吸收式热质耦合系统传热传质协同原理和优化方法研究

Research of absorption heat and mass transfer systems commonly applied to air handling and thermal energy storage fields is benefit to development of waste heat recovery technologies and efficient utilization of energy. This project first defines the heat transfer entransy and mass transfer entransy to describe the heat and mass transfer ability of working pairs in absorption heat and mass transfer processes, and illustrates the heat and mass transfer synergy mechanism and its impact on energy storage and transformation. Then, the project divides the property diagram of working pairs, describes different heat and mass transfer characteristics between them in each sub-zone, and proposes the zone division property diagram-based layout analysis method which favors the construction of different optimal layouts in different sub-zones. Finally, for typical absorption thermal system, the project analyzes thermodynamic process and coupled heat and mass transfer process based on thermodynamic analysis and entransy analysis, respectively, determines the internal relation between state parameters and structural and operating parameters of devices to establish the mathematical relationship of the user demands with design parameters, derives optimization equation groups focusing on different optimization problem and obtains the optimal allocations of system parameters to achieve global optimization of system. The project supplies the theoretical basis and optimization method to analyze, design and optimize absorption heat and mass transfer systems.

对广泛存在于空气处理、热能储存等领域的吸收式热质耦合系统的研究，有利于余热回收技术的发展和能源的高效利用。本项目首先分别针对以传热和以传质为目的的吸收式热质耦合过程定义描述工质（对）传热/质能力的传热/质火积，明确热质输运协同机理及其对不同能量存储、转化的作用机制。而后，对工质（对）状态图进行分区，明确不同区域内工质（对）传热传质特性，提出便于在不同优化目标下直观构建系统最优流程的状态分区图分析法。最后针对典型吸收式蓄能系统，采用热力学理论和火积理论分别描述系统中的热力学过程和热质耦合传递过程，确定各过程进出口状态参数与部件结构运行参数间的内在联系，建立不同系统设计需求与系统待设计参数间的直接数学关系，推导满足系统设计需求的优化方程组，获得最优的运行和结构参数分布，从而实现对系统参数的全局优化设计。本项目为吸收式热质耦合系统的分析、设计与优化提供了理论基础和优化方法。

耦合传热传质过程广泛存在于制冷通风、热量输运及能量存储等系统中。为明确其物理机理，本项目从机理、影响因素、优化原理等多方面进行了多维度地研究，建立了完整的分析和优化方法，为提高能源利用效率、设计高效系统提供理论支撑。项目研究首先从传热传质方程出发，将耦合传热传质过程等效为三股流传热模型并验证了模型的有效性，该模型清晰地揭示了传热与传质两种不同传递机理对于热量输运的协同影响，实现了传热和传质定性分析和定量计算的解耦。而后，基于导电、传热、传质三类物理现象的相似性，从系统能量输运的视角，将含有耦合传热传质的换热网络等效为由热动势、热阻等元件的组成的能量流模型。结合系统各部件的本构方程以及网络的拓扑关系，应用电路原理的基尔霍夫电流和电压定律建立能量系统结构与运行参数的线性方程组。该模型即可用于系统性能分析，同时结合拉格朗日乘子法实现了对间接蒸发冷却通风系统的全局优化设计。最后，考虑到含有热功转换过程的系统在能源系统中的重要地位，以有机朗肯循环（ORC）系统为研究对象，在传热能量流模型的基础上，考虑到系统热功转换和工质特性，引入了功源，建立了典型ORC系统的能量流模型，应用基尔霍夫定律给出了该系统的完整数学描述和优化方程，并以循环净功量和循环热效率为优化目标，通过多目标遗传算法对不同工况下的ORC系统进行了初始设计和运行优化。