火积理论及其在化工过程节能中的应用进展

夏力，冯园丽，项曙光



火积理论及其在化工过程节能中的应用进展

夏力，冯园丽，项曙光

（青岛科技大学过程系统工程研究所，山东青岛 266042）

火积和火积耗散极值原理的提出，为化工过程系统节能开辟了新的方向。阐述了火积的物理意义、火积是过程量等火积理论的最新研究成果，从火积在换热器设计、热力学过程中的不可逆性、换热网络综合等方面的应用情况综述了火积理论在化工过程系统节能中的最新应用进展。重点围绕火积耗散率与熵产率的异同点比较分析、火积耗散极值原理与换热网络综合结合等方面，阐述了火积理论的科学性。

火积理论；火积耗散极值原理；过程系统；热力学过程；熵；换热网络综合

引 言

能源是经济增长和可持续发展的基础，而能源的生产与消费也引起了一系列的健康与环境问题。随着中国经济和社会的发展，能源的消费在过去的20年里已经翻了一番，中国成为了全球第二能源消费大国，由能源和能源消费引起的资源和环境的相关问题已经成为制约我国经济和社会可持续发展的重要问题之一[1]。提高能源资源的利用效率是我国可持续发展的一项长远发展战略，是我国的基本国策。“十三五”规划建议提出推进能源革命，加快能源技术创新，建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系，提高非化石能源比重，推动煤炭等化石能源清洁高效利用[2]。因此，缓解能源压力及克服环境污染问题才能保持我国经济持续增长的态势，如何调整能源结构、提高能源利用效率、为新能源找到出口、转变能源发展方式等问题已经成为我国能源发展一个无法回避的现实问题。

热学的研究在能源科学中占有重要地位，可以提高能源利用率，减少能源消耗，这也是应对世界能源危机和保障国家能源安全的有效措施。随着热学的逐步研究，发展出经典热力学、传热学等理论。传热学作为学科形成于19世纪，是研究由温差引起的热量传递规律的科学。尽管传热学的理论和工程技术应用方面逐渐成熟起来，但是存在许多不足之处：其一，经典的傅里叶导热定律受到了挑战，如傅里叶导热定律不再适用超快速的瞬态加热过程和碳纳米管等低维材料中的导热[3]；其二，只有热量传递“速率”的概念而没有热量传递“效率”的概念，从而使得传热过程只有强化的概念而没有优化的概念[4]；其三，对传热问题的分析方法绝大多数是线性分析法，例如傅里叶导热定理就是线性定律，对流换热采用了准则关联式也是一种线性近似，而传热学所要处理的问题都是非线性问题，因此现有传热学中的线性理论和概念与非线性问题相矛盾[5]；其四，在热物理领域中，已存在两个层次的最小作用量原理：第1个层次包括Onsager提出的最低能量耗散原理和Prigogine提出的最小熵产原理，第2个层次是Bejan提出了熵产最小原则，而这两个层次的最小作用量原理都是以熵为基础，以可用能损失最小为目标优化，而实际并非一定关注可用能的损失，没有应用到强化传热的优化中[6]。

针对传热学中只有热量传递速率的概念，没有传递效率的概念的问题，过增元等[7-8]引入了新的物理量——火积，它具有热量的“能量”性质，简称“热势能”，描述了物体所具有的热量传递的总能力。由于热量和火积的传递过程是不可逆过程，火积将被耗散，程新广等[9-11]从导热微分方程出发，基于变分原理，提出了火积耗散极值原理。自从火积概念与耗散极值原理的提出以来，引起了很多学者的广泛关注，并进一步从传热机理、是否为过程量、传热过程的效率等方面阐述了火积的物理意义，在传热学中开展了一系列深入的相关研究，如热传导[11-16]、对流换热[17-19]、传质过程[20-22]、辐射换热等[23]和绝缘材料的厚度计算[24]。近几年，一些学者把火积理论应用于化工过程节能中，为其开辟了新的方向，已成为火积理论研究的前沿之一。

有关火积理论应用方面的综述已有多篇[25-28]，但主要介绍了火积在传热学中的应用，而火积应用于化工节能的最新的研究成果都未涉及。本文对火积理论在换热器设计、热力学过程中的不可逆性、换热网络综合等化工过程系统节能应用领域的最新进展进行了总结，重点阐述了火积是否是状态量、火积耗散率与熵产率的异同、火积耗散极值原理与换热网络综合相结合的研究进展。

