時間：2023-03-20 16:16:36
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摘要：工程熱物理冰箱制冷劑理論循環(huán)分析CF3ICF3I/HC290
1引言
冰箱制冷劑CFC12的現(xiàn)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(huán)保和熱工性能方面存在缺陷[1,2,尋求新型環(huán)保節(jié)能的冰箱工質(zhì)仍是人們探究的方向。
三氟碘甲烷(CF3I)是作為哈龍?zhí)娲锒_發(fā)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(guān)CF3I的熱物性,只有文獻[3進行了較為系統(tǒng)的探究,目前還缺乏適用于汽液兩相區(qū)的狀態(tài)方程;CF3I在冰箱工況下的循環(huán)性能,還沒有被系統(tǒng)地分析。根據(jù)文獻[3的PVT實驗數(shù)據(jù),確定同時適用于CF3I汽液兩相的PT方程;并在此基礎(chǔ)上,對CF3I在冰箱工況下的循環(huán)性能進行系統(tǒng)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(huán)分析的工具
2.1PT狀態(tài)方程兩參數(shù)F、ζc的求解
式中,R為工質(zhì)的通用氣體常數(shù),Tr=T/Tc。確定PT狀態(tài)方程需要具體物質(zhì)的四個參數(shù)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(shù)據(jù)點(T、P、ρL)i(i=1,…,n;(2)假設(shè)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(shù)據(jù)點i的(T、P)i,由式(1)、(2)求出αi;(5)由n個數(shù)據(jù)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(jù)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(shù)據(jù)點的平均相對誤差；
(7)以一定的步長改變ζc,重復(fù)步驟(3)-(6)。選取最小EYL所對應(yīng)的ζc、F作為PT方程的參數(shù)。
文獻[3給出了CF3I在301K-Tc范圍內(nèi)的25個飽和液相密度點,其中3個數(shù)據(jù)點是為了確定臨界點而測的;把這3個數(shù)據(jù)點當作一個臨界點對待,選取其余22個數(shù)據(jù)點按照上面的步驟求解得到CF3I的F=0.6514、ζc=0.3105。
2.2PT狀態(tài)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(qū)PVT性質(zhì)進行了計算,并和文獻[3的實驗數(shù)據(jù)進行了對比。對比實驗數(shù)據(jù)為T%26lt;0.9Tc(即T%26lt;356.80K)范圍內(nèi)的13個飽和液相點、22個飽和蒸汽壓點和T%26lt;Tc內(nèi)77組氣相區(qū)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,飽和液密度、飽和蒸汽壓、氣相區(qū)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(shù)據(jù)點的個數(shù)。
冰箱的名義工況為蒸發(fā)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(qū)間?？梢?確定的適用于CF3I的PT方程,能夠用于對CF3I的冰箱循環(huán)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(zhì)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(shù)據(jù)來自ASHARE[8。
由圖1可見,在冰箱名義工況的溫度區(qū)間內(nèi),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(yōu)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(huán)性能分析
4.1冰箱名義工況
采用帶回熱的冰箱制冷循環(huán)模型,即用回熱器來實現(xiàn)工質(zhì)的過冷和過熱,并設(shè)工質(zhì)經(jīng)過回熱器換熱后節(jié)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(huán)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(shù),單位為J/(K·kg)。計算焓、熵的參考態(tài)為ASHRAE規(guī)定的-40℃的飽和液態(tài),參考態(tài)上h=0kJ/kg,s=0kJ/(kg·K)。
在冰箱名義工況下,設(shè)壓縮機的總效率為0.70,計算了幾種工質(zhì)的循環(huán)性能?；旌瞎べ|(zhì)的蒸發(fā)溫度取為蒸發(fā)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(jié)果見表1。表中MIX1、MIX2分別表示質(zhì)量百分比85/15、75/25的HFC152a/HCFC22。
觀察表1中各種工質(zhì)的性能參數(shù),在壓力水平方面,除了HC600a、HC290外,現(xiàn)有的幾種冰箱制冷劑的蒸發(fā)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(fā)器為微負壓,不利于系統(tǒng)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(yōu)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(huán)性能指標和CFC12相近,可以在對原有制冷系統(tǒng)稍作改動的基礎(chǔ)上,作為CFC12的灌注式替代物;(2)HC290和CF3I在循環(huán)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(huán)性能分析,一般包括COP、qv、tdisch、隨冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、回熱溫度的變化規(guī)律。相比之下,各性能指標隨回熱溫度的變化規(guī)律比隨蒸發(fā)溫度、冷凝溫度的變化規(guī)律更重要一些,這是因為冰箱的回熱器一般在環(huán)境中[1,回熱溫度的變化幅度、頻率要比蒸發(fā)溫度、冷凝溫度要大、要快。分析幾種制冷劑循環(huán)性能指標隨回熱溫度的變化規(guī)律,分析方法是固定蒸發(fā)溫度、冷凝溫度,變化回熱溫度,看性能指標的變化趨向。
結(jié)果如圖2-圖5所示。回熱溫度由0℃變化到50℃,幾種工質(zhì)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(zhì)的變化規(guī)律相似。隨著回熱溫度的升高,CF3I的tdisch增加速度比其它工質(zhì)快,這是不利于冰箱運行的。由于在計算中固定了蒸發(fā)溫度、冷凝溫度,所以對于純質(zhì)來說保持不變,而對于混合工質(zhì)來說,有稍微地上升。由圖還可以發(fā)現(xiàn),CF3I和HC290的循環(huán)性能指標分布在CFC12的兩側(cè)。
CF3I各項性能指標隨回熱溫度的變化所表現(xiàn)的規(guī)律和CFC12基本類似,數(shù)值幅度上的偏差也不太大。COP優(yōu)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(huán)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(huán)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(huán)性能。
計算工況、壓縮機總效率的選取同上。表2列出了循環(huán)性能計算結(jié)果。
由表1已經(jīng)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(yīng)該呈現(xiàn)增大的趨向,而∑、tdisch、COP應(yīng)該減小,這種規(guī)律在表2中得到了很好的體現(xiàn)。
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(huán)性能參數(shù)隨回熱溫度變化規(guī)律的計算。結(jié)果表明,混合物的循環(huán)性能和CFC12十分接近,從理論循環(huán)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(zhì)量百分比為89.2/10.8)的CF3I/HC290的計算結(jié)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(yīng)的質(zhì)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(tǒng)中,只要碳氫化合物的充灌量小于0.15kg,那么系統(tǒng)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(zhì)在應(yīng)用中的平安性是可以得到保證的。
6結(jié)論
(1)求得了適用于CF3I的PT方程,此狀態(tài)方程對于CF3I的熱力學性質(zhì)和循環(huán)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(fā)現(xiàn)CF3I的循環(huán)性能和CFC12相近。
(3)按照優(yōu)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(zhì),其循環(huán)性能和CFC12十分接近,可作為CFC12的灌注式替代物。
參考文獻
1何茂剛.三氟甲醚作為冰箱制冷劑的理論分析.李惠珍,李鐵辰等.西安交通大學學報,2003,37(1)摘要:10～14
2梁榮光.環(huán)保制冷劑CN-01的應(yīng)用.曾愷,簡棄非.制冷學報,2003,24(1)摘要:57～60
3段遠源.三氟碘甲烷和二氟甲烷的熱物理性質(zhì)探究摘要:[博士學位論文.北京摘要:清華大學,1998
4DoddD.E.etc.FundamentalandAppliedToxicology,1997,35摘要:64
5NavinC.PatelandAmynS.Teja.Anewcubicequationofstateforfluidsandfluidmixtures.ChemicalEngineeringScience,1982,37(3)摘要:463～473
6王建栓.碳氫化合物在家用小型制冷裝置中的替代探究摘要:[碩士學位論文.天津摘要:天津大學,2000
7劉志剛.CFCS替代工質(zhì)篩選的熱力學原則.傅秦生,焦平坤等.全國高等學校工程熱物理第四屆學術(shù)會議論文集,杭州摘要:浙江大學出版社,1992,73～76.
