工程熱物理論文
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工程熱物理論文范文第1篇
摘要：工程熱物理冰箱制冷劑理論循環分析CF3ICF3I/HC290
1引言
冰箱制冷劑CFC12的現有替代物主要有HFC134a、HC600a和HFC152a/HCFC22,它們分別在加工工藝、可燃性、環保和熱工性能方面存在缺陷[1,2,尋求新型環保節能的冰箱工質仍是人們探究的方向。
三氟碘甲烷(CF3I)是作為哈龍替代物而開發的新型滅火劑,其臭氧層破壞勢(ODP)為0,20年的全球變暖勢(GWP)低于5,不燃,油溶性和材料相容性很好[3,飽和蒸汽壓曲線和CFC12相近,具備了作為冰箱制冷劑的前提條件(至于毒性目前還沒有定論[3,4)。有關CF3I的熱物性,只有文獻[3進行了較為系統的探究,目前還缺乏適用于汽液兩相區的狀態方程;CF3I在冰箱工況下的循環性能,還沒有被系統地分析。根據文獻[3的PVT實驗數據,確定同時適用于CF3I汽液兩相的PT方程;并在此基礎上,對CF3I在冰箱工況下的循環性能進行系統地理論分析,旨在考察其作為冰箱制冷劑的可能性。
2理論循環分析的工具
2.1PT狀態方程兩參數F、ζc的求解
式中,R為工質的通用氣體常數,Tr=T/Tc。確定PT狀態方程需要具體物質的四個參數摘要:臨界壓力Pc、臨界溫度Tc、虛擬壓縮因子ζc、斜率F。對于CF3I,文獻[3給出其Pc=3.953MPa,Tc=396.44K[3。ζc、F的求解方法如下摘要:(1)選取n個飽和液相數據點(T、P、ρL)i(i=1,…,n;(2)假設一個ζc初值;(3)由式(6)、(7)、(8)求出Ωa、Ωb、Ωc,代入式(4)、(5)求得b、c;
(4)由汽液平衡條件fL=fV,輸入某數據點i的(T、P)i,由式(1)、(2)求出αi;(5)由n個數據點的(Ti,αi)用最小二乘法擬合式(3),求出F;(6)由ζc和已求出的Ωa,Ωb,Ωc,F,根據方程(1)～(2)和汽液平衡條件計算各點的和的相對誤差，以及個數據點的平均相對誤差；
(7)以一定的步長改變ζc,重復步驟(3)-(6)。選取最小EYL所對應的ζc、F作為PT方程的參數。
文獻[3給出了CF3I在301K-Tc范圍內的25個飽和液相密度點,其中3個數據點是為了確定臨界點而測的;把這3個數據點當作一個臨界點對待,選取其余22個數據點按照上面的步驟求解得到CF3I的F=0.6514、ζc=0.3105。
2.2PT狀態方程精度的驗證
為了檢驗如上確定的適用于CF3I的PT方程的計算精度,以該方程對CF3I的飽和液密度、飽和蒸汽壓、氣相區PVT性質進行了計算,并和文獻[3的實驗數據進行了對比。對比實驗數據為T%26lt;0.9Tc(即T%26lt;356.80K)范圍內的13個飽和液相點、22個飽和蒸汽壓點和T%26lt;Tc內77組氣相區數據。結果表明,飽和液密度、飽和蒸汽壓、氣相區密度的最大相對誤差分別為2.94%、0.42%、5.87%,平均相對誤差分別為1.54%、0.25%、2.17%。相對誤差、平均相對誤差計算式分別為
（9）
（10）
式中,X-所要比較的物理量,cal-PT方程的計算值,exp-實驗值,n-數據點的個數。
冰箱的名義工況為蒸發溫度tevap=-23.3℃,冷凝溫度tcon=54.4℃,吸氣溫度、過冷溫度32.2℃[6,處于上述溫度區間。可見,確定的適用于CF3I的PT方程,能夠用于對CF3I的冰箱循環性能分析計算,而且精度良好。
3CF3I蒸汽壓曲線的分析
從熱力學角度看,替代制冷劑最好具有和原制冷劑相似的蒸汽壓曲線[7。圖1為幾種工質的蒸汽壓對比,其中CF3I的蒸汽壓方程為[3
（11）
式中,
A1=-7.204825,A2=1.393833,A3=-1.568372,A4=-5.776895,適用范圍243K～Tc;其它制冷劑的蒸汽壓數據來自ASHARE[8。
由圖1可見,在冰箱名義工況的溫度區間內,HFC152a/HCFC22、HFC134a的蒸汽壓曲線和CFC12吻合得很好;HC290的蒸汽壓高于CFC12,HC600a的蒸汽壓則比CFC12低許多。CF3I的蒸汽壓介于HC600a和CFC12之間,在冰箱名義工況下和CFC12的最大差距為20%左右。由蒸汽壓看,CF3I比HC600a更適合作為CFC12的灌注式替代物;按照優勢互補原則選擇HC290和CF3I組成混合物,灌注式替代CFC12的效果可能會更好。
4CF3I作為冰箱制冷劑的循環性能分析
4.1冰箱名義工況
采用帶回熱的冰箱制冷循環模型,即用回熱器來實現工質的過冷和過熱,并設工質經過回熱器換熱后節流前的溫度和壓縮機的吸氣溫度相等,這一溫度稱為回熱溫度。
計算CF3I的循環性能所需的理想氣體比熱式[3為摘要:
（8）
式中T的單位為K,R為CF3I的氣體常數,單位為J/(K·kg)。計算焓、熵的參考態為ASHRAE規定的-40℃的飽和液態,參考態上h=0kJ/kg,s=0kJ/(kg·K)。
在冰箱名義工況下,設壓縮機的總效率為0.70,計算了幾種工質的循環性能。混合工質的蒸發溫度取為蒸發器進口和露點溫度的平均值,冷凝溫度取其冷凝壓力下的泡露點平均值。計算結果見表1。表中MIX1、MIX2分別表示質量百分比85/15、75/25的HFC152a/HCFC22。