1 火积理论的产生

1.1 火积的概念

针对现有传热学理论中存在的不足，为了更好地描述和优化传热过程的性能，过增元等[7-8]基于热量传递与电荷传递现象之间的比拟，引入了一个与电能相对应的物理量——火积，是热容量与温度乘积之半

式中，vh=mcT是物体的定容热容量，对于理想气体它就是内能；h是温度，即热势。

1.2 火积耗散和火积平衡方程

热量在介质中的传递与流体通过管道和电流通过介质一样，是不可逆过程。流体流动因摩擦阻力耗散的是机械能，电阻耗散的是电能，而热量传过介质时，热阻耗散的则是火积，即耗散的是“热势能”。对于无内热源的稳态导热热量守恒方程为

为热通量矢量。方程两边乘以

式（3）左边项就是微元体中火积随时间的变化，式（3）右边的第1项就是进入微元体的火积流，而右边第2项则是微元体中的火积耗散[7-8]，故可写为

式（4）就是火积平衡方程[7-8]，h是单位体积中的火积，而其中耗散项

称为耗散函数，其中是热导率。火积耗散函数h的物理意义是单位时间单位体积内火积的耗散，它也类似于流体流动中机械能的耗散函数。从火积平衡方程可以得出，系统内火积的变化来自于两方面，一个是边界上火积流流入使火积增加，另外一方面是系统内部的火积耗散使系统火积降低。

1.3 火积耗散极值原理

程新广等[9-11]在变分分析的基础上，提出了热流边界条件给定情况下的最小火积耗散原理和温度边界条件给定情况下的最大火积耗散原理。

最小火积耗散原理是指：在导热热流给定的条件下，物体中的火积耗散最小时，则导热温差值就最小。其表达式为

而最大火积耗散原理是指：在导热温差给定的条件下，当物体中的火积耗散最大时，导热热流值就最大。其表达式为

最小与最大火积耗散原理可概括为火积耗散极值原理。由热阻定义可知火积耗散极值原理又可归结为最小热阻原理，表述为：“对于具有一定约束条件（如基材中加入一定数量的高导热材料）的导热问题，如果物体的当量热阻最小，则物体的导热性能最好（给定温差时，热流最大，或给定热流时，温差最小）”。当量热阻的定义和最小热阻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。

2 火积的物理意义及其发展

过增元等在提出火积概念时，给出其物理意义：火积具有“能量”的含义，描述了物体所具有的热量传递的总能力。基于火积这个物理量，就可以定义传热过程的效率和讨论传递过程的优化。赵甜等[29]将火积与势能相比较，进一步说明了火积的宏观物理意义：①物体的火积可以描述它对外传热的能力；②火积可以描述热量传递过程的效率；③火积对温度的梯度可以表示传热的驱动力。胡帼杰等[30]基于热力学第一定律，对火积的定义和概念重新进行了讨论，定义了系统火积和可用火积，并阐述了火积量是过程量。对于可逆条件下无体积变化的火积量与系统的状态量相对应，称之为系统火积，火积量在传递过程中有一部分将转化为功火积δ，对物体的加热或冷却没有贡献，而d为火积量的可用部分，称为可用火积量。

热量是有品位的（或是有品“质”的），即热量所处的温度越高，热量的品位越高，做功能力就越大，温度实际是热量的势，热量传递是一个不可逆过程，当物体与具有一定温差的物体接触时，此物体能传递出的总“热势能”就是火积，它表示物体热量的总传递能力，过增元等[7-8]也曾称之为热量传递势容。朱宏晔等[31]通过建立电热模拟装置，进一步验证了导热优化的火积耗散极值（最小热阻）原理。王松平等[32]根据火积概念及其传递的思想，建立描述一般对流传热过程的火积传递方程，包含了热传递、对流、质量传递和化学反应过程，探究了其传递规律及其应用的理论和方法，为火积传递的研究与应用提供理论基础，弥补了过增元推导出的火积传递方程非普适性的缺陷[8]。后来程雪涛等[6]基于热力学第一定律和热力学第二定律研究两个孤立子系统在热量传递过程前后火积的变化量，得到火积减原理，即孤立系统的传热过程火积不守恒，存在火积耗散，进一步表明火积耗散反映传热过程的不可逆性。