81993ASHRAEHANDBOOKFUNDAMENTALS,SIEdition,1993
摘要：通過對環(huán)保工質(zhì)三氟碘甲烷(CF3I)的飽和蒸汽壓曲線、冰箱名義工況和變工況下循環(huán)性能等三方面的理論分析，發(fā)現(xiàn)CF3I和CF3I的摩爾組成在50%-65%范圍的CF3I/HC290混合工質(zhì)，理論循環(huán)性能與CFC12接近，具有作為冰箱中CFC12灌注式替代物的潛力。
關(guān)鍵詞：工程熱物理 冰箱制冷劑 理論循環(huán)分析 CF3I CF3I/HC290
1 引言
冰箱制冷劑CFC12的現(xiàn)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(huán)保和熱工性能方面存在缺陷[1，2]，尋求新型環(huán)保節(jié)能的冰箱工質(zhì)仍是人們研究的方向。
三氟碘甲烷(CF3I)是作為哈龍?zhí)娲锒_發(fā)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]，飽和蒸汽壓曲線與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])。關(guān)于CF3I的熱物性，只有文獻[3]進行了較為系統(tǒng)的研究，目前還缺乏適用于汽液兩相區(qū)的狀態(tài)方程;CF3I在冰箱工況下的循環(huán)性能，還沒有被系統(tǒng)地分析。根據(jù)文獻[3]的PVT實驗數(shù)據(jù)，確定同時適用于CF3I汽液兩相的PT方程;并在此基礎(chǔ)上，對CF3I在冰箱工況下的循環(huán)性能進行系統(tǒng)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(huán)分析的工具
2.1 PT狀態(tài)方程兩參數(shù)F、ζc的求解
PT狀態(tài)方程[5]的具體形式為:
而是方程(8) 的最小正根。
式中，R為工質(zhì)的通用氣體常數(shù)，Tr=T/Tc。確定PT狀態(tài)方程需要具體物質(zhì)的四個參數(shù):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:(1)選取n個飽和液相數(shù)據(jù)點(T、P、ρL)i (i=1，…，n);(2)假設(shè)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;
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(shù)據(jù)點的個數(shù)。
冰箱的名義工況為蒸發(fā)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(qū)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(huán)性能分析計算，而且精度良好。
3 CF3I蒸汽壓曲線的分析
從熱力學角度看，替代制冷劑最好具有與原制冷劑相似的蒸汽壓曲線[7]。圖1為幾種工質(zhì)的蒸汽壓對比，其中CF3I的蒸汽壓方程為[3]
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(shù)據(jù)來自ASHARE[8]。
由圖1可見，在冰箱名義工況的溫度區(qū)間內(nèi)，HFC152a/HCFC22、HFC134a的蒸汽壓曲線與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與CFC12之間，在冰箱名義工況下與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(yōu)勢互補原則選擇HC290與CF3I組成混合物，灌注式替代CFC12的效果可能會更好。
4 CF3I作為冰箱制冷劑的循環(huán)性能分析
4.1 冰箱名義工況
采用帶回熱的冰箱制冷循環(huán)模型，即用回熱器來實現(xiàn)工質(zhì)的過冷和過熱，并設(shè)工質(zhì)經(jīng)過回熱器換熱后節(jié)流前的溫度與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(huán)性能所需的理想氣體比熱式[3]為:
式中T的單位為K，R為CF3I的氣體常數(shù)，單位為J/(K·kg)。計算焓、熵的參考態(tài)為ASHRAE規(guī)定的-40℃的飽和液態(tài)，參考態(tài)上h=0kJ/kg，s=0kJ/(kg·K)。
在冰箱名義工況下，設(shè)壓縮機的總效率為0. 70，計算了幾種工質(zhì)的循環(huán)性能。混合工質(zhì)的蒸發(fā)溫度取為蒸發(fā)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(jié)果見表1。表中MIX1、MIX2分別表示質(zhì)量百分比85/15、75/25的HFC152a/HCFC22。
觀察表1中各種工質(zhì)的性能參數(shù)，在壓力水平方面，除了HC600a、HC290外，現(xiàn)有的幾種冰箱制冷劑的蒸發(fā)壓力Pevap、冷凝壓力Pcond與CFC12都很接近。CF3I的壓力水平與CFC12有一定偏差，其Pevap略低于大氣壓，蒸發(fā)器為微負壓，不利于系統(tǒng)運行。CF3I的壓比與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;但與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(yōu)勢，而HC290是最低的。通過以上的比較可以看出:(1)CF3I的循環(huán)性能指標與CFC12相近，可以在對原有制冷系統(tǒng)稍作改動的基礎(chǔ)上，作為CFC12的灌注式替代物;(2)HC290與CF3I在循環(huán)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。轉(zhuǎn)貼于
4.2 變工況
變工況循環(huán)性能分析，一般包括COP、qv、tdisch、隨冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、回熱溫度的變化規(guī)律。相比之下，各性能指標隨回熱溫度的變化規(guī)律比隨蒸發(fā)溫度、冷凝溫度的變化規(guī)律更重要一些，這是因為冰箱的回熱器一般裸露在環(huán)境中[1]，回熱溫度的變化幅度、頻率要比蒸發(fā)溫度、冷凝溫度要大、要快。分析幾種制冷劑循環(huán)性能指標隨回熱溫度的變化規(guī)律，分析方法是固定蒸發(fā)溫度、冷凝溫度，變化回熱溫度，看性能指標的變化趨勢。
結(jié)果如圖2-圖5所示?；責釡囟扔?℃變化到50℃，幾種工質(zhì)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(zhì)的變化規(guī)律相似。隨著回熱溫度的升高，CF3I的tdisch增加速度比其它工質(zhì)快，這是不利于冰箱運行的。由于在計算中固定了蒸發(fā)溫度、冷凝溫度，所以對于純質(zhì)來說保持不變，而對于混合工質(zhì)來說，有輕微地上升。由圖還可以發(fā)現(xiàn)，CF3I與HC290的循環(huán)性能指標分布在CFC12的兩側(cè)。
CF3I各項性能指標隨回熱溫度的變化所表現(xiàn)的規(guī)律與CFC12基本類似，數(shù)值幅度上的偏差也不太大。COP優(yōu)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。
5 CF3I/HC290混合物作為冰箱制冷劑的循環(huán)性能分析
5.1 冰箱名義工況
由以上分析可知，CF3I與HC290的循環(huán)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(huán)性能。
計算工況、壓縮機總效率的選取同上。表2列出了循環(huán)性能計算結(jié)果。
由表1已經(jīng)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(yīng)該呈現(xiàn)增大的趨勢，而∑、tdisch、COP應(yīng)該減小，這種規(guī)律在表2中得到了很好的體現(xiàn)。
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與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(huán)性能參數(shù)隨回熱溫度變化規(guī)律的計算。結(jié)果表明，混合物的循環(huán)性能與CFC12十分接近，從理論循環(huán)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(zhì)量百分比為89.2/10.8)的CF3I/HC290的計算結(jié)果，其它3種配比下CF3I/HC290混合物的性能也與之相近。
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(yīng)的質(zhì)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(tǒng)中，只要碳氫化合物的充灌量小于0.15kg，那么系統(tǒng)就是安全的。因此，CF3I的摩爾組成在50%～65%范圍的CF3I/HC290混合工質(zhì)在應(yīng)用中的安全性是可以得到保證的。
6 結(jié)論