觀察表1中各種工質的性能參數,在壓力水平方面,除了HC600a、HC290外,現有的幾種冰箱制冷劑的蒸發壓力Pevap、冷凝壓力Pcond和CFC12都很接近。CF3I的壓力水平和CFC12有一定偏差,其Pevap略低于大氣壓,蒸發器為微負壓,不利于系統運行。CF3I的壓比和CFC12的最接近。壓縮機排氣溫度方面,HC600a和HC290的tdisch較低。CF3I的tdisch較高,不利于壓縮機的運行;但和MIX1、MIX2十分接近,表明目前的冰箱壓縮機能夠承受這樣的溫度。CF3I的單位容積制冷量qv比CFC12小20%左右,也比HFC134a、MIX1和MIX2小,HC290比CFC12高40%左右。CF3I的COP是最高的,比CFC12高3.4%,這是CF3I的優勢,而HC290是最低的。通過以上的比較可以看出摘要:(1)CF3I的循環性能指標和CFC12相近,可以在對原有制冷系統稍作改動的基礎上,作為CFC12的灌注式替代物;(2)HC290和CF3I在循環性能指標上具有互補性,若將兩者組成混合物,在性能上可能更接近CFC12。
4.2變工況
變工況循環性能分析,一般包括COP、qv、tdisch、隨冷凝溫度、蒸發溫度、回熱溫度的變化規律。相比之下,各性能指標隨回熱溫度的變化規律比隨蒸發溫度、冷凝溫度的變化規律更重要一些,這是因為冰箱的回熱器一般在環境中[1,回熱溫度的變化幅度、頻率要比蒸發溫度、冷凝溫度要大、要快。分析幾種制冷劑循環性能指標隨回熱溫度的變化規律,分析方法是固定蒸發溫度、冷凝溫度,變化回熱溫度,看性能指標的變化趨向。
結果如圖2-圖5所示。回熱溫度由0℃變化到50℃,幾種工質的COP都降低,其中CF3I降低得最慢。在qv方面,HC290隨回熱溫度的變化顯著,其他工質的變化規律相似。隨著回熱溫度的升高,CF3I的tdisch增加速度比其它工質快,這是不利于冰箱運行的。由于在計算中固定了蒸發溫度、冷凝溫度,所以對于純質來說保持不變,而對于混合工質來說,有稍微地上升。由圖還可以發現,CF3I和HC290的循環性能指標分布在CFC12的兩側。
CF3I各項性能指標隨回熱溫度的變化所表現的規律和CFC12基本類似,數值幅度上的偏差也不太大。COP優于CFC12,tdisch較CFC12為高。總起來說,CF3I存在作為CFC12灌注式替代物的潛力。
5CF3I/HC290混合物作為冰箱制冷劑的循環性能分析
5.1冰箱名義工況
由以上分析可知,CF3I和HC290的循環性能具有互補性,下面具體分析不同配比下HC290/CF3I混合物的循環性能。
計算工況、壓縮機總效率的選取同上。表2列出了循環性能計算結果。
由表1已經知道CF3I的Pevap、Pcond、q0、qv都比HC290的小,所以隨著HC290在混合物中所占比例的增加,HC290/CF3I混合物的Pevap、Pcond、q0、qv都應該呈現增大的趨向,而∑、tdisch、COP應該減小,這種規律在表2中得到了很好的體現。
對比表2和表1,可以看到CF3I/HC290混合物在65/35、60/40、55/45、50/50四種摩爾百分配比下各個性能指標和CFC12吻合得很好。
5.2變工況
對上面所給4種配比下的CF3I/HC290混合物進行了循環性能參數隨回熱溫度變化規律的計算。結果表明,混合物的循環性能和CFC12十分接近,從理論循環分析的角度看,是CFC12理想的灌注式替代物。
圖2-圖5中列出了摩爾百分比為65/35(質量百分比為89.2/10.8)的CF3I/HC290的計算結果,其它3種配比下CF3I/HC290混合物的性能也和之相近。
5.3可燃性分析
以上4種配比的CF3I/HC290混合物中,HC290的摩爾比例最大為50%,其相應的質量比例最大為18.4%。一般家用冰箱的制冷劑的充灌量為0.1kg左右[6,9,以本文提出的4種CF3I/HC290混合物作為冰箱制冷劑,HC290的最大充灌量僅為0.0184kg。文獻[10指出,在密封性好的制冷系統中,只要碳氫化合物的充灌量小于0.15kg,那么系統就是平安的。因此,CF3I的摩爾組成在50%～65%范圍的CF3I/HC290混合工質在應用中的平安性是可以得到保證的。
6結論
(1)求得了適用于CF3I的PT方程,此狀態方程對于CF3I的熱力學性質和循環性能計算具有較高的精度。
(2)通過對CF3I的蒸汽壓曲線、冰箱名義工況、變工況的計算分析,發現CF3I的循環性能和CFC12相近。
(3)按照優勢互補的原則,篩選提出了CF3I的摩爾組成在50%～65%范圍的CF3I/HC290混合工質,其循環性能和CFC12十分接近,可作為CFC12的灌注式替代物。
參考文獻
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81993ASHRAEHANDBOOKFUNDAMENTALS,SIEdition,1993
工程熱物理論文范文第2篇
關鍵詞：門窗玻璃；熱物性參數；實驗室測試；穩態法；非穩態熱帶法