3 火积在化工过程节能中的应用

有关火积和火积耗散极值原理在化工过程系统节能中的应用可分为以下几方面。

3.1 火积在换热器设计中的应用

Bejan等采用Kondepudi等的最小熵产原理来进行换热器传热性能的评价，以传热过程的总熵产最小为目标对传热过程进行优化，已有不少学者针对不同的对流传热问题以熵产最小为目标进行优化[32]。但最小熵产原理本身在学术界颇具争议，特别是应用于换热器优化设计时产生了一些悖论与矛盾，例如在逆流换热器优化设计时，随着有效度的增加，熵产数先增后减产生极大值，这一现象称为“熵产悖论”[33]。用温度表示的火积最小耗散原理可推导出传统的稳态导热方程, 从而解决了熵产最小原理和傅里叶导热矛盾的问题。郭江峰等[34-35]基于火积的概念定义了用于评价换热器整体性能的火积耗散数。并通过与熵产数作比较，发现火积耗散数避免了熵产数导致的“熵产悖论”，并可作为评价不同流动型式的换热器整体性能的标准。

目前，许多学者将火积耗散极值准则用于换热器设计中。许明田等[36]阐述了火积耗散理论可以避免最小熵产原理和傅里叶定律间的矛盾，显示了其在处理导热问题上的优越性，然后利用火积和熵的关系，推出了换热器中由流体阻力引起的火积耗散表达式。宋伟明等[37]验证了传热系数固定时的换热器温差场均匀性原则，郭江峰等[38]进一步讨论了传热系数固定和不固定时火积耗散均匀分布原则和温差均匀分布原则的关系。刘明方[39]基于火积耗散理论推导出热声热机振荡流换热器的火积耗散数，从理论分析和数值模拟探讨了振荡流换热器的相关特性与火积耗散数的关系。姚杰等[40]以火积耗散最小为目标的方法对矿井回风换热器进行了优化。夏少军等[41]建立了存在热漏的换热器的传热过程模型，并应用最优控制理论推导出了换热过程火积耗散最小时热流体温度和冷流体温度的最优构型，并将最优路径分别与热流体温度一定和热流率一定的传统传热策略进行了比较，用于实际换热器的优化设计。

3.2 火积在热力学过程的不可逆研究中的应用

在热功转换过程中，机械功可以全部转化为热，但热不可能全部自动地转化为机械功；在热量传递过程中，热量只能从高温物体向低温物体传递，而不能自发地从低温物体向高温物体传递。这些现象揭示了自然界发生的热力学过程的不可逆性。熵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。从热力学的角度，实际的传热过程与热功转换过程都是不可逆的，因此其中必然存在熵产。在传热过程中，Bejan[33]将最优的传热过程与最小熵产联系起来。熵的推广应用在这些领域取得了许多成果，但是也引起了一些适用性方面的质疑，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。

火积概念的提出不仅使定义传热效率成为可能，而且从傅里叶导热定律出发结合变分原理及平衡方程得到了耗散极值原理[7-10]，这里的火积耗散是与做功无关的传热不可逆性度量。Xu[42]以卡诺循环为例，从热力学第二定律的角度对功热转换过程中的熵和火积耗散进行了分析。程雪涛等通过类比熵建立起火积这一概念与其微观状态数之间的联系[43]，并基于火积与微观状态数的关系式，针对热量用于加热或冷却物体以及用于做功两种物理过程，讨论了传递可用火积、传递不可用火积、转换可用火积、转换不可用火积与微观状态数的关系[44]。王文华等[45]从熵和火积两个角度讨论了热量传递、功热转换、理想气体自由膨胀过程和等温物质扩散过程的不可逆性，论证热力学中的不可逆性并非等价于有火积耗散。程雪涛等[46]基于广义传热定律，分别从熵产和火积损失的角度对简单的传热过程与热功转换过程进行了优化，对熵产和火积损失的概念在传热过程与热功转换过程优化中的适用性进行了讨论分析。陈则韶等[47]从不可逆过程有效能消耗率分析出发，提出一种表征不可逆过程的新参数（不可逆度），比较了有效能消耗率与熵产率和火积耗散率的关系，有效能消耗率与过程的能流率量纲一致，克服了熵产率和火积耗散率与能流率量纲不一致的缺点。Kim等[48]比较和分析了发电厂中热功转化过程中的热、㶲和火积。