(1)求得了適用于CF3I的PT方程，此狀態(tài)方程對于CF3I的熱力學性質(zhì)和循環(huán)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(fā)現(xiàn)CF3I的循環(huán)性能與CFC12相近。
(3)按照優(yōu)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(zhì)，其循環(huán)性能與CFC12十分接近，可作為CFC12的灌注式替代物。
參考文獻
1 何茂剛.三氟甲醚作為冰箱制冷劑的理論分析.李惠珍，李鐵辰等.西安交通大學學報，2003，37(1):10～14
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8 1993ASHRAEHANDBOOKFUNDAMENTALS，SIEdition，1993
關(guān)鍵詞：留學；日本；動力工程及工程熱物理；機械理工學；培養(yǎng)方案
中圖分類號：G643 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）29-0008-02
從1872年中國近代走出第一名留學生容閎以來，我國的出國留學事業(yè)已經(jīng)走過多個歷史階段。進入21世紀后，我國自費出國留學人數(shù)激增，興起留學的熱潮。因地理位置的相近與文化的相似，赴日留學逐漸成為很多學生的選擇。另外，日本為全面加入到全球化人才爭奪戰(zhàn)而積極地調(diào)整留學政策，在2008年提出接收“留學生30”，更使日本成為中國留學生的首選國之一。[1]
在日本，研究生院被稱為大學院，碩士研究生則稱作大學院生。大學院生畢業(yè)將被授予修士學位，等同于我國碩士學位。特別要說明的是，研究生或特別研究生在日本是期望在大學研究機構(gòu)中針對相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域繼續(xù)深造的入學者，學習期滿后將不被授予學位。京都大學（Kyoto University）是日本一所國立研究型綜合大學，在日本國內(nèi)大學綜合排名中排位第二，僅次于東京大學。其大學院18個研究科中的工學研究科包含社會基礎(chǔ)工學、建筑學、機械理工學、航空宇宙工學等17個專業(yè)。其中機械理工學專業(yè)下又分有機械系統(tǒng)創(chuàng)成學、流體理工學、物性工學、機械力學等8個研究室。物性工學研究室中的熱物理工學方向、機械系統(tǒng)創(chuàng)成學研究室的機械系統(tǒng)創(chuàng)成學方向以及流體理工學研究室的分子流體力學方向等多個研究方向與北京工業(yè)大學動力工程及工程熱物理專業(yè)的研究方向相似，故本文以北京工業(yè)大學動力工程及工程熱物理專業(yè)與京都大學機械理工學專業(yè)為例，分析對比各自在碩士研究生階段的培養(yǎng)方案，希望對將來有留學日本意向的學生起到參考作用。
一、中日兩國碩士研究生培養(yǎng)方案的比較
1.培養(yǎng)目標
北京工業(yè)大學的碩士研究生階段分別設(shè)置有學術(shù)學位碩士研究生（簡稱學碩）和專業(yè)學位碩士研究生（簡稱專碩）。它們雖處于同一層次，但在培養(yǎng)規(guī)格上各有側(cè)重點。專業(yè)學位碩士研究生的專業(yè)名稱雖為動力工程專業(yè)，但其研究方向與動力工程及工程熱物理專業(yè)相同，故本文視其為同一專業(yè)的另一種培養(yǎng)方案。
從培養(yǎng)目標上來看，學術(shù)學位碩士研究生的動力工程及工程熱物理專業(yè)側(cè)重培養(yǎng)滿足科研、教學、設(shè)計、工程設(shè)計等各方面需求的高層次應(yīng)用型人才，要求兼有扎實的專業(yè)知識和合格的實踐與創(chuàng)新能力。在培養(yǎng)目標中不僅對學科領(lǐng)域的學習成果做出要求，在道德素質(zhì)與文化素質(zhì)上也有著較高的期望。專業(yè)學位碩士的培養(yǎng)目標成為專業(yè)領(lǐng)域高層次應(yīng)用型的專門人才，要求基礎(chǔ)扎實、實踐能力強且具有一定的創(chuàng)新能力。
京都大學的機械理工學專業(yè)的培養(yǎng)目標是培養(yǎng)擁有克服有挑戰(zhàn)性研究課題能力，具有領(lǐng)導(dǎo)能力的技術(shù)人才和研究人才。在京都大學該專業(yè)教育目標別提到了期望學生能夠利用所學知識努力回饋社會。
對比兩所大學的培養(yǎng)目標，可看出北京工業(yè)大學的學術(shù)學位碩士研究生偏重科研，專業(yè)學位碩士研究生偏重工程實踐，而京都大學在科研與工程實踐間并沒有明確的偏重。國內(nèi)高校近年學術(shù)道德問題頻出，研究生教育不僅要達到學術(shù)的標準，更要注重個人的學術(shù)道德與學術(shù)規(guī)范。所以將德才兼?zhèn)鋵懭肱囵B(yǎng)目標有著深遠的意義。[2]將回饋社會寫入培養(yǎng)目標對日本本國來說是為了維持產(chǎn)業(yè)活力以解決少子化帶來的人才匱乏，對于留學生則是為了提高日本的國際威望，為日本在國際人才爭奪中取得優(yōu)勢。[1]
2.學制與課程設(shè)置
現(xiàn)在日本的大學課程設(shè)置制度是根據(jù)1991年7月正式實施的新《大學設(shè)置基準》制定而成的。其中提到，在符合國家最基本課程設(shè)置要求下，各個大學可以基于學校特點制定其辦學方針與教學思想，并且可自主進行課程設(shè)置。[3]所以京都大學的課程設(shè)置在個別課程上和其他日本大學會有不同，但在實現(xiàn)相應(yīng)學位的教育目的上是相同的。
北京工業(yè)大學此專業(yè)學術(shù)學位碩士課程分為學位課、選修課與學術(shù)活動，研究生需要修滿至少26學分。專業(yè)學位碩士課程分為基礎(chǔ)知識、專業(yè)知識、工程知識、綜合素養(yǎng)、實踐訓練共5個模塊，研究生需要修滿至少32學分。在課程設(shè)置上學碩與專碩大致相同，區(qū)別在于專碩課程中增加了科技文獻檢索、六西格瑪管理、工程倫理案例分析等工程綜合素養(yǎng)課程與總計1年的校內(nèi)外實踐訓練環(huán)節(jié)。從圖1中可看專碩在各模塊中所分配必修學分較平均，使其在理論知識與工程實踐兩方面得到平衡。京都大學機械理工學修士課程包含基礎(chǔ)科目、發(fā)展科目與實習科目，大學院生至少需要修滿30學分。
表1 京都大學機械理工學專業(yè)與北京工業(yè)大學動力工程及工程熱物理專業(yè)的課程設(shè)置
從圖1中可以看出，京都大學的必修學分配比相對北京工業(yè)大學的學碩更平均。如上文訴述京都大學機械理工學專業(yè)涵蓋的研究方向眾多，所以基礎(chǔ)科目需要兼顧各研究方向。學生需根據(jù)各研究室研究題目在發(fā)展科目中學習相應(yīng)內(nèi)容。其次，如表1所示日本高校和國內(nèi)的專碩課程同樣重視實踐訓練環(huán)節(jié)。在圖1中也可以看到京都大學的實踐環(huán)節(jié)必修學分占到總學分的近三分之一。北京工業(yè)大學動力工程及工程熱物理專業(yè)的研究方向集中，在課程中設(shè)置了更多針對本專業(yè)研究方向的課程。國內(nèi)的學碩課程雖然也有實踐訓練課程的設(shè)置，但更注重科研方面。另外，受到國情的影響，國內(nèi)必修課程中均含有思想政治、哲學和英語課程。京都大學工學研究科為深化專業(yè)教育與拓寬工程技術(shù)相關(guān)知識的學習，面向全體學生設(shè)有選修的共通科目，如表2所示，其中大多為英語課程。面向留學生還開設(shè)有輔導(dǎo)日本語的專項課程。
表2 工學研究科共通科目
北京工業(yè)大學動力工程及工程熱物理專業(yè)的碩士研究生學制均為3年，學習年限2.5-3年。京都大學機械理工學專業(yè)的學習年限為2年，在研究和學習中有出色進展者可以縮短修業(yè)時間。日本大學大學院中普遍采用2年學制，與國內(nèi)相比縮短了學習年限，但必修學分卻與國內(nèi)大致相同。雖然中日兩國1學分對應(yīng)學時數(shù)略有差異，但也不難得出日本大學院課程與國內(nèi)相比并不輕松的結(jié)論。
3.招生要求
日本申請修士課程與國內(nèi)一樣需要相應(yīng)的學歷證明，并且報考大學院留學需要提交自己的研究計劃，明確自己希望研究的課題?？梢詤⒖枷嚓P(guān)的學術(shù)論文來確定自己的研究課題。在確定了自己的研究課題之后，需要撰寫研究計劃書。在申請之前，需要與目標導(dǎo)師取得聯(lián)系，進行溝通，在獲得內(nèi)諾之后申請入學。
成為大學院生與國內(nèi)一樣要經(jīng)過大學院生錄取考試。以京都大學機械理工學為例，設(shè)有筆試和面試。筆試有數(shù)學、機械力學和專業(yè)科目三門考試。另外，英語也作為考核的科目之一，非英語母語的考生需要提供TOEFL或TOEIC成績，成績優(yōu)秀者可抵作英語筆試成績。
二、結(jié)論與討論
綜上所述，國內(nèi)大學大多設(shè)有學術(shù)學位碩士研究生和專業(yè)學位碩士研究生，而日本大學中只有大學院生。從培養(yǎng)目標來看，中日大學均以培養(yǎng)具備各方面能力的高層次應(yīng)用型人才為目的，但從京都大學的培養(yǎng)目標中可以看出，相比國內(nèi)日本大學更注重所培養(yǎng)人才對社會、對環(huán)境的意義和對國際化人才的培養(yǎng)。在課程設(shè)置方面，相比國內(nèi)日本大學一方面在同一專業(yè)下涵蓋更多的研究方向，另一方面日本大學在課程設(shè)置上具有一定的自主性，所以學生在選課時具有更多的選擇余地。日本在招生方式上更加靈活，有意留學日本的同學在取得必要資質(zhì)的同時，也要與研究室導(dǎo)師取得聯(lián)系，進行良好的溝通。
參考文獻：