門窗是影響建筑節能水平的重要組成部分之一，也是建筑圍護結構節能、保溫或隔熱中的關鍵環節，其傳熱性能對于改善建筑室內環境，控制能耗至關重要，從而對其傳熱性能檢測一直是研究熱點之一。總體上門窗玻璃傳熱性能檢測分節能現場檢測和實驗室測試兩種。其中實驗室檢測作為玻璃質量監督監測的主要手段，我國1997年就制定了JC/T675-1997《玻璃導熱系數試驗方法》國家標準[1]。目前玻璃傳熱性能實驗室測試主要有穩態法和非穩態法。如金太權基于單向穩態熱流法測石英玻璃導熱系數[2]，并建立了實驗測試系統；劉海增以紅外燈為加熱熱源，基于傅立葉導熱定律和牛頓冷卻定律，測玻璃鋼板導熱系數[3]；周菁華則基于穩態法原理對節能玻璃導熱系數的測試方法進行了研究[4]。近年來，隨著各種新型玻璃的出現，比熱容逐漸成為玻璃的重要性能指標之一，針對此非穩態平面熱源法在玻璃熱物性測試中得到了應用，其優點是測試時間短，對實驗環境要求不高。本文對已有玻璃熱物性實驗室測試方法進行分析，并提出了改進思路。
1. 穩態法測試原理
穩態法分穩態護板法和穩態圓筒法等，針對玻璃的物理特征及應用特點此處特指穩態護板法（如圖1所示）。穩態法原理上基于傅立葉定律，僅能獲取材料導熱系數。
圖1 防護熱板法原理圖
由圖1所示，主熱板放置于兩塊被測試樣中間，為了盡量保證主熱板熱流垂直穿過試樣，其兩側分別設置一塊與主熱板保持相同溫度的護熱板，通常為了保證效果，護熱板內往往設置與主熱板加熱絲相同功率的熱絲。冷板是為了使試樣端面維持均勻恒定的溫度，可通過恒溫水浴實現。理想情況下，主熱板熱量均勻恒定的向兩側試樣流出，則被測試樣的導熱系數可用下式獲得：
d = （1）
式中：Q為主加熱板釋放的熱量，J；A為主加熱板加熱面積，m2；T1=T2-T1，和T2= T3-T4分別是主加熱板與上冷板與下冷板間的溫差。
由測試原理可以看出，穩態法測試時間較長，且對實驗環境有較高要求，但其原理簡單，JC/T675-1997《玻璃導熱系數試驗方法》國家標準即基于穩態法測試原理。
2. 非穩態法測試原理
針對穩態法測試時間長，對實驗環境要求高的缺點，近年來非穩態法在材料熱物性測試中得到了廣泛應用看，其中適用于玻璃熱物性測試的有非穩態平面熱源法、非穩態熱帶法、非穩態熱線法等。
2.1 非穩態平面熱源法
與傳統的穩態法原理上只能測玻璃導熱系數相比，可實現導熱系數、熱擴散率的同時測定，其原理結構如圖2所示。
圖2 物理模型
設平面熱源熱流只在豎直方向（x方向）上傳遞，且其熱流強度Q恒定，則試樣內的溫度變化分別可歸結為如下定解問題[5]：
（2）
式中：j為試樣密度，Cp為定壓比熱容，d為導熱系數，而熱擴散率Z=d/（jCp）。
在上述定解問題的基礎上衍生了快速測量法（恒流法）和脈沖法，其中快速測量法適用于導熱系數較大的材料熱物性測量，而脈沖法適用于導熱性能差的絕熱保溫材料等[5]。根據門窗玻璃的熱物性參數參考范圍，應適用于脈沖法。對式（2）作拉氏變換進行求解，可得：x=0處，如有強度為q的熱源從零時刻開始加熱，加熱時間t后，試樣任意位置x處的溫升為：
= B（y） （3）
2.2 非穩態熱線法
設在固體介質中放置一根細長線狀熱源，其熱能僅能在熱線徑向傳遞，將構成一個無限長圓柱導熱模型。當熱線以恒定熱流持續加熱時，如已知熱線上通過的電流 及其電阻 ，其單位長度發熱量 ，W/m。
在加熱功率恒定的情況下，熱線上的溫升 值隨時間 的變化曲線呈近似線性[6]，直線的斜率為k=q/（4id） ，據此可以得到被測試樣的導熱系數 d
式（4）即交叉熱線法測導熱系數的理論公式。
利用熱線上的溫升數據結合交叉熱線法測得松散煤體導熱系數 ，同時測得距熱線r距離處的溫升得到
式中
B（y）=-2y dy1 （4）
y2= （5）
加熱片發熱強度可用下式計算：
q=（I2R-m0Cp0） （6）
從熱源加熱開始計時，至t1時刻斷電停止，熱量仍繼續向冷面傳播，同時熱面溫度下降，至時刻t2，導熱系數 可用下式計算：
= （7）
式（10）中包含有無窮級數，參照文獻[1]提供的煤樣熱物性數據，經實驗，該級數取前5項即可滿足精度要求，即有
（y） = （ （r， _-2 ）/q =- -lnp- （11）
式（11）為超越方程，傳統方法是無法求解的，只能通過如對分法等近似數值解法編程求解，從而對于某一特定時刻 可求得對應的熱擴散率a 值，對應若干個時刻將計算得一組 a值，取加權平均作為最終熱擴散率的測試值。這里需要注意的是，為了防止煤樣受到熱震損傷，實驗過程中試樣各處的溫升最好不要超過10℃/min。
求得熱擴散a 后，試樣的比熱容Cp根據下式算得：
Cp= /（ a） （12）
2.3 非穩態熱帶法
熱帶法原理與熱線法類似，區別在于熱帶法用窄薄的金屬帶（熱帶）代替熱線。測試時待測材料中夾持薄金屬帶，從某時刻起金屬帶被以定功率加熱，同時記錄熱帶的溫度響應，并繪制曲線，根據被測材料熱物理參數與溫度變化間關系的理論公式，可測得其導熱系數和熱擴散率。熱帶的溫度變化可以通過測量熱帶電阻的變化來獲得，也可以通過在熱帶表面上焊接熱電偶來直接測量。
最常用的熱帶材質是純鉑，其它已知電阻溫度系數的性能穩定的金屬也可以，熱帶典型的長度為100mm-200mm，寬度為3mm-5mm，厚度為10um或更小。
熱帶法溫度響應的理論公式或模型如下
T（t）={ erf（ -1）-[1-exp（- -2）]-Ei（- -2）} （13）