3.3 火积在换热网络综合中的应用

换热网络综合的任务是确定能量回收目标，确定合理匹配方式，实现最小的公用工程消耗，获得最大的能量回收。火积耗散的概念目前主要应用于分析传热过程的不可逆性与换热器的优化设计，随着火积理论的不断研究，一些学者将火积应用于换热网络综合研究，主要集中在以下两方面。

（1）利用火积的概念描述传热过程的不可逆性，加强换热器的换热效率

郭江峰等[49]提出了在换热量和换热面积给定时的火积耗散最小原则。陈群等[50]引入传热学中的二维状态图（-图）描述传热过程中冷、热流体的火积的变化规律，定性描述传热过程的不可逆性，以此直观地分析和优化传热过程，提高能源利用效率，用于换热网络的优化分析和工程设计。

（2）根据火积耗散的物理意义，实现换热器网络的合理匹配，减小火积耗散

根据前面叙述火积的物理意义，胡帼杰等[30]定义了系统的火积与可用火积的概念，表明换热网络的火积耗散是指热物流所具有的火积分为两部分：一部分传递给冷物流加热，可以回收利用的火积可称为火积回收，另一部分未被利用，火积浪费损失称为火积耗散。因此，在进行换热网络综合优化的过程中，为了实现热量的有效利用，让冷物流尽可能最大地利用热物流传递的热量，此时火积回收最大，火积耗散最小，系统需要外加的冷热公用工程量最小。Wu等[51]借助-图对含有气体和液体的6个物流的化工过程进行了火积分析，提出了热效率较高的热回收网络，结果表明：基于火积的换热网络比没有热回收节能80%，比传统的热回收网络节能50%。在传热过程以外，Chen[52]在分析换热器组的设计时得出，当传热的目的是对外输出功时，耗散最大值原理不能用于对换热器组进行优化设计。王怡飞等[53]基于火积耗散热阻的概念，分析了换热器网络中的传热过程，并结合变频泵的性能分析和管网的阻力分析，建立了换热器网络中结构参数、运行参数和用户需求之间的直接联系，完善了换热器网络优化的数学模型，并构建了基于火积耗散热阻换热器网络优化的方法。Xu等[54-55]将火积平衡方程取代传统的传热和热量守恒方程作为换热网络最优化方程组的约束条件。

4 结论与展望

自从2006年过增元院士提出火积的概念以来，经过近十年的发展，火积的研究取得了很大的进展，据不完全统计，截至2016年5月，已有近200篇相关文献发表，包括博士学位论文[3,9,34,39,56-61]。火积最早是针对现有传热学理论中存在的不足而提出的，随着应用领域的不断扩展，逐步提出了火积耗散、火积耗散数、火积的传递效率、系统的火积、可用火积等概念，不断完善了其物理意义，证明了火积量为过程量，推导出了火积的平衡方程、火积耗散极值原理，解决了熵产最小原理和傅里叶导热矛盾的问题，广泛应用于热传导、对流传热、热辐射、传质和绝缘材料的厚度计算。

为了提高化工过程中的热利用率，一些学者把火积理论应用于化工过程的节能中，并在换热器设计、热力学过程中的不可逆性、换热网络综合等方面得到了应用。虽然火积理论在化工过程节能中取得了很大的进展，但仍然存在一些问题有待解决。如熵产与火积耗散探讨得较多，但是㶲与火积耗散之间的关系还未发现有人研究。虽然火积理论被应用于换热网络综合和公用工程用量的优化中[62]，但是还不够完善，至今没有提出基于火积的能量目标的确定方法，也没有提出用于化工或炼油工业中实际大型装置的换热网络的匹配原则，有待学者更多的研究和完善。

综上所述，火积理论的提出，为优化传热开辟出一条不同于最小熵产的新途径，更为化工过程节能开辟了新的研究方向。目前，火积理论已经广泛应用于能源、化工、航天等领域，随着科学研究的不断深入，火积理论的应用范围会越来越广，对热科学领域将会产生越来越巨大的影响。

符 号 说 明

cV——比定容热容，kJ·kg−1·K−1 Evh——火积，kW·K k——热导率，J·kg−1·K−1 m——质量，kg Qvh——热容量，J q——热通量，J·m−2·s−1 T——温度，K t——时间，s U——内能，kW·m−2·K−1 Uh——热量势，K V——体积，m3 εh——单位体积中的火积，kW·K ρ——密度，kg·m−3 ϕh——火积耗散函数

[1] HU H, ZHANG X H, LIN L L. The interactions between China’s economic growth, energy production and consumption and the related air emissions during 2000-2011 [J]. Ecological Indicators2014, 46 (46): 38-51.