[1]王磊.日本“留學生30”的背景、問題與展望[J].淮北師范大學學報：哲學社會科學版，2012，33（2）：128.
關(guān)鍵詞：門窗玻璃；熱物性參數(shù)；實驗室測試；穩(wěn)態(tài)法；非穩(wěn)態(tài)熱帶法
門窗是影響建筑節(jié)能水平的重要組成部分之一，也是建筑圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能、保溫或隔熱中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其傳熱性能對于改善建筑室內(nèi)環(huán)境，控制能耗至關(guān)重要，從而對其傳熱性能檢測一直是研究熱點之一?？傮w上門窗玻璃傳熱性能檢測分節(jié)能現(xiàn)場檢測和實驗室測試兩種。其中實驗室檢測作為玻璃質(zhì)量監(jiān)督監(jiān)測的主要手段，我國1997年就制定了JC/T675-1997《玻璃導(dǎo)熱系數(shù)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(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。如金太權(quán)基于單向穩(wěn)態(tài)熱流法測石英玻璃導(dǎo)熱系數(shù)[2]，并建立了實驗測試系統(tǒng)；劉海增以紅外燈為加熱熱源，基于傅立葉導(dǎo)熱定律和牛頓冷卻定律，測玻璃鋼板導(dǎo)熱系數(shù)[3]；周菁華則基于穩(wěn)態(tài)法原理對節(jié)能玻璃導(dǎo)熱系數(shù)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(xiàn)，比熱容逐漸成為玻璃的重要性能指標之一，針對此非穩(wěn)態(tài)平面熱源法在玻璃熱物性測試中得到了應(yīng)用，其優(yōu)點是測試時間短，對實驗環(huán)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(wěn)態(tài)法測試原理
穩(wěn)態(tài)法分穩(wěn)態(tài)護板法和穩(wěn)態(tài)圓筒法等，針對玻璃的物理特征及應(yīng)用特點此處特指穩(wěn)態(tài)護板法（如圖1所示）。穩(wěn)態(tài)法原理上基于傅立葉定律，僅能獲取材料導(dǎo)熱系數(shù)。
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(cè)分別設(shè)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(nèi)往往設(shè)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(xiàn)。理想情況下，主熱板熱量均勻恒定的向兩側(cè)試樣流出，則被測試樣的導(dǎo)熱系數(shù)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(wěn)態(tài)法測試時間較長，且對實驗環(huán)境有較高要求，但其原理簡單，JC/T675-1997《玻璃導(dǎo)熱系數(shù)試驗方法》國家標準即基于穩(wěn)態(tài)法測試原理。
2. 非穩(wěn)態(tài)法測試原理
針對穩(wěn)態(tài)法測試時間長，對實驗環(huán)境要求高的缺點，近年來非穩(wěn)態(tài)法在材料熱物性測試中得到了廣泛應(yīng)用看，其中適用于玻璃熱物性測試的有非穩(wěn)態(tài)平面熱源法、非穩(wěn)態(tài)熱帶法、非穩(wěn)態(tài)熱線法等。
2.1 非穩(wěn)態(tài)平面熱源法
與傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)法原理上只能測玻璃導(dǎo)熱系數(shù)相比，可實現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴散率的同時測定，其原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 物理模型
設(shè)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(nèi)的溫度變化分別可歸結(jié)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(dǎo)熱系數(shù)，而熱擴散率Z=d/（jCp）。
在上述定解問題的基礎(chǔ)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(dǎo)熱系數(shù)較大的材料熱物性測量，而脈沖法適用于導(dǎo)熱性能差的絕熱保溫材料等[5]。根據(jù)門窗玻璃的熱物性參數(shù)參考范圍，應(yīng)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(wěn)態(tài)熱線法
設(shè)在固體介質(zhì)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(gòu)成一個無限長圓柱導(dǎo)熱模型。當熱線以恒定熱流持續(xù)加熱時，如已知熱線上通過的電流 及其電阻 ，其單位長度發(fā)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(jù)此可以得到被測試樣的導(dǎo)熱系數(shù) d
式（4）即交叉熱線法測導(dǎo)熱系數(shù)的理論公式。
利用熱線上的溫升數(shù)據(jù)結(jié)合交叉熱線法測得松散煤體導(dǎo)熱系數(shù) ，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(fā)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(xù)向冷面?zhèn)鞑?，同時熱面溫度下降，至時刻t2，導(dǎo)熱系數(shù) 可用下式計算：
= （7）
式（10）中包含有無窮級數(shù)，參照文獻[1]提供的煤樣熱物性數(shù)據(jù)，經(jīng)實驗，該級數(shù)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(tǒng)方法是無法求解的，只能通過如對分法等近似數(shù)值解法編程求解，從而對于某一特定時刻 可求得對應(yīng)的熱擴散率a 值，對應(yīng)若干個時刻將計算得一組 a值，取加權(quán)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(jù)下式算得：
Cp= /（ a） （12）
2.3 非穩(wěn)態(tài)熱帶法
熱帶法原理與熱線法類似，區(qū)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(yīng)，并繪制曲線，根據(jù)被測材料熱物理參數(shù)與溫度變化間關(guān)系的理論公式，可測得其導(dǎo)熱系數(shù)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(zhì)是純鉑，其它已知電阻溫度系數(shù)的性能穩(wěn)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(yīng)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(shù)；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(yīng)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(shù)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(dǎo)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(shù)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(wěn)態(tài)法及非穩(wěn)態(tài)法均在玻璃熱物性測試中得到了應(yīng)用。目前針對玻璃熱物性測試的主要有穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)平面熱源法，實際使用過程中均存在一定的優(yōu)缺點。
3.1 穩(wěn)態(tài)法
穩(wěn)態(tài)法具有原理簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，在固體材料熱物性測試得到了廣泛應(yīng)用，玻璃導(dǎo)熱系數(shù)測試國家標準就是基于此撰寫的。但穩(wěn)態(tài)法測試時間長且對實驗環(huán)境要求較高，例如要求保證試件側(cè)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(cè)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(cè)向絕熱條件對玻璃內(nèi)的溫度變化影響是明星的，如圖（a）和（b）所示，分別為側(cè)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(nèi)的穩(wěn)態(tài)溫度場分布，可以看出區(qū)別明顯。側(cè)向不絕熱時，玻璃側(cè)向存在熱傳遞過程，溫度場受側(cè)向熱流影響明顯。而側(cè)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(wěn)態(tài)法原理測玻璃導(dǎo)熱系數(shù)時，側(cè)向絕熱條件直接影響測試精度。
