热湿交叉现象广义场协同与热力学耦合机理研究

For heat and moisture crossover phenomena occurring in material drying and heat and moisture adjustment of air conditioning systems and other industrial applications, typical heat and moisture coupled transfer model proposed by Luikov and its various modified models are only applied to weakly nonlinear systems, and energy conversion mechanism is not hinted at them, therefore failing to give reasonable explanation for “ inverse transfer phenomenon” during  heat and moisture crossover process. From the phase relationship between generalized force and generalized flow in heat and moisture crossover phenomenon, on the basis of all phase entropy generation rate equation satisfied with the crossover phenomenon and the minimum entropy generation principle in the isolated system, this work is devoted to analyze the phase characteristics of energy transfer between two spontaneous processes during heat and moisture crossover transportation and reveal generalized field synergy mechanism ; and also analyze the phase characteristics of energy conversion between a spontaneous process and a nonspontaneous process and reveal generalized Carnot theorem and implicit thermodynamic coupling models equivalent to generalized heat engine model and generalized heat pump model. Finally the phase description is developed between generalized field synergy and thermodynamic coupling in heat and moisture crossover phenomenon,and thermodynamic analysis and explanation are given for various crossover processes , which provides theoretical for the calculation of the quantity of transfer and conversion .

对于物料干燥及空调系统热湿调节所存在的热湿交叉现象，典型的Luikov 热湿耦合传递模型及其各种修正形式，只适用于弱非线性系统，且由于没有蕴含能量的转换机制，对热湿交叉过程中的“逆迁移过程”不能给出合理解释。本项目拟从热湿交叉现象中广义力与广义流的相位关系出发，以热湿交叉现象所满足的全相位熵产率方程为基础，基于热湿交叉过程所构成孤立系统的熵产最小原理：① 分析热湿交叉输运过程中两个自发过程之间能量传递的相位特征，揭示两个自发过程之间的广义场协同机制;② 分析热湿交叉输运过程中自发过程与非自发过程之间能量转换的相位特征，揭示热湿交叉过程中的广义Carnot定理，及其蕴含的广义热机与广义热泵两种热力学耦合模型。最终建立起热湿交叉现象中广义场协同与热力学耦合的相位描述，并对其中的各种热湿交叉过程给出更加清晰的热力学分析和解释，为热湿交叉现象中传递量及转换量的计算建立理论模型。

对项目的背景、主要研究内容、重要结果、关键数据及其科学意义等做简单概述. 物料干燥及空调系统的热湿调节等工程问题中的热湿交叉现象，其本质是湿空气流动过程中的热湿传递及转换问题。基于线性非平衡态热力学理论，由Luikov所建立的热湿耦合传递模型，以及其后的各类修正形式，确立了热湿交叉现象研究的基本理论框架。这些模型虽然大体反映了热湿迁移过程中的交叉效应，但存在经典热力学的固有局限性:因为没有考虑孤立系统中非自发过程发生的可能性，所以对于湿分从低含湿量向高含湿量、热量从低温向高温传递的这些所谓的“逆向迁移过程”不能给出合理的解释。. 本项目从热湿交叉现象的宏观过程中广义力与广义流的相位关系出发，以热湿交叉现象所满足的全相位熵产率方程为基础，以热湿交叉过程所构成孤立系统中的熵产最小为必要条件，从全新的角度分析了热湿交叉过程中能量传递与转换的广义场协同与热力学耦合，尤其是揭示热湿交叉现象中“逆向迁移过程”发生的条件及其蕴含的热力学机制，从而为基于经典热力学的Luikov热湿耦合传递模型的改进提供理论依据。. 广义力与广义流之间的相位关系决定了孤立系统中既可能有自发过程，也可能有非自发过程，这是全相位熵产率方程与经典热力学中熵产率方程的根本区别，而这种广义力与广义流之间反相位所引起的非自发过程，正是Luikov热湿耦合传递模型中没法给出合理解释的所谓的“逆向迁移过程”，热力学耦合的本质是孤立系统内自发过程对非自发过程的驱动作用，热湿耦合传递模型中的“逆向迁移过程”正是熵产小于零的非自发过程。. 以热湿交叉现象中逆向迁移过程为研究对象，通过分析发现热湿交叉现象中传热过程与广义做功过程之间存在两种热力学耦合模式，一种为传热过程为自发过程广义做功过程为非自发过程的广义热机模型；一种为传热过程为非自发过程广义做功过程为自发过程的广义热泵模型，从而对Carnot定理给出了新的理解并拓展了其应用范围，从而揭示“逆向迁移过程”发生的条件及其热力学机制，为Luikov的热湿耦合传递模型的进一步改进提供理论依据。