[2] 新华网. 中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要[EB/OL]. [2016-03-17]. http://www. china. com. cn / lianghui / news / 2016 -03/ 17/ content_38053101.htm. Xinhua net. People’s Republic of China national economic and social development five thirteenth year plan outline [EB/OL]. [2016-03-17]. http: //www.china.com.cn/lianghui/news/ 2016 -03/ 17/ content_38053101.htm.

[4] 过增元. 热学中的新物理量[J]. 工程热物理学报, 2008, 29(1): 112-114. GUO Z Y. New physical quantities in heat [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2008, 29(1): 112-114.

[5] 柴立和, 蒙毅, 彭晓峰. 传热学研究及其未来发展的新视角探索[J].自然杂志, 1999, 21(1): 4-7. CHAI L H, MENG Y, PENG X F. Investigation and new perspective on the trends of heat transfer [J]. Chin. J. Nat., 1999, 21(1): 4-7.

[6] 程雪涛, 梁新刚, 过增元. 孤立系统内传热过程的火积减原理[J].科学通报, 2011, 56(3): 222-230. CHENG X T, LIANG X G, GUO Z Y. Entransy decrease principle of heat transfer in an isolated system [J]. Chin. Sci. Bull., 2011, 56(3): 222-230.

[7] 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(10): 1288-1296. GUO Z Y, LIANG X G, ZHU H Y. Entransy — a physical quantity describing heat transfer ability [J]. Prog. Nat. Sci., 2006, 16(10): 1288-1296.

[8] 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(13/14): 2545-2556.

[9] 程新广. 火积及其在传热优化中的应用[D]. 北京: 清华大学, 2004. CHENG X G. Entransy and its applications in heat transfer optimization [D]. Beijing: Tsinghua University, 2004.

[10] 程新广, 李志信, 过增元. 热传导中的变分原理[J]. 工程热物理学报, 2004, 25(3): 457-459. CHENG X G, LI Z X, GUO Z Y. Variational principles in heat conduction [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2004, 25(3): 457-459.

[11] 程新广, 孟继安, 过增元. 导热优化中的最小传递势容耗散与最小熵产[J]. 工程热物理学报, 2005, 26(6): 1034-1036. CHENG X G, MENG J A, GUO Z Y. Potential capacity dissipation minimization and entropy generation minimization in heat conduction optimization [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2005, 26(6): 1034-1036.

小粒型两系不育系“卓201S”已经通过省级审定，杂交组合“卓两优581”通过了国家审定，并大面积推广应用。 “卓201S”种子只有普通种子一半大小，结出来谷子的大小与其他普通的水稻品种无异。育秧移栽种植每亩地只需要四两种子，却能得到千斤以上的产量。

[12] 过增元, 程新广, 夏再忠. 最小热量传递势容耗散原理及其在导热优化中的应用[J]. 科学通报, 2003, 48(1): 22-25. GUO Z Y, CHENG X G, XIA Z Z. The principle potential capacity dissipation minimization and its applications in heat conduction optimization [J]. Chin. Sci. Bull., 2003, 48(1): 22-25.

[13] LIU X, CHEN L G, FENG H J,. Constructal design for blast furnace wall based on the entransy theory [J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 100: 798-804.

[14] WANG W H, CHEN X T, LIANG X G. Entransy definition and its balance equation for heat transfer with vaporization processes [J]. Int. J. Heat Mass Tran., 2015, 83: 536-544.

[15] CHEN Q, WANG M, PAN N,. Irreversibility of heat conduction in complex multiphase systems and its application to the effective thermal conductivity of porous media [J]. Int. J. Nonlinear Sci. Numer. Simul., 2009, 10(1): 57-66.

[16] ZHANG L, LIU X H, ZHAO K,. Entransy analysis and application of a novel indoor cooling system in a large space building [J]. Int. J. Heat Mass Tran., 2015, 85: 228-238.

[17] YU H D, WEN J, XU G Q,. Theoretically and numerically investigation about the novel evaluating standard for convective heat transfer enhancement based on the entransy theory [J]. Int. J. Heat Mass Tran., 2016, 98: 183-192.