（a） 側(cè)向不絕熱時玻璃內(nèi)的溫度場分布
（b） 側(cè)向絕熱時玻璃內(nèi)的溫度場分布
圖3 側(cè)向絕熱條件對玻璃內(nèi)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(wěn)態(tài)法也僅能測玻璃導(dǎo)熱系數(shù)，可測參數(shù)單一，從而一定程度上限值了其推廣。
3.2 非穩(wěn)態(tài)平面熱源法
針對穩(wěn)態(tài)法存在的問題，近年來非穩(wěn)態(tài)平面熱源法在玻璃熱物性測試中得到應(yīng)用，如圖4所示為某公司基于脈沖法和恒流法原理設(shè)計生產(chǎn)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(wěn)態(tài)平面熱源法熱物性測試系統(tǒng)
平面熱源法原理公式假設(shè)設(shè)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(nèi)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(nèi)（導(dǎo)熱系數(shù) 為0.7695）的溫度變化情況。面熱源加熱功率50w/m，參照有關(guān)資料接觸熱阻設(shè)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(cè)向絕熱條件對玻璃內(nèi)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(nèi)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(shù)測試精度的影響是不可忽視的。
4. 發(fā)展趨勢
隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，物理參數(shù)自動測試、處理進而得到被測材料的熱物性參數(shù)已成為現(xiàn)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(shù)測試精度。針對門窗玻璃熱物性測試需求，穩(wěn)態(tài)法在原理上僅能獲取導(dǎo)熱系數(shù)，已無法適應(yīng)現(xiàn)代門窗玻璃質(zhì)量監(jiān)督檢驗要求，能夠同時測玻璃導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴散率的非穩(wěn)態(tài)法將成為發(fā)展趨勢。而隨著建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)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(shù)測試精度和尋求新的測試技術(shù)將是進一步提高玻璃熱物性參數(shù)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(shù)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(shù)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(yīng)用于玻璃熱物性測試的穩(wěn)態(tài)法與非穩(wěn)態(tài)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用。熱帶法使用范圍廣泛，不僅可測液體、松散材料、多孔介質(zhì)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(tài)。而與平面熱源法相比，熱帶夾持在被測試件中間，受側(cè)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(dǎo)熱系數(shù)，同時熱擴散率的測量結(jié)果也較為準確。設(shè)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(zhì)量監(jiān)督局科技計劃項目資助。
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執(zhí)著創(chuàng)新
現(xiàn)任天津大學教授、博士生導(dǎo)師及內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室副主任的姚春德有著豐富的研究經(jīng)歷和實踐經(jīng)驗。他于1993—1994年赴德國亞琛工業(yè)大學師拜國際著名的內(nèi)燃機專家皮辛格教授進修學習柴油機高效、低污染燃燒技術(shù)，并于1995年赴美國威斯康星州先進發(fā)動機技術(shù)發(fā)展公司工作一年。
多年來，姚春德一直從事內(nèi)燃機燃燒基礎(chǔ)理論和內(nèi)燃機新燃料方面的研究，研究領(lǐng)域覆蓋發(fā)動機設(shè)計、排放控制、節(jié)油添加劑、燃燒化學反應(yīng)動力學、多元燃料燃燒理論和技術(shù)等諸多內(nèi)容。
近年，姚春德針對柴油緊缺而開展的柴油機應(yīng)用替代燃料的研究，已取得突破性進展。眾所周知，我國的石油需求量大，但資源卻不豐富，每年內(nèi)燃機需要消耗大量石油燃料，為此我國的進口石油量逐年遞增，這給經(jīng)濟發(fā)展帶來了極大壓力。為了能緩解石油緊張的局面，尋找合適的內(nèi)燃機替代燃料，已成為業(yè)界一個急需解決的難題。經(jīng)過反復(fù)比較分析，姚春德選擇了甲醇作為重要突破口。之所以選擇甲醇，按姚春德自己的解釋是：一方面甲醇的生產(chǎn)技術(shù)成熟，產(chǎn)能高，此外，甲醇的生產(chǎn)資源廣泛，煤炭、天然氣、生物質(zhì)、焦爐氣都可以用于生產(chǎn)，而我國也是煤炭資源豐富的國家。可以說，選擇甲醇就為內(nèi)燃機燃料，將為我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。
然而，甲醇的特性決定了其一般不能用于柴油機，如何用到柴油機上目前尚是一個科學難題。為此，姚春德經(jīng)過十余年的艱苦努力，終于在柴油機應(yīng)用甲醇燃料的技術(shù)方面取得了突破。他提出了柴油／甲醇二元燃燒理論，發(fā)明了柴油／甲醇組合燃燒的方法，實現(xiàn)了在柴油車中可用甲醇替代30％的柴油，燃料效率提高10％以上的目標，最終使甲醇成功應(yīng)用于柴油機上。目前，該方法已通過在發(fā)動機臺架和整車道路方面的試驗，并被工信部指定為柴油機應(yīng)用甲醇燃料的唯一方式。
碩果累累
現(xiàn)今，在低碳、節(jié)能的大背景下，我們完全有理由相信，甲醇／柴油組合燃燒方法的推廣應(yīng)用，不僅可以大幅度提高燃料的經(jīng)濟性，提升發(fā)動機的排放品質(zhì)，同時對增加國家石油能源安全，改變依賴石油大量進口的被動局面和減少二氧化碳排放都將起到重要的作用。
正是在這種社會價值的追求中，姚春德實現(xiàn)了自己的人生價值。除了本職工作外，他還兼任中國工程熱物理學會常務(wù)理事，中國汽車工程學會理事和特聘專家，中國內(nèi)燃機學會中小功率柴油機分會副主任，《工程熱物理學報》編委，《燃燒科學與技術(shù)》、《汽車安全與節(jié)能學報》、《小型內(nèi)燃機與摩托車》等刊物編委，《Applied Thermo Energy》、《Energy and Fuel》等國際刊物的論文評審專家。
【關(guān)鍵詞】全日制 石油與天然氣工程專業(yè) 專業(yè)學位研究生 聯(lián)合培養(yǎng)
聯(lián)合培養(yǎng)是近年來教育部大力倡導(dǎo)的研究生培養(yǎng)模式，是一種以提升研究生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力為重點的一種新的研究生教育制度和培養(yǎng)模式[1]。為了實施和完善東北石油大學全日制專業(yè)學位碩士研究生培養(yǎng)模式的轉(zhuǎn)變，結(jié)合自身學科的專業(yè)特點與學科優(yōu)勢，為穩(wěn)定和提高碩士研究生的培養(yǎng)質(zhì)量，使畢業(yè)生基本掌握本學科堅實寬廣的基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)深入的專業(yè)知識，具有從事科學研究工作的能力，使之成為石油與天然氣工程專業(yè)具有工程實踐能力、知識轉(zhuǎn)移能力、技術(shù)整合能力、市場推廣能力的科技創(chuàng)尖人才，東北石油大學石油工程學院努力探索出跨學院、跨企業(yè)的“兩跨”深度合作全日制專業(yè)學位碩士研究生培養(yǎng)模式。
1 構(gòu)建全日制石油與天然氣工程專業(yè)學位研究生培養(yǎng)模式
1.1 跨學院聯(lián)合培養(yǎng)
為了加強石油與天然氣工程專業(yè)學位研究生綜合素質(zhì)和實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，全面提高培養(yǎng)質(zhì)量，東北石油大學石油工程學院、土木建筑工程學院、機械科學與工程學院三個學院開展了跨學院聯(lián)合培養(yǎng)全日制石油與天然氣工程專業(yè)學位研究生培養(yǎng)模式的改革與實踐。通過調(diào)研各學院各專業(yè)的研究方向，以把握石油與天然氣工程學科內(nèi)涵為核心，以油氣田開發(fā)工程、油氣井工程、油氣儲運工程等方向為宗旨，尋找其與工程熱物理、機械工程學科等的知識交叉點和問題突破口，凝練突出學科特色、體現(xiàn)學科水平，保障跨學院聯(lián)合培養(yǎng)全日制石油與天然氣工程專業(yè)學位研究生的順利開展。