式中： = ， wh--熱帶寬度；erf（z）--誤差函數；q--熱帶每單位長度的加熱熱流。
當加熱一定時間，即 >>wh 時，可得簡化公式
T（t）= [lnt+ln ] （14）
對于熱電阻式的熱帶法，溫度響應是通過測量熱帶上的電壓變化來獲得
U（t）= [lnt+ln ] （15）
如果畫出溫升 T（t）或電壓U（t） 隨對數時間的變化曲線，曲線呈線性變化趨勢，直線的斜率為m= ，截距為n=mln ，根此可以得到被測試樣的熱導率 和熱擴散率
= a=exp（） （16）
由式可見，熱擴散率的測量精度比熱線法要好，因為wh 的數值（1mm-10mm）比熱線的半徑大的多，可保證熱擴散率值達到滿意的精度。
3. 存在的問題
綜前所述，門窗玻璃作為典型固體材料，適用的測試方法較多，穩態法及非穩態法均在玻璃熱物性測試中得到了應用。目前針對玻璃熱物性測試的主要有穩態法和非穩態平面熱源法，實際使用過程中均存在一定的優缺點。
3.1 穩態法
穩態法具有原理簡單、易于實現等優點，在固體材料熱物性測試得到了廣泛應用，玻璃導熱系數測試國家標準就是基于此撰寫的。但穩態法測試時間長且對實驗環境要求較高，例如要求保證試件側向絕熱條件，否則將直接影響測試精度。如圖3所示為試件側向絕熱與不絕熱條件下的溫度場變化情況。由圖可以看出，側向絕熱條件對玻璃內的溫度變化影響是明星的，如圖（a）和（b）所示，分別為側向不絕熱和絕熱情況下，底部用50w/m的平面熱源加熱時玻璃內的穩態溫度場分布，可以看出區別明顯。側向不絕熱時，玻璃側向存在熱傳遞過程，溫度場受側向熱流影響明顯。而側向絕熱時，面熱源加熱熱流只在垂直方向傳遞，溫度場均勻。由此可見，基于穩態法原理測玻璃導熱系數時，側向絕熱條件直接影響測試精度。
（a） 側向不絕熱時玻璃內的溫度場分布
（b） 側向絕熱時玻璃內的溫度場分布
圖3 側向絕熱條件對玻璃內溫度場分布影響情況
除了對實驗條件要求較高外，原理上穩態法也僅能測玻璃導熱系數，可測參數單一，從而一定程度上限值了其推廣。
3.2 非穩態平面熱源法
針對穩態法存在的問題，近年來非穩態平面熱源法在玻璃熱物性測試中得到應用，如圖4所示為某公司基于脈沖法和恒流法原理設計生產的熱物性測試儀，適用于玻璃等固體材料，測試時間短且效率高。
圖4 非穩態平面熱源法熱物性測試系統
平面熱源法原理公式假設設面熱源與被測試樣間接觸良好，也即不存在接觸熱阻，而實際上熱源與被測試樣間是存在接觸熱阻的，且對面熱源及試件內的溫度場變化影響明顯。如圖5所示為面熱源加熱條件下，考慮接觸熱阻與不考慮接觸熱阻時，面熱源與試件內（導熱系數 為0.7695）的溫度變化情況。面熱源加熱功率50w/m，參照有關資料接觸熱阻設定為0.01k*m2/W，初始溫度293K。
（a） 考慮接觸熱阻影響玻璃及熱源溫度場
（b） 不考慮接觸熱阻影響玻璃及熱源溫度場
圖5 側向絕熱條件對玻璃內溫度場分布影響情況
如圖6所示為面熱源溫升對比曲線圖。
圖6 面熱源溫升對比曲線圖
由圖5可以看出，接觸熱阻對面熱源溫升及玻璃內溫度場影響明顯，同樣加熱條件下，熱源溫升相差近10℃，從而對熱物性參數測試精度的影響是不可忽視的。
4. 發展趨勢
隨著計算機技術的不斷發展，物理參數自動測試、處理進而得到被測材料的熱物性參數已成為現實，材料熱物性測試精度更多取決于原理模型、實驗條件、基本參數測試精度。針對門窗玻璃熱物性測試需求，穩態法在原理上僅能獲取導熱系數，已無法適應現代門窗玻璃質量監督檢驗要求，能夠同時測玻璃導熱系數、熱擴散率的非穩態法將成為發展趨勢。而隨著建筑節能技術的發展，對門窗玻璃的熱物性測試精度必然提出更高的要求。完善原理模型、提高參數測試精度和尋求新的測試技術將是進一步提高玻璃熱物性參數測算精度的可行手段：
1）研究試件與加熱熱源間的接觸熱阻問題。如前所述，試件與熱源間客觀存在接觸熱阻，無論是熱線法、平面熱源法，接觸熱阻的存在均會對熱物性參數測試精度帶來影響。對試件與熱源間的接觸熱阻問題進行研究，并在測試原理模型中有效表征是提高熱物性參數測試精度的有效途徑。
2）尋求更適合的測試方法。如前所述，目前應用于玻璃熱物性測試的穩態法與非穩態平面熱源法，受原理模型及熱源溫度均勻度影響，測試精度不高。熱線法由于受加熱絲直徑影響較大，同時測溫熱電偶布置不便，應用受到一定限制，解決極細熱絲與測溫傳感器連接問題，將可能應用于玻璃熱物性測試。近年來，熱帶法在材料熱物性測試中得到廣泛應用。熱帶法使用范圍廣泛，不僅可測液體、松散材料、多孔介質及非金屬固體材料，還可用于金屬熱物性測試。且與線狀（圓柱狀）熱源相比，薄帶狀熱源更易與被測材料保持良好的接觸狀態。而與平面熱源法相比，熱帶夾持在被測試件中間，受側向熱流的影響較小，實驗條件較易控制。故熱帶法更適于測固體材料導熱系數，同時熱擴散率的測量結果也較為準確。設計適用于玻璃熱物性測試的熱帶法裝置，將是可行的研究方向之一。
致謝：本文受安徽省教育廳自然科學基金項目（KJ2012B064）與安徽省質量監督局科技計劃項目資助。
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工程熱物理論文范文第3篇
關鍵詞：逆流換熱器熱力學優化溫差場均勻性因子火用效率熵產
1．引言