[18] ZHOU B, CHENG X T, WANG W H,Entransy analyses of thermal processes with variable thermophysical properties [J]. Int. J. Heat Mass Tran., 2015, 90: 1244-1254.

[19] XU M T, GUO J, CHENG L. Application of entransy dissipation theory in heat convection [J]. Front Energy Power Eng. China, 2009, 3: 402-405.

[20] AHMADI M H, AHMADI M A, POURFAYAZ F,Entransy analysis and optimization of performance of nano-scale irreversible Otto cycle operating with Maxwell-Boltzmann ideal gas [J]. Chem. Phy. Lett., 2016, 658: 293-302.

[21] GUO J F, HUAI X L. The heat transfer mechanism study of three-tank latent heat storage system based on entransy theory [J]. Int. J. Heat Mass Tran., 2016, 97: 191-200.

[22] FENG H J, CHEN L G., XIE Z H,Constructal entransy dissipation rate minimization for solid-gas reactors with heat and mass transfer in a disc-shaped body [J]. Int. J. Heat Mass Tran., 2015, 89: 24-32.

[23] CHENG X, LIANG X. Entransy flux of thermal radiation and its application to enclosures with opaque surfaces [J]. Int. J. Heat Mass Tran., 2011, 54(1/2/3): 269-278.

[24] ÖZEL G, AÇIKKALP E, GÖRGÜN B,Optimum insulation thickness determination using the environmental and life cycle cost analyses based entransy approach [J]. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 2015, 11: 87-91.

[25] XU M T. Entransy dissipation theory and its application in heat transfer [M]// DOS SANTOS BERNARDES M A. Developments in Heat Transfer. Rijeka: The M. L. T. Press, 2011: 247-272.

[26] CHEN Q, LIANG X, GUO Z Y. Entransy — a novel theory in heat transfer analysis and optimization [M]// DOS SANTOS BERNARDES M A. Developments in Heat Transfer. Rijeka, Croatia: In Tech-Open Access Publisher, 2011: 349-372.

[27] LI Z, GUO Z Y. Optimization principles for heat convection [M]// WANG L Q. Advances in Transport Phenomena. Berlin: Springer-Verlag, 2011: 1-91.

[28] 陈林根. 火积理论及其应用的进展[J]. 科学通报, 2012, 57(30): 2815-2835. CHEN L G. Progress in entransy theory and its applications [J]. Chin. Sci. Bull., 2012, 57(30): 2815-2835.

[29] 赵甜, 陈群. 火积的宏观物理意义及其应用[J]. 物理学报, 2013, 62(23): 234401. ZHAO T, CHEN Q. Macroscopic physical meaning of entransy and its application [J]. Acta Phys. Sin., 2013, 62(23): 234401.

[30] 胡帼杰, 曹炳阳, 过增元. 系统的火积与可用火积[J]. 科学通报, 2011, 56(19): 1575-1577. HU G J, CAO B Y, GUO Z Y. Entransy and entropy revisited [J]. Chin. Sci. Bull., 2011, 56(19): 1575-1577.

[31] 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, 2007, 17(12): 1692-1698. ZHU H Y, CHEN Z J, GUO Z Y. Experimental study on electrothermal simulation of extremum principle of entransy dissipation [J]. Prog. Nat. Sci., 2007, 17(12): 1692-1698.

[32] 王松平, 陈清林, 张冰剑. 火积传递方程及其应用[J]. 科学通报, 2009, 54(15): 2247-2251. WANG S F, CHEN Q L, ZHANG B J. An equation of entransy transfer and its application [J]. Chin. Sci. Bull., 2009, 54(15): 2247-2251.

[33] BEJAN A. Advanced Engineering Thermodynamics [M]. New York: Wiley, 1988.

[34] 郭江峰. 换热器的热力学分析与优化设计[D]. 济南: 山东大学, 2011. GUO J F. Thermodynamic analysis and optimization design of heat exchanger [D]. Jinan: Shandong University, 2011.

[35] 郭江峰, 程林, 许明田. 火积耗散数及其应用[J]. 科学通报, 2009, 54(19): 2998-3002. GUO J F, CHENG L, XU M T. Entransy dissipation number and its application to heat exchanger performance evaluation [J]. Chin. Sci. Bull., 2009, 54(19): 2998-3002.