1.2 跨企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)
跨企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)是學校通過參與企業(yè)的合作，避免自身的科研工作成為無源之水、無本之木，促進科研成果的轉(zhuǎn)化，不但提高了研究生的專業(yè)知識水平和科研能力，而且提高了企業(yè)的競爭力，為企業(yè)儲備優(yōu)秀人才提供便利，實現(xiàn)企業(yè)、學校、學生各方“多贏”的一種人才培養(yǎng)模式。東北石油大學工程學院與大慶油田、吉林油田科研院所及生產(chǎn)單位結(jié)合，建立了跨企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)模式，即由校內(nèi)具有工程實踐經(jīng)驗的導(dǎo)師與經(jīng)企業(yè)單位推薦的業(yè)務(wù)水平高，責任心強，具有高級技術(shù)職稱的人員聯(lián)合指導(dǎo)研究生，來自企業(yè)的導(dǎo)師由學校按程序辦理聘任手續(xù)。
1.3確定聯(lián)合培養(yǎng)的導(dǎo)師隊伍
由石油工程學院牽頭，協(xié)同相關(guān)院系相關(guān)企業(yè)組成跨學院跨企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)石油與天然氣工程全日制專業(yè)學位碩士研究生的管理小組，研究制定研究生指導(dǎo)教師篩選原則與標準，建成在石油與天然氣工程領(lǐng)域具有較好科研基礎(chǔ)和科研成果的導(dǎo)師隊伍。定期聘請現(xiàn)場有科研、生產(chǎn)經(jīng)驗的研究人員為專業(yè)學位研究生開設(shè)課程與講座，增強學生的專業(yè)實踐教育環(huán)節(jié)。
1.4 確定聯(lián)合培養(yǎng)選擇標準
參加聯(lián)合培養(yǎng)的全日制石油與天然氣工程專業(yè)學位研究生要有自愿聯(lián)合培養(yǎng)意向且與招生專業(yè)單位研究方向有契合點；本科主修專業(yè)課程要與招生專業(yè)單位課程具有學科交叉點；參加聯(lián)合培養(yǎng)的碩士研究生要以不斷地提高自身的全面素質(zhì)和不斷加強創(chuàng)新能力的培養(yǎng)為目的；參加聯(lián)合培養(yǎng)的碩士研究生要有很強的動手能力、團體協(xié)作能力等，著重提高他們的工程實踐知識和工程應(yīng)用能力，使他們一出校門，就能很快夠融入石油生產(chǎn)中去。
1.5 制定聯(lián)合培養(yǎng)的培養(yǎng)方案
全日制石油與天然氣工程專業(yè)學位研究生的課程設(shè)置應(yīng)明確目標，定位準確，在課程設(shè)置方面應(yīng)加大實踐性教學，面向企業(yè)現(xiàn)場，將技術(shù)得以應(yīng)用產(chǎn)生的起因和技術(shù)革新發(fā)展過程展示給學生，并引導(dǎo)學生的發(fā)散思維，激發(fā)學生自主學習和探究的動機，增強學生自身參與知識建構(gòu)的積極性和自覺性[2]。東北石油大學石油工程學院每年都應(yīng)根據(jù)石油企業(yè)的實際制定招生、培養(yǎng)的詳細規(guī)劃，按照石油企業(yè)的需要調(diào)整專業(yè)學位研究生課程。培養(yǎng)方案應(yīng)由學位評定分委員會（學科）討論通過，報送研究生院備案后實施。
2 全日制石油與天然氣工程專業(yè)學位研究生培養(yǎng)模式的保障措施
2.1 加強實習基地建設(shè)
校內(nèi)外實驗室、實訓、實習基地建設(shè)是應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要保證。要根據(jù)各專業(yè)的實踐教學體系，加大實驗室、實訓基地的投入，開拓校外實習基地[3]，以培養(yǎng)學生的實踐動手能力和適用能力。東北石油大學石油工程學院發(fā)揮地域優(yōu)勢，積極開拓校外實踐基地，以為企業(yè)培養(yǎng)專業(yè)學位研究生為契機，密切與企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)溝通，2004年以來先后建立14個校外實踐基地。同時，石油工程學院利用學科資源優(yōu)勢，與校內(nèi)其他專業(yè)合作，共同開發(fā)建立校內(nèi)實踐基地，實現(xiàn)教學資源利用率的最大化，增強學生的創(chuàng)新性實踐能力，改善教學效果，提高教學質(zhì)量。
2.2 加強論文評估考核體系建設(shè)
全日制石油與天然氣工程專業(yè)學位研究生的學位論文必須由攻讀專業(yè)學位研究生本人獨立完成，具有一定的技術(shù)難度、先進性及與工學碩士學位論文相當?shù)墓ぷ髁?，能夠體現(xiàn)論文作者運用科學理論、方法和技術(shù)手段解決工程實際問題的能力和具有獨立承擔專業(yè)技術(shù)或?qū)I(yè)管理工作的能力。論文選題要突出石油與天然氣工程專業(yè)的實踐性和應(yīng)用性，研究結(jié)果要解決實際問題，能夠在實踐中得到應(yīng)用。共同審核學位論文工作的技術(shù)難度和工作量；審核其解決工程實際問題的新思想 、新方法和新進展；審核其新工藝、新技術(shù)和新設(shè)計的先進性和實用性；審核其創(chuàng)造的經(jīng)濟效益和社會效益，來保證聯(lián)合培養(yǎng)全日制專業(yè)學位研究生的論文質(zhì)量。
3 全日制專業(yè)學位研究生培養(yǎng)模式存在的潛在問題
我國的研究生教育歷史較短，作為起步更晚的全日制專業(yè)學位碩士培養(yǎng)管理就更顯滯后。生源復(fù)雜，個體差異性大，勢必給研究生的日常管理工作帶來較大的難度。學校教育管理的信息化不足，學生們得不到及時有效的信息且無法與管理者進行流暢的溝通，管理體系和設(shè)施不夠完善，權(quán)責不清，這就要求強化管理隊伍。其次課程體系還不完善，不適應(yīng)聯(lián)合培養(yǎng)研究生的要求，課程設(shè)計上缺乏一套適應(yīng)聯(lián)合培養(yǎng)研究制度的課程體系，教材內(nèi)容上缺乏企業(yè)實踐經(jīng)驗的原因。再次，研究生培養(yǎng)質(zhì)量評價體系不完善，其培養(yǎng)質(zhì)則更應(yīng)體現(xiàn)在解決實際問題的能力以及為企業(yè)創(chuàng)造新技術(shù)、新產(chǎn)品的能力上。
4 采取的解決方法
（1）以主干專業(yè)為主導(dǎo)
以石油與天然氣工程專業(yè)為主導(dǎo)，確立主干專業(yè)在聯(lián)合培養(yǎng)中的主導(dǎo)作用；以工程熱物理與機械工程等相關(guān)專業(yè)為支撐，尋找相關(guān)學科的知識交叉點和問題突破；保障跨學院聯(lián)合培養(yǎng)的順利進行。
（2）以項目為紐帶進行研究生聯(lián)合培養(yǎng)
具體地說，就是指在研究生培養(yǎng)的培養(yǎng)目標、課程教學、科學研究、社會實踐、專業(yè)實習、論文開題、論文撰寫、論文答辯等各方面，圍繞人才培養(yǎng)和教育而進行的具有生產(chǎn)、學習、科研三項功能的教育合作。保障跨企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)的順利進行。
（3）以研究生為中心
以培養(yǎng)研究生的實踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力、提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量為核心，樹立研究生在聯(lián)合培養(yǎng)中的主體地位。以東北石油大學的國家級重點實驗室、國家工程技術(shù)研究室、國家工程教育中心以及省部級研究基地、校企共建工程技術(shù)研發(fā)中心等為主要平臺，充分利用企業(yè)的地緣優(yōu)勢，整合相關(guān)學科科研經(jīng)費、實驗設(shè)備、軟件設(shè)施、圖書資料及其他物質(zhì)條件，形成跨學院跨企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)的有效資源。
（4）以市場為導(dǎo)向
充分發(fā)揮市場機制的作用，形成競爭性的市場機制，最終實現(xiàn)研究生培養(yǎng)對接市場需求，跨學院跨企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)的制度化及企業(yè)對聯(lián)合培養(yǎng)的內(nèi)需化。
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關(guān)鍵詞：逆流換熱器熱力學優(yōu)化溫差場均勻性因子火用效率熵產(chǎn)
1．引言
