随着能源价格的不断攀升和环境污染的加剧,如何应对能源短缺和环境污染成为当今世界面临的两大难题。减小能量在传递过程中的不可逆耗散,提高能量的利用率,是减少能源的需求和传统化石燃料对环境污染的重要措施。作为热量传递的通用设备,换热器广泛应用于高能耗行业,因此通过优化设计提高换热器的性能对于节能环保有着重要意义。本文基于熵产最小法、(?)耗散理论和场协同原理,开展了传热强化方面的理论研究,并应用于换热器优化设计,采用数值模拟方法分析了几种典型传热强化元件的传热强化机理,最后从热力学第一定律和第二定律的角度分析了涉及热功转换的余热发电系统。基于遗传算法,改进了用于换热器多参数优化设计的熵产最小化方法。对于液体-液体管壳式换热器,以总熵产最小为目标函数的优化结果表明：当换热负荷和用于熵产无量纲化的热容流率给定时,Bejan定义的熵产数没有出现“熵产悖论”。当热负荷不固定时,Bejan定义的熵产数引起“熵产悖论”,而改进熵产数不会引起“熵产悖论”,因此改进熵产数有着更为广泛的适用范围。本文首先以改进的熵产数为目标函数,证明以理想气体为工质的板翅式换热器存在最佳运行点。然后采用具有强大寻优能力的遗传算法在部件层次上对换热器进行了优化。最后以改进熵产数最小为目标函数,在系统层次上对板翅式换热器作为部件的余热回收通风系统进行了优化,结果表明优化后比优化前系统性能有了明显提高。为了克服熵产最小法在工程应用中的不足,本文以导热引起的熵产数和流体阻力引起的熵产数为两个独立的目标函数,提出了换热器多目标优化设计方法。以总熵产最小为目标函数的换热器优化设计,虽然使传热性能得到改善,但某些情况下将导致消耗的泵功急剧增加。数量级分析结果表明在大部分液体-液体式换热器中,流体阻力引起的不可逆耗散远远小于有限温差下导热引起的不可逆耗散。因此,传统的熵产最小法存在忽视阻力引起的不可逆耗散的缺陷。为了克服以总熵产最小为目标的换热器优化设计的这一不足,本文基于多目标遗传算法,提出了将传热引起的无量纲熵产和阻力引起的无量纲熵产当作两个独立的目标函数的换热器多目标优化设计方法。结果表明在多目标优化中,传热不可逆耗散和阻力不可逆耗散都得到了充分考虑。与单目标优化设计的结果相比,在传热不可逆耗散相同的情况下,多目标优化进一步减少了泵功的消耗。此外,多目标优化给出多个可供选择的Pareto最优解,比单目标优化设计更具灵活性。本文采用数值模拟和热力学分析相结合的方法,研究了弯曲通道内的流动和传热现象。发现改进熵产数随着雷诺数的增加而减小,在相同雷诺数下改进熵产数随着通道曲率比的增加而减小,Bejan数随着曲率比的增加迅速下降,表明曲率比较大的弯曲通道能够更快地达到传热熵产和阻力熵产之间的“平衡”。对于具有相同曲率半径的弯曲通道,改进熵产数随着横截面积的减小而减小,较小横截面中的Bejan数随雷诺数的增加有着更快的下降速度,因此横截面积较小的弯曲通道能够更快地达到传热熵产和阻力熵产间的“平衡”。在弯曲通道中,局部传热熵产主要集中在近壁区域,特别是靠近外壁的区域。相对于外壁而言,内壁区域的局部传热熵产几乎可以忽略；局部阻力熵产主要集中在外壁区域,相对而言,内壁区域的阻力熵产不容忽略。在弯曲通道中,当流体被加热时,粘性热效应使努塞尔数相对减小,对于粘度较大的流体,其粘性热效应甚至使努塞尔数随着质量流率的增加而减小,粘性热效应使改进传热熵产数和改进阻力熵产数相对增加。而当流体被冷却时变化趋势相反。在弯曲通道中当工作流体为笨胺时,改进总熵产数存在极值,而且笨胺被加热时相对于被冷却时极值在更小的雷诺数下出现。