換熱器作為一種各工業領域廣泛使用的設備，它的研究倍受重視。目前關于換熱器的研究大致有兩個方向，一是研究換熱器傳熱強化，主要目的是提高換熱器流體和固壁間的對流換熱系數，進而提高換熱器的效能。二是從可用能的角度研究換熱器的熱力學優化，包括換熱器的熵產分析、火用效率分析等，從使換熱過程不可逆性最小的角度來優化換熱器。其中過增元提出的換熱器溫差場均勻性原則，一方面可以指導新的提高換熱器效能的方法，另一方面也可以對換熱器熱力學優化做分析。本文是從溫差場均勻性原則出發，將其應用于逆流換熱器的優化過程，并對各種優化方法進行分析比較。
2．換熱器溫差場均勻性原則
過增元在1992年《熱流體學》[1]一書中定義了溫差場不均勻因子，應用于順流、逆流和叉流換熱器，發現在相同的傳熱單元數NTU、熱容量比W和流體進口溫度的條件下，逆流換熱器溫差場最均勻，效能也最高，熵產也最小。進而在1996[2]年定義溫差場均勻性因子，提出了換熱器熱性能的溫差場均勻性原則：在NTU和W一定時，換熱器的溫差場越均勻，其效能越高。并采用數值方法對13種換熱器的溫差場和效能進行了分析，驗證此原則的正確性。通過熵產分析指出此原則是以熱力學第二定律為理論依據的。同時針對叉流換熱器，提出了分配換熱面積來改善換熱器性能的新方法。過先生又在2002[3]年給出了簡單順流、逆流、叉流換熱器溫差場均勻性因子的解析表達式，同時通過實驗的方法對此原則進行了驗證，針對多流程叉流換熱器，舉例說明用改變管路連接的方法來改變溫差場均勻因子，進而改變換熱器的效能。在2003[4]年提出基于溫差場均勻的場協同原則，同時將此原則應用于多股流換熱器中，提出換熱器傳熱性能的高低取決于冷熱流體溫度場的協同程度，而不是流動方式。
從上述溫差場均勻性原則的提出、驗證和發展歷程來看，這一理論已經比較成熟，也是從傳熱物理機制方面優化換熱器的新探索，可以利用它比較實際換熱器的換熱性能。很多換熱器大都是復合型流動方式的換熱器，基本上沒有解析表達式；尤其對于叉流換熱器，應用此原則，可以在NTU和W給定時，改變傳熱面積的分布或是管路連接方式，來改變換熱器的效能。溫差場均勻性原則前提條件是NTU和W值恒定。對于換熱方式（逆流）已定的換熱器，在W和NTU變化時，應該如何應用此原則是本文討論的主要內容。
3．溫差場均勻性原則在逆流換熱器熱力學優化中的應用
過先生[3]將溫差場均勻性原則用于指導叉流換熱器的優化，并對優化效果進行了分析驗證。溫差場均勻性原則，是從研究對流換熱的物理機制出發[5]，用于指導各種形式換熱器的優化。本文目的就是應用這一原則來指導逆流換熱器優化方法的選擇。
3.1逆流換熱器已有熱力學優化方法比較分析
以目標函數區分的優化方法大概有兩類：一是傳熱過程熵產分析，二是定義火用效率分析。
關于熵產，徐志明、楊善讓[6]等人定義熵產生數Ns：單位換熱量的熵產。以Ns最小為目標，通過泛函求極值求得換熱器溫度和熱流的最優分布，得到結論：使W略大于1實現最優參數分布。他們從溫度分布的角度來優化換熱器，提供了一種從換熱內部的細節研究問題的思路。能大曦[7]等人在分析換熱器的熵產時得到了類似的結論：在W為1時，換熱器的Ns最小。同時指出徐志明等人研究得到的W略大于1的結論，是因為他們定義的NTU與常規的定義不同。綜合分析前二者可以得到：當NTU一定W變化時，使W為1，換熱器性能最佳。對于逆流換熱器，W為1就意味著溫差場均勻，符合溫差場均勻的原則。當W不變NTU變化時，對于Ns的變化，能大曦[7]等人的研究得到：對于逆流換熱器，W不變，隨著NTU的變化，Ns單調減小。
關于火用效率分析，徐志明、楊善讓[8]等人，給出考慮阻力的火用效率取極大值的方法。通過定義火用效率：
分析火用效率隨NTU和W的變化，下圖是他們分析的結果。從上述結果看出：對于逆流換熱器，W不變，NTU較大時，隨著NTU的變化，η會越來越低，NTU不變，W變化時，η在W近似為1時取得最大。
比較熵產和火用效率兩種方法的結論可以得到，NTU不變，W變化時，二者結論基本一致。而對于W不變，NTU變化的情況，隨著W增大，Ns單調減小，而也降低了。兩種方法出現了矛盾。下面通過溫差場均勻性原則對兩種方法比較選擇。
3.2逆流換熱器熵產和溫差場均勻性分析
3.2.1逆流換熱器W變化時，看換熱器的效能、Ns、溫差不均勻因子變化規律。
分析中采用文獻中已有的表達式：
(a)換熱器的效能[8]：
(b)換熱器的熵產[7]：
(c)熵產生數[7]：
其中：。
的解析表達式見文獻[7]，換熱器的表達式見[3]，圖1給出W從0.1變到0.9時，、以及變化結果。其中
由圖中得到：隨著熱容量比接近于1，換熱器溫差場均勻性因子增加了，熵產減小了。同時結合徐志明[8]等人分析火用效率的結論，綜合得到：在NTU不變，W越接近于1，換熱器溫差場均勻性因子越大，熵產生數越小，火用效率越高。即熵產分析和火用分析均符合溫差場均勻性原則。另外從圖中看出效能隨著溫差場的均勻而降低了，用效能來評價換熱器性能和熱力學分析結論出現了矛盾。當NTU一定，如果要求不同的W得到相同的換熱量的話，那么W小的流體，熱側流體的流量很大，保證如此高的流量也要有代價，同時由于流量大，通過換熱器時阻力損失也大，與之相對應的火用損失也大，火用效率[7]降低了。因此同時得到單純用效能來評價換熱器是不可靠的結論。