換熱器作為一種各工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的設(shè)備，它的研究倍受重視。目前關(guān)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(shù)，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(yōu)化，包括換熱器的熵產(chǎn)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(yōu)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(dǎo)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(yōu)化做分析。本文是從溫差場均勻性原則出發(fā)，將其應(yīng)用于逆流換熱器的優(yōu)化過程，并對各種優(yōu)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(yīng)用于順流、逆流和叉流換熱器，發(fā)現(xiàn)在相同的傳熱單元數(shù)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(chǎn)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(shù)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(chǎn)分析指出此原則是以熱力學第二定律為理論依據(jù)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(xié)同原則，同時將此原則應(yīng)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(xié)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(fā)展歷程來看，這一理論已經(jīng)比較成熟，也是從傳熱物理機制方面優(yōu)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(fù)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(yīng)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(yīng)該如何應(yīng)用此原則是本文討論的主要內(nèi)容。
3．溫差場均勻性原則在逆流換熱器熱力學優(yōu)化中的應(yīng)用
過先生[3]將溫差場均勻性原則用于指導(dǎo)叉流換熱器的優(yōu)化，并對優(yōu)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(fā)[5]，用于指導(dǎo)各種形式換熱器的優(yōu)化。本文目的就是應(yīng)用這一原則來指導(dǎo)逆流換熱器優(yōu)化方法的選擇。
3.1逆流換熱器已有熱力學優(yōu)化方法比較分析
以目標函數(shù)區(qū)分的優(yōu)化方法大概有兩類：一是傳熱過程熵產(chǎn)分析，二是定義火用效率分析。
關(guān)于熵產(chǎn)，徐志明、楊善讓[6]等人定義熵產(chǎn)生數(shù)Ns：單位換熱量的熵產(chǎn)。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(yōu)分布，得到結(jié)論：使W略大于1實現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)分布。他們從溫度分布的角度來優(yōu)化換熱器，提供了一種從換熱內(nèi)部的細節(jié)研究問題的思路。能大曦[7]等人在分析換熱器的熵產(chǎn)時得到了類似的結(jié)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(jié)論，是因為他們定義的NTU與常規(guī)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(diào)減小。
關(guān)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(jié)果。從上述結(jié)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(chǎn)和火用效率兩種方法的結(jié)論可以得到，NTU不變，W變化時，二者結(jié)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(diào)減小，而也降低了。兩種方法出現(xiàn)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(chǎn)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(guī)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(chǎn)[7]：
(c)熵產(chǎn)生數(shù)[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(jié)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(chǎn)減小了。同時結(jié)合徐志明[8]等人分析火用效率的結(jié)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(chǎn)生數(shù)越小，火用效率越高。即熵產(chǎn)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(jié)論出現(xiàn)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(cè)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(yīng)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(jié)論。
3.2.2W一定，NTU變化時，溫差場均勻性因子、熵產(chǎn)生數(shù)以及效能的變化。為便于和火用效率[7]分析的結(jié)果作對比，取熱容量比：
得到結(jié)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(jié)合徐志明[8]的結(jié)論，火用效率變小。發(fā)現(xiàn)此時火用效率判據(jù)符合溫差場的均勻性原則，而熵產(chǎn)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(chǎn)分為不平衡流動即熱容量不匹配的熵產(chǎn)和由于傳熱面積有限引起的熵產(chǎn)。能大曦[7]等人對兩部分熵產(chǎn)比較得到：兩部分的熵產(chǎn)隨NTU的變化，趨勢是相反的。由于換熱面積有限引起的熵產(chǎn)隨NTU增加而減小，由于不平衡流動的熵產(chǎn)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(chǎn)變化趨勢能用溫差場均勻性原則來解釋。換句話說，熵產(chǎn)生數(shù)來做判據(jù)包含了換熱的物理機制之外的部分，在對換熱器做優(yōu)化時，應(yīng)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(yōu)化的判據(jù)。
4．結(jié)論
（1）針對逆流換熱器，比較已有優(yōu)化方法，發(fā)現(xiàn)熵產(chǎn)分析和火用效率分析在W一定，NTU變化時得到的結(jié)論出現(xiàn)了矛盾。
（2）應(yīng)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(chǎn)生數(shù)、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(xié)調(diào)，選用火用效率來做優(yōu)化更能反映換熱的物理機制。因此建議用火用效率來優(yōu)化換熱器。
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[10]BejanA.EntropyGenerationthroughHeatandFluidFlow.NewYork:Wiley-Interscience,1982
關(guān)鍵詞：傳熱學 導(dǎo)熱 fluent
中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（a）-0144-02
Abstract：Fluent software was introduced in heat transfer teaching for numerical solution method of heat conduction problem. Numerical solution method was explained combination with Fourier law and heat conduction problem of multi wall.Wall temperature distribution was show by picture，the abstract concept and the theory change into the image picture，to raise students’interest in learning the course.And to make students deeper understanding of what is learned，to achieve the purposes of improving the teaching effect and quality.