对于具有较大动力粘度和较小比热的流体,譬如乙二醇等,Brinkman数会变得很大,由于阻力熵产在总熵产中始终占优,改进总熵产数的极值没有出现。当笨胺在弯曲通道内被加热时,与粘度固定的情况相比,在粘度随温度变化的情况下,努塞尔数相对增加,而改进传热熵产数和改进阻力熵产数相对减小。当笨胺被冷却时,结论正好相反。熵产最小法在传热问题中的应用出现了一些矛盾和悖论,因此本文转而对(?)耗散理论做了一些研究。基于(?)耗散理论提出了两流体换热器的(?)耗散率无量纲化方法,定义了评价换热器性能的(?)耗散数。(?)耗散数代表实际换热过程的(?)耗散与最大可能的(?)耗散之比。和换热器有效度相比,(?)耗散数不仅反映了换热器的整体性能,而且体现了换热过程中的“剩余不可逆耗散”；与Bejan定义的熵产数相比,(?)耗散数避免了“熵产悖论”；与改进后的熵产数相比,它不直接依赖于冷热流体的出入口温度,便于不同流动形式的换热器之间整体性能的比较,且(?)耗散数具有明确的物理意义。因此,(?)耗散数更适用于不同换热器间性能的比较。在给定热负荷和换热面积的条件下,建立了用于换热器优化设计的煨耗散均匀分布原则(EoED),即当局部(?)耗散率沿换热器均匀分布时,总的(?)耗散率达到最小值。与目前文献中的温差均匀分布原则(EoTD)和热流密度均匀分布原则(EoHF)相比,当换热系数不固定时,(?)耗散均匀分布原则给出的结果最优,其次是温差均匀分布原则,热流密度均匀分布原则给出的结果最差。在实际应用中温差均匀分布原则可作为(?)耗散均匀分布原则的近似表述。在两流体换热器中,本文发现并非任意选择某一侧流体的参数进行优化均可得到最优的结果,选择恰当流体侧的参数进行优化,对于成功应用最小(?)耗散优化原则起到重要作用。优化流体的选择当以能提高总体换热系数为准则,或者,应当按最小(?)耗散原则优化后能使冷热流体温度平行分布同时使温差驱动力减小的那一侧流体。对弯曲通道传热现象的分析表明,场协同原理能够很好地解释弯曲通道的传热强化现象,如通过凹壁面进行换热的效果好于通过凸壁面进行换热的效果,相对于直通道,弯曲通道以牺牲较小的泵功取得了较好的换热效果等。相对于场协同角,场协同数更综合地反应了换热过程的场协同原理。本文还对螺旋内肋片强化管的流动和传热进行了数值研究,发现SSTκ-omega湍流模型比RNGκ-epsilon湍流模型在预测低雷诺数区的涡流问题时有更高的精度和可靠性,与实验结果符合得更好。左右交替的螺旋肋片比单一方向螺旋的肋片有更好的传热效果。场协同原理很好地解释了螺旋内肋片的全局和局部的传热强化机理。考虑到通常情况下很难得到复杂换热器内的温度场和速度场的分布信息,本文基于换热器设计中常用的经验公式,以场协同数最大为目标对换热器进行了优化设计。优化结果表明随着场协同数增加有效度增加,泵功下降。以场协同数最大为目标的换热器优化设计不仅提高了换热器有效度,同时减少了泵功的消耗,与传统以总成本最小为目标的换热器优化设计相比具有明显优势。对余热发电系统通常通过提高输入系统的废气的(?)和系统本身热功转换能力来提高系统的性能,但本文基于热力学第一定律和第二定律的分析表明：这两种方法相互制约,最佳运行状况应使两者之间趋于平衡。对于同一评价标准,表达式不同会导致不同的结论,因此选择恰当的评价标准及其表达式对于做功系统的评价和优化起着重要作用。废气的(?)取决于废气进入系统的状态和环境的状态,而不是系统所能吸收的废气的(?),因此,应考虑废气排放到环境中的(?)的作用。