[36] 许明田, 程林, 郭江峰. 火积耗散理论在换热器设计中的应用[J]. 工程热物理学报, 2009, 30(12): 2090-2092. XU T M, CHENG L, GUO J F. An application of entransy dissipation theory to heat exchanger design [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2009, 30(12): 2090-2092.

[37] 宋伟明, 孟继安, 梁新刚, 等. 一维换热器中温差场均匀性原则的证明[J]. 化工学报, 2008, 59(10): 2460-2464. SONG W M, MENG J A, LIANG X G. Demonstration of uniformity principle of temperature difference field for one-dimensional heat exchanger [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2008, 59(10): 2460-2464.

[38] 郭江峰, 许明田, 程林. 换热器设计中的火积耗散均匀性原则[J]. 中国科学: 技术科学, 2010, 40(6): 671-676. GUO J F, XU M T, CHENG L. Principle of equipartition of entransy dissipation heat exchanger design [J]. Sci. China Tech. Sci., 2010, 40(6): 671-676.

[39] 刘明方. 热声热机换热器的特性研究[D]. 武汉: 武汉工程大学, 2012. LIU M F. Study on characteristics of oscillating heat exchanger in thermoacoustic engine [D].Wuhan: Wuhan Institute of Technology, 2012.

[40] 姚杰, 王景刚, 安迎超. 火积及其在优化矿井回风换热器中的应用[J]. 科技创新与应用, 2012, 12(23): 5. YAO J, WANG J G, AN Y C. Entransy and its application in the optimization of the mine return air heat exchanger [J]. Technology Innovation and Application, 2012, 12(23): 5.

[41] 夏少军, 陈林根, 戈延林. 热漏对换热器火积耗散最小化的影响[J]. 物理学报, 2014, 63(2): 020505. XIA S J, CHEN L G, GE Y L. Influence of heat leakage on entransy dissipation minimization of heat exchanger [J]. Acta Phys. Sin., 2014, 63(2): 020505.

[42] XU M T. The thermodynamic basis of entransy and entransy dissipation [J]. Energy, 2011, 36(7): 4272-4277.

[43] 程雪涛, 梁新刚, 徐向华. 火积的微观表述[J]. 物理学报, 2011, 60(6): 060512. CHENG X T, LIANG X G, XU X H. Microscopic expression of entransy [J]. Acta Phys. Sin., 2011, 60(6): 060512.

[44] 程雪涛, 梁新刚. 微观状态数与可用火积的关系[J]. 科学通报, 2012, 57(14): 1263-1269. CHENG X T, LIANG X G. Relationship between microstate number and available entransy [J]. Chin. Sci. Bull., 2012, 57(14): 1263-1269.

[45] 王文华, 程雪涛, 梁新刚. 火积耗散与热力学过程的不可逆性[J].科学通报, 2012, 57(26): 2537-2544. WANG W H, CHENG X T, LIANG X G. Entransy dissipation and irreversibility [J]. Chin. Sci. Bull., 2012, 57(26): 2537-2544.

[46] 程雪涛, 梁新刚. 火积理论在热功转换过程中的应用探讨[J]. 物理学报, 2014, 63(19): 32-39.CHENG X T, LIANG X G. Discussion on the application of entransy theory to heat-work conversion process [J]. Acta Phys. Sin., 2014, 63(19): 32-39.

[47] 陈则韶, 李川, 胡汉平, 等. 不可逆过程的有效能消耗率及不可逆度[J]. 工程热物理学报, 2014, 35(3): 411-415. CHEN Z S, LI C, HU H P,. The effective energy consumption rate and the degree of irreversible process of irreversible process [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2014, 35(3): 411-415.

[48] KIM H K, KIM K. Comparative analyses of energy-exergy-entransy for the optimization of heat-work conversion in power generation systems [J]. Int. J. Heat Mass Tran., 2015, 84(4): 80-90.

[49] 郭江峰, 许明田, 程林. 换热量和换热面积给定时的火积耗散最小原则[J]. 科学通报, 2010, 55(32): 3141-3148. GUO J F, XU M T, CHENG L. The entransy dissipation minimization principle under given heat duty and heat transfer area conditions [J]. Chin. Sci. Bull., 2010, 55(32): 3141-3148.