Key Words：Heat transfer；Heat conduction；Fluent
傳熱學就是研究由溫差引起的熱能傳遞規(guī)律的科學[1]，要求學生掌握強化傳熱、削弱傳熱以及能計算簡單情況下的溫度分布。熱傳導(dǎo)問題數(shù)值解法的是學生比較難以掌握的難點，同時也是重點，要求學生能對簡單的熱傳導(dǎo)問題進行數(shù)值求解。通過將Fluent軟件引入教學過程，是學生講學習的重點放在熱傳導(dǎo)問題數(shù)值計算的基本原理上，而求解過程由Fluent軟件實現(xiàn)，進一步掌握該軟件的用法，為做畢業(yè)論文打下一定的基礎(chǔ)。
1 Fluent軟件的特點
對導(dǎo)熱問題數(shù)值求解的基本思想是：把原來在時間、空間坐標中連續(xù)的物理量的場，如導(dǎo)熱物體的溫度場，用一系列有限個離散點上的值的集合來代替，通過一定的原則建立起這些離散點上變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程，求解所建立起來的代數(shù)方程以獲得所求物理量的近似值[2]。Fluent軟件是一個模擬和分析在復(fù)雜集合區(qū)域內(nèi)的流體流動與傳熱問題的專用CFD軟件，同時也能模擬固體的導(dǎo)熱問題[3]。Fluent軟件由前處理器、求解器和后處理器組成。其中前處理器Gambit用于網(wǎng)格的生成，網(wǎng)格的生成過程即為計算區(qū)域離散化的過程。求解器用于求解所建立起來的代數(shù)方程。而后處理器用于處理計算的結(jié)果，可以把計算得到的數(shù)據(jù)可視化[4]。
2 教學案例
分析帶有保溫層的墻壁的傳熱過程，在教學中以長3m（x方向），高3.2m（y方向），厚0.3m（z方向）的墻作為研究對象，其中保溫層厚度為0.05m，如圖1所示。在教學過程中分析以下兩種情況下爐墻的傳熱過程：（1）分析有保溫層和無保溫層時墻壁的溫度分布；（2）保溫層厚度不變，分析保溫層導(dǎo)熱系數(shù)對爐墻溫度分布以及散熱量的影響。水泥墻和保溫層的物性參數(shù)表1所示。
（1）數(shù)學模型。
（2）邊界條件。
（3）墻壁中的溫度分布。
計算得到不同厚度方向（z方向） xy截面的溫度分布，從圖中可以看出不同截面上的溫度相等，根據(jù)傅里葉定律可知熱量沿著厚度方向傳遞。從而驗證了傳熱學中大平板模型中（長度、寬度遠遠大于厚度的平板）熱量沿著厚度方向傳遞。
計算保溫層存在時以及沒有保溫層時墻壁的溫度分布，計算結(jié)果如圖3所示。圖3（a）為爐墻厚度方向yz截面的溫度分布，從圖中可以看出溫度在z方向及墻壁厚度方向發(fā)生變化，而在y方向爐墻的溫度保持不變。對比有保溫層和無保溫層兩種情況的溫度分布，在有保溫層時，墻壁中的溫度發(fā)生劇烈的變化，而無保溫層時，墻壁中的溫度變化比較平緩?？梢姳貙訉Ρ诘臏囟确植加绊懕容^大。
根據(jù)墻壁厚度方向的溫度變化，得到墻壁溫度在厚度方向的變化曲線，如圖3（b）所示。由于墻壁內(nèi)外的邊界條件相同，有保溫層時和無保溫層時內(nèi)墻壁的溫度為296K、外墻壁溫度為260K。無保溫層時墻壁內(nèi)的溫度幾乎成線性變化，而有保溫層時，墻壁的溫度變化比較平緩，在墻壁和保溫層的交界面處z=0.3m，溫度發(fā)生劇烈變化，在保溫層中溫度急劇下降，這是由于保溫層的熱阻非常小而導(dǎo)致的。在厚度0m
（4）保溫層導(dǎo)熱系數(shù)對熱流量的影響規(guī)律。
在保溫層厚度保持不變的情況下，保溫層導(dǎo)熱系數(shù)的大小，直接影響墻壁的散熱，因此分析保溫層導(dǎo)熱系數(shù)對墻壁熱流量的影響，如圖4所示。隨著保溫層導(dǎo)熱系數(shù)從0.06 W/（m?K）減小到0.01 W/（m?K），墻壁散熱的熱流量從180W減少到40W。導(dǎo)熱系數(shù)越小，保溫層的熱阻越大，根據(jù)傳熱過程熱流量與熱阻的關(guān)系可知墻壁的熱流量越小，從而減少墻壁的散熱。
3 結(jié)語
在傳熱學導(dǎo)熱問題數(shù)值解法的教學過程中，引入Fluent軟件，同時結(jié)合傅里葉定律、多層平壁導(dǎo)熱問題進行講解。以墻壁的溫度分布為例，分析了有保溫層時和無保溫層時墻壁的溫度分布，比較這兩種情況下墻壁的熱流量大小，有保溫層時能顯著的減小墻壁的散熱。同時分析了保溫層導(dǎo)熱系數(shù)對墻壁熱流量的影響規(guī)律。將較強理論的教學內(nèi)容形象化，激發(fā)學生的學習興趣，加深對傳熱學基礎(chǔ)理論的理解。
參考文獻
[1] 楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006：1-2.
[2] 陶文銓.數(shù)值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社，2001：28-29.