3.2.2W一定，NTU變化時，溫差場均勻性因子、熵產生數以及效能的變化。為便于和火用效率[7]分析的結果作對比，取熱容量比：
得到結果如下：
圖2Ns－NTUφ-NTU和ε-NTU曲線
由上圖可見，當W不變時，隨著NTU的增加，Ns變小了，效能增加了，但溫差場變得不均勻了。結合徐志明[8]的結論，火用效率變小。發現此時火用效率判據符合溫差場的均勻性原則，而熵產分析卻和原則相反了。Bejan[10]曾把逆流換熱器傳熱過程的熵產分為不平衡流動即熱容量不匹配的熵產和由于傳熱面積有限引起的熵產。能大曦[7]等人對兩部分熵產比較得到：兩部分的熵產隨NTU的變化，趨勢是相反的。由于換熱面積有限引起的熵產隨NTU增加而減小，由于不平衡流動的熵產隨NTU增加而增大。對于逆流換熱器，溫差場均勻與否只取決于W是否為1。不難理解只有由熱容量不匹配引起的熵產變化趨勢能用溫差場均勻性原則來解釋。換句話說，熵產生數來做判據包含了換熱的物理機制之外的部分，在對換熱器做優化時，應怎樣用它還有待進一步的分析。從這個角度考慮，基于換熱的物理機制建議選擇火用效率作為換熱器熱力學優化的判據。
4．結論
（1）針對逆流換熱器，比較已有優化方法，發現熵產分析和火用效率分析在W一定，NTU變化時得到的結論出現了矛盾。
（2）應用溫差場均勻性原則，對比溫差場均勻性程度變化的趨勢和熵產生數、火用效率的變化趨勢，得到火用效率和溫差場均勻程度變化趨勢相協調，選用火用效率來做優化更能反映換熱的物理機制。因此建議用火用效率來優化換熱器。
參考文獻
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[10]BejanA.EntropyGenerationthroughHeatandFluidFlow.NewYork:Wiley-Interscience,1982
工程熱物理論文范文第4篇
專業建設概況
專業定位。新能源科學與工程專業圍繞浙江大學“以人為本、整合培養、求是創新、追求卓越”的教育理念，以“培養知識、能力、素質俱佳，具有國際視野的新能源科學與工程專業拔尖創新人才和未來行業領導者”為宗旨，以新能源的開發、儲運、利用為特征，緊密結合學科前沿和行業發展需要，積極培養滿足國家戰略性新興產業的創新型人才。
培養目標。培養具備熱學、力學、電學、機械、自動控制、能源科學、系統工程等寬厚理論基礎，掌握可再生能源和新能源專業知識，能從事清潔能源生產、可再生能源開發利用、能源環境保護、新能源開發、工程設計、優化運行與生產管理的跨學科復合型高級人才。
課程設置。專業課程設置按照浙江大學“通識課程+大類課程+專業課程”體系進行構建，其中專業課程包含專業基礎課、專業核心課和專業實驗實踐課。專業基礎課的安排上，設置了如工程流體力學、工程熱力學、傳熱學、能源與環境系統工程概論等基礎課程，使學生具有熱學、力學、機械、能源科學和系統工程等寬厚理論基礎。專業核心課程開設了包括生物質能源、太陽能、風能、氫氣大規模制取的原理和方法、新型液體燃料能源等課程，旨在讓學生掌握新能源領域相關科學原理、工藝以及新技術研究發展趨勢方面的知識。在專業實驗實踐課程上，安排了新能源實驗、認識實習、風電風機課程設計、生物質發電系統課程設計等，使學生掌握新能源的有關實驗，掌握現場運行，工程設計和生產管理等知識，為今后從事新能源開發利用工作打下基礎。
專業建設特色
依托動力工程及工程熱物理國家重點一級學科平臺，浙江大學新能源科學與工程專業建設體現出鮮明的科研與教學相長的教學特色。
強大的學科平臺。能源系擁有國內一流的學科與科研優勢，具備國際競爭的實力。現有國家重點一級學科1個，一級學科博士點1個，國家重點實驗室1個，國家工程研究中心2個。設博士點8個、碩士點8個、博士后流動站1個。連續5年科研經費超過億元。依托強大的學科與科研優勢，以及不斷在學科交叉領域取得的創新型研究進展，為學生直接參與項目研究、在實踐中培養創新精神創造了條件；同時為優秀大學生繼續深造提供了寬廣的平臺。能源系在新能源領域已有大量的研究積累，開展了大量新能源的研究方向，如太陽能熱利用發電技術，生物燃料電池，微藻制油等，并已承擔了新能源方向的973項目2項，863項目多項。
一流的師資力量。能源系擁有一批在國際上具有競爭力的中青年人才，其中院士1人，“973計劃”項目首席科學家3人，長江學者獎勵計劃特聘教授6人，國家杰出青年基金獲得者5人，浙江省特級專家2人，國家百千萬人才工程人選7人，教育部跨世紀和新世紀優秀人才5人。全系教師隊伍具有博士學位比率達93.1%，已形成了一支知識結構、學歷結構和學緣結構優化、年齡結構合理、教育教學能力和研究能力突出、具有國際競爭力的教學團隊。在新能源專業方向上，已形成了由院士牽頭，5位長江學者和一大批教授為核心的新能源研究隊伍。
先進的教學模式。專業建設以拓寬專業基礎、專業知識面為宗旨，制訂與國家發展需求相適應的本科教學計劃和課程體系。科研成果通過教學改革、課堂教學、大學生科技創新活動、畢業論文（設計）等途徑，轉化為教學資源，實現教學科研互動，為學生創新能力的培養提供了平臺。能源系積極開展本科教學改革，“結合國家重大需求，創建能源與環境復合型人才培養新體系”獲2009年國家級教學成果二等獎；《工程熱力學》、《熱工實驗》課程獲國家級精品課程稱號；“國家級能源與動力實驗教學示范中心”2012年通過專家驗收。
