最优（传热温差最小）对应于火积耗散最小；而给定传热温差时；传热最优（传热量最大）对应于火积耗散最大。研究表明，火积理论可用于优化热传导、热对流、热辐射以及换热器等[1~4]。 对于热功转换过程，研究人员也对火积理论的适用性进行了一些探索。柳雄斌[5]在研究不可逆布雷顿循环的优化时发现，火积耗散极值并不对应最大输出功。陈群等[6]指出对于热力学循环的目标是对外输出功时，火积耗散的概念并不适用。程雪涛[7,8]根据热力学过程的火积平衡方程导出了“火积损失”的概念，并通过一些算例表明，火积损失可用于优化热功转换过程：在给定系统吸热量和吸热放热的当量温度下，最大火积损失对应系统的最大输出功，即最大火积损失原理。此外，程雪涛[9]还定义了焓火积，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。 “火积损失”的提出，把火积的概念的应用范围拓展到含有热功转换的过程中去。由于实际的热力学过程均具有不可逆性，那么过程的火积损失也应具有其不可逆的特性。本文在阐述火积损失概念的同时，通过对热力学过程的分析说明火积损失各组成部分的物理意义，分析其可逆性和不可逆性，指出其与热力学第一定律和第二定律的关系，并通过算例说明火积损失概念的应用。 1火积损失 图1 简单热力学系统 对于一个如图1所示的热力学系统，取工质内任意一个微元，其中可能进行着传热过程或者热功转换过程。在传热过程中，必然伴随着火积耗散的产生，故进入微元的净火积流必然大于微元内火积的变化，即 (2) 其中δGdis为微元的火积耗散率，dGf为进入微元的净火积流，dG为微元的火积变化率。 在热功转换过程中，根据热力学第一定律，有 (3) 其中δQ为微元的吸热速率，dU为内能变化率，δW是对外输出功率。在式(3)两端同时乘以微元的温度T，得到 (4) 定义火积的微分表达式为 (5) 可得 (6) 其中δGW定义为“功火积”的微分形式，它表示了由于对外输出功而导致火积的减小。同样，由于这部分火积用于微元输出功，热功转换过程中进入微元的净火积流大于微元内火积的变化率。综合式(2)和式(6)，传热过程中耗散掉的火积和热功转换过程中用于输出功的火积都可以看作微元的火积损失。因此，可列出微元的火积平衡方程如下 (7) 其中δGloss即为火积损失率。显而易见，火积损失的实际物理意义即为热力学过程中火积减少的部分。对于稳态系统，火积损失也就等于流入系统的净火积流，即流入系统的火积与流出系统的火积之差。对于任意一个同时考虑传热过程和热功转换过程，则有 (8) 即火积损失等于火积耗散和功火积之和。 2 火积损失的组成及其分析 2.1 火积耗散与功火积 根据上节的微分式(8)可知，热力学过程的火积损失包含两个组成部分，即火积耗散和功火积。我们知道，当热量从高温物体传向低温物体时，必然伴随着火积耗散的产生。因此，由于热源与工质间存在着传热温差，从热源流出的净火积流，必然有一部分被耗散掉，而另一部分则流入工质，并用于输出功。因此火积损失应等于火积耗散加上功火积。具体推导过程可参考文献[7]。接下来以几个