[50] 陈群, 许云超, 过增元. 传热学中的状态图及其应用[J]. 科学通报, 2012, 57(28): 2771-2777. CHEN Q, XU Y C, GUO Z Y. The property diagram in heat transfer and its applications [J]. Chin. Sci. Bull., 2012, 57(28): 2771-2777.

[51] WU J, GUO Z Y. Application of entransy analysis in self-heat recuperation technology [J]. Ind. Eng. Chem. Res., 2013, 53(3): 1274-1285.

[52] CHEN Q. Entransy dissipation-based thermal resistance method for heat exchanger performance design and optimization [J]. Int. J. Heat Mass Tran., 2013, 60(1): 156-162.

[53] 王怡飞, 陈群. 基于火积耗散热阻的换热器网络优化[J].化工学报, 2015, 66(S1): 272-276. WANG Y F, CHEN Q. An entransy dissipation resistance-based method for optimization of heat exchanger networks [J]. CIESC Journal, 2015, 66(S1): 272-276.

[54] XU Y C, CHEN Q, GUO Z Y. Entransy dissipation-based constraint for optimization of heat exchanger networks in thermal systems [J]. Energy, 2015, 86: 696-708.

[55] XU Y C, CHEN Q, GUO Z Y. Optimization of heat exchanger networks based on Lagrange multiplier method with the entransy balance equation as constraint [J]. Int. J. Heat Mass Tran., 2016, 95: 109-115.

[56] 朱宏晔. 基于火积耗散的最小热阻原理[D]. 北京: 清华大学, 2007. ZHU H Y. Minimum thermal resistance principle based on entransy dissipation theory [D]. Beijing: Tsinghua University, 2009.

[57] 陈群. 对流传递过程的不可逆性及其优化[D]. 北京: 清华大学, 2008. CHEN Q. Irreversibility and optimization of convective transport process [D]. Beijing: Tsinghua University, 2008.

[58] 柳雄斌. 换热器及散热通道网络热性能的火积分析[D]. 北京: 清华大学, 2009. LIU X B. Entransy analysis of thermal performance for heat exchangers and cooling channel networks [D]. Beijing: Tsinghua University, 2009.

[59] 魏曙寰. 热传导火积耗散率最小构形优化[D]. 武汉: 海军工程大学, 2009. WEI S H. Constructal optimization with minimum entransy dissipation rate in heat conduction [D]. Wuhan: Naval University of Engineering, 2009.

[60] 肖庆华. 基于火积耗散极值原理的传热传质构形优化研究[D]. 武汉: 海军工程大学, 2011. XIAO Q H. Constructal optimization of heat and mass transfer process based on the entransy dissipation extremum principle [D]. Wuhan: Naval University of Engineering, 2011.

[61] 夏少军. 不可逆过程和循环的广义热力学动态优化[D]. 武汉: 海军工程大学, 2012. XIA S J. Generalized thermodynamic optimization of irreversible processes and cycles [D]. Wuhan: Naval University of Engineering, 2012.

[62] ÇARPINLIOĞLU M Ö. A comment on the concept of entransy (exergy) for the performance assessment of a desiccant cooling system [J]. Energy and Buildings, 2015, 101: 163-167.

Progress and application of entransy theory in energy saving of chemical processes

XIA Li, FENG Yuanli, XIANG Shuguang

(Institute of Process Systems Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266042, Shandong, China)

The entransy principle and dissipation extremum have opened a new direction for energy saving in chemical process systems. Recent development of entransy theory was briefly discussed on definition, physical meaning and finding as a process parameter. Application of entransy theory in energy saving of chemical processes was summarized from several aspects, such as heat exchanger design, irreversibility of thermodynamics process and heat exchanger network synthesis. Scientific characteristics of entransy theory were explored through comparison of entropy generation rate and entransy dissipation rate as well as combination of entransy dissipation extremum principle to heat exchanger network synthesis.

entransy; extremum principle of entransy dissipation; process systems; thermodynamics process; entropy; heat exchanger network synthesis

date: 2016-09-12.

Prof. XIANG Shuguang, xsg@qust.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20161276

TQ 021.2

A

0438—1157（2016）12—4915—07

国家自然科学基金项目（21406124）。

supported by the National Natural Science Foundation of China (21406124).

2016-09-12收到初稿，2016-09-19收到修改稿。

联系人：项曙光。第一作者：夏力（1981—），男，博士，讲师。