開放的實踐體系。經過多年的建設，能源系建立和發展了與學科前沿及行業發展緊密結合的能源與動力創新型人才培養實驗實踐教學體系。依托動力工程及工程熱物理國家重點一級學科、能源清潔利用國家重點實驗室，以能源與動力國家級實驗教學示范中心建設為契機，通過實驗課程精品化、建設學生創新實驗室和節能減排實踐基地、開展以全國大學生節能減排競賽為代表的各類學生科技創新活動、與行業領軍企業共建創新實踐教學基地等形式，構建了多層次訓練、多學科交叉、全方位輻射的立體創新實踐平臺。
專業建設成效
學科資源與科學研究成果及時、有效地引入本科教學建設中，為本科教育提供了大量優質資源，有效地提升了教學質量。本科生對該專業的認同度高，目前該專業已經成為最受學生歡迎的熱門專業之一，學生主修專業確認平均績點在4以上，在工科專業中排名第三。
核心課程精品化建設。專業依托教師在新能源領域的前沿研究方向，將科研方法、體驗與成果引入課程，推進核心課程精品化建設。2013級培養方案修訂中，確定《太陽能》、《生物質能源》2門專業核心課程建設，并增設了《非常規天然氣和合成氣開發與發電技術》、《生物質直燃發電技術》、《新型液體燃料能源》等課程，優化了課程結構，體現了專業特色。
專業教材高質量建設。近年來，教師總結多年科研和教學經驗，出版了《能源與環境系統工程概論》、《能源工程管理》等2部“十一五”國家級規劃教材。出版了《熱學基礎》、《核電與核能》、《熱能專業英語閱讀與寫作》、《燃燒理論與污染控制》、《多孔介質燃燒理論與技術》、《二氧化碳捕集封存和利用技術》、《生物質液化原理及技術應用》等專業課程指導教材。
實驗教學創新性建設。教師結合新能源領域的科研項目研究成果和科研項目實驗臺開展新開實驗課程項目的建設與研究，開設了“硫碘熱化學循環制氫”、“流動和霧化的激光測量”、“生物能源實驗”等實驗項目，同時充分利用學科實驗室的設備為學生提供優質的實驗環境。
實習基地全面性建設。在校外實踐教學基地建設中，與東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司、上海鍋爐廠、浙能集團等9家企業簽訂了校企合作協議，并根據行業面向與專業培養目標，對校企合作的課程進行了合理的規劃，注重實習企業的交叉互補。如東方鍋爐、上海鍋爐廠等企業提供熱能轉化設備的實踐實習；深圳東方鍋爐控制有限公司提供熱能設備控制方面的實習；藍天環保等提供燃燒污染控制方面的實習；華電電力科學研究院提供測試方面的實習；廣州瑞明電力股份有限公司提供電廠整體的實習。上海鍋爐廠有限公司、東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司成為首批國家級工程實踐教育中心。
學生科技創新活動開展。能源工程學系打破教學、科研、學科實驗室界限，學生通過自主立項或參加教師的科研項目，自定實驗方案、自主完成大學生科研訓練計劃、節能減排競賽等課外科技創新活動。目前，新能源科學與工程專業本科生已獲得SRTP立項31項，浙江省大學生科技創新活動計劃項目3項，全國大學生創新創業訓練計劃項目1項；獲校級大學生節能減排學科競賽獎項15項，獲國家級大學生節能減排競賽三等獎1項。
未來專業建設的方向
形成特色鮮明的專業課程體系。順應國內外新能源產業發展趨勢，結合學科研究特色，進一步梳理現有課程設置，完善“重基礎、強實踐”的課程體系；進一步凸顯新能源科學與工程專業的建設特色，形成以力學、熱學為專業基礎教學內容，太陽能、生物質能、風能等新能源的開發、儲運、利用技術為專業核心教學內容，課內外實驗實踐環節相結合的專業課程體系。
工程熱物理論文范文第5篇
關鍵詞：工科大學生；實踐能力；培養方案
中圖分類號：G642文獻標志碼：A文章編號：10017836（2015）01002102現今工科大學生的實踐能力普遍偏低，難以適應社會發展的需要。目前，我國必須擁有數量眾多的具有創新能力和實踐能力的人才，才能在風云變幻的世界競爭中立于不敗之地。為此，普通高等工科學校的責任就是培養并造就一批具有競爭性、高素質、高質量的工程技術人才，工科大學生實踐能力的培養和提高是我國跨世紀經濟發展的需要，也是我國高等工程教育不斷改革發展的趨勢。
[S2][10][SZ]1[SBZ]我國工科大學生實踐能力的現狀[5"SS]
現代大學教育的根本目標是培養具有創新精神和實踐能力的高素質人才，隨著世界工業科技日新月異的發展，知識經濟時代已經來臨，高等教育培養質量代表著一個國家經濟的發展潛力，如何培養工科大學生的實踐創新能力是當代教育最大的核心所在。當前，我國工科大學生的實踐能力普遍較差，主要表現在以下兩個方面：
11企業對工科大學生的實踐能力評價不高
工科畢業生在校期學習了專業學科理論知識，但是不能把所學與具體工作實際相結合。同時，對企業生產模式熟悉較慢，甚至不熟悉，再加上不愿意深入去研究企業的生產實際，又不能虛心地與企業技術管理干部及工人進行溝通，有的畢業生已經工作兩三年還不能獨立承擔工作任務。基本技能不過硬，如做圖軟件的應用、技術文件的總結等基本功不扎實，也沒有養成用圖形、圖表進行交流和表達設計方案、技術思想的習慣，缺乏吃苦耐勞精神，不愿意到科研和生產一線去工作等等。
企業希望大學生能深入了解社會，端正就業態度；了解社會目前的情況，及時調整就業心態，豐富自己的實踐經驗；提高自身素質，多參加社會實踐，增強社會適應能力，務實勤奮。
12工科大學生就業困難
隨著我國高校畢業生就業形勢的日益嚴峻，大學生就業已成為社會關注的焦點，而開展大學生創新實踐教育是高等教育的迫切要求，也是破解當前就業難問題的重要途徑。現在的大學畢業生中，只有能夠充分滿足并能盡快適應用人單位需求的人才才有競爭的優勢。現今企業招聘大學畢業生時，最看重的是畢業生的“綜合能力”，其次為“潛力”，再次為“品德”。
每年應屆畢業生在就業時，都要參加各種各樣的招聘會，有的企業走進校園舉辦專場招聘會，各高校的學生通過網絡，了解到招聘信息后，紛紛到招聘地點去投簡歷，有的學生甚至把自己的簡歷做成像宣傳單一樣，向各企業投放，但是真正能夠收到企業面試信息的卻很少。這一方面說明學生不了解企業的基本情況，盲目地投簡歷，沒有做好充分的準備，不知道自己將來想要做什么，能否勝任企業的工作；另一方面，在就業之前，沒有充分對在校期間完成的各項學習任務進行歸納總結，其中包括：國家對學生要求的外語及計算機等級考核是否合格、在校期間參加的各項實踐活動、國家級或省（校）級各類創新能力賽等。以上幾方面原因導致畢業生被企業拒之門外。
近幾年佳木斯大學熱能與動力工程專業學生的就業情況如下：（1）格力空調公司首先要通過招聘網頁中的能力測試題（基本上是理論與實踐相結合的題目），對學生進行測試，通過后才能進入面試階段，學校今年有5名同學在網上答題，其中有3人不過關，沒有得到面試的機會；（2）長城汽車公司在筆試中，出一些行測題目，目的是要考核學生的綜合能力，通過筆試后才能進入面試。佳木斯大學熱能與動力工程專業學生近三年共有25人簽約長城汽車公司，這些學生都是通過該公司層層面試選的，通過對這些學生走訪，學校了解到了現今企業需要什么人才，為下一步重新制定培養方案奠定了理論基礎。還有些企業在招聘學生時會出一些工程實踐的題目，目的是考核學生的動手能力。雖然大部分學生在校期間成績相當好，但在公司筆試及工程實踐能力測試中卻不能通過，說明當前我國工科大學生的實踐及綜合能力普遍偏低，而導致這種現狀的原因是多方面的。
[S2][10][SZ]2[SBZ]工科大學生實踐能力培養方案的確定[5"SS]
我國現今工科大學生的知識結構如下圖所示，各工科院校都對培養方案進行了相關的修訂，但也存在著一些不足，課程設置不能與具體實踐相結合，專業工程實踐比較少，造成學生在就業后不能很快地適應所簽工作的需要，這主要是培養目標出現偏差造成的。
由于人們大多狹義地理解實踐能力就是動手能力、操作能力，所以一些工科教師認為學生的實踐能力應該通過實踐教學活動來培養，而忽視了課堂教學活動也是培養學生實踐能力的重要環節。所以制定好培養方案，是所有工科院校面臨的主要問題。佳木斯大學針對國家教育部專業骨干課程調整文件，對畢業生進行了走訪，與有關用人單位進行溝通，修訂了能源與動力工程專業的培養方案，主要加強了學生動手能力的培養，增加了實踐環節的周次，在選修課中注重現今的企業對本專業的需求。基于以上情況， 2012—2014年，熱能與動力工程專業連續三年對培養方案進行了修定。針對實踐能力培養，2014年制定的修定培養方案如表1所示。[6][J1][6SS]表1[JZ][5"]熱能與動力工程專業實踐性教學環節[6SS][J2][BG（！][BDFG2，W4，13，4，4，4W]序號實 踐 名 稱學 期周 數備 注[BDG12，W4，13ZQ2，4，4，4W]1金工實習42周[B]2機械綜合課程設計52周[B]3駕駛實習71周[B]4專業測試實習72周[B]5專業課程設計73周[B]6生產實習82周[B]7畢業設計813周[B]8工程制圖測繪短Ⅰ1周[B]9專業認知實習短Ⅰ1周[B]10金工實習C短Ⅱ2周[B]11科技創新與科研訓練實習短Ⅱ2周[B]12專業綜合實訓短Ⅲ1周[B]13發動機拆裝與鍋爐運行實習短Ⅲ3周[BG）F][J0][5"SS][J5/9]設置實踐性教學環節時，在原有培養方案的基礎上，增加了帶“”的實踐環節，同時增加了實踐學時，如表2所示。[6][J1][6SS]表2[JZ][5"]學分要求及學時比例[6SS][J2][BG（！][BDFG2，W14，4，6，5W]課 程 模 塊學 分學 時學時比例[BDG12]通識教育課程497762915%[B]學科基礎課程5511184200%[BDG42，W6，23W]專業課程[ZB（][BDWG12，W8，4，6，5W]專業必修課3255582096%[BDG12]專業選修課105210[G2]789%[B]實踐性教學環節3838周[ZB）W][BDG12，W14，4，6，5W]合計1852662+38周[BG）F][J0][5"SS][J5/9]佳木斯大學通過對熱能與動力工程專業培養方案的重新修定，使畢業生掌握了工程熱物理、機械學和電子控制技術的綜合理論知識和實踐技能，具有從事能源與動力工程領域的科學研究、設計開發、制造、運行和管理的基本能力，有良好的適應性和繼續深造的基礎，符合教育部對本科教學的基本要求。同時，能夠更好地滿足企業的需要，避免學生到企業中不能夠適應企業的工作，為國家培養出了具有創新實踐能力的人才。
