换热器优化设计的最小火积耗散方法

以水-水换热的平衡逆流换热器为例, 把火积耗散理论应用于换热器的优化设计. 在一定的假设条件下, 得到了换热器的最佳长径比的解析表达式; 在给定换热面积或换热管体积的约束条件下, 获得了最佳质量速度和最小火积耗散率的解析表达式. 这些结果表明, 为了减少换热器中的不可逆耗散, 在允许的条件下应尽量增大换热面积, 降低流速.     

对流换热过程的广义热阻及其与(火积)耗散的关系

为了更加直观地分析与优化对流换热过程, 引入了多维传热系统的热流加权平均温度和热流加权平均温差的概念, 并定义热流加权平均温差与总热流的比值为传热过程的广义热阻, 提出了优化对流换热过程的最小热阻原理, 分析了对流换热过程的广义热阻与火积耗散之间的关系, 得出了最小热阻原理等价于火积耗散极值原理的结论. 以恒壁温条件下的二维方腔内对流换热过程为例, 研究了该过程的广义热阻, 讨论了最小热阻原理在对流换热过程分析与优化中的适用性.     

基于火积耗散率最小的“盘点”导热构形优化

基于构形理论, 以火积耗散率最小为优化目标, 对“盘点”导热进行了构形优化, 并确定了圆盘中高导热材料采用辐射状布置还是树状布置的临界点. 结果表明, 两种材料导热系数之比和高导热材料所占体积比的乘积决定了该临界点的位置; 基于火积耗散极值原理可以设计出圆盘传热性能最优的构形. 对比分析以火积耗散率最小和最大温差最小为目标的优化结果, 发现分别对应两种优化目标的最优构形明显不同. 当两种材料导热系数之比和高导热材料所占体积比的乘积值为30时, 对于前者, 高导热材料采用辐射状布置还是树状布置的临界点为圆盘无量纲半径等于1.75, 而后者的临界点为圆盘无量纲半径等于2.18. 前者的最优构形相比后者的最优构形可以较大程度降低圆盘的平均传热温差, 明显地改善了传热性能.     

(火积)理论及其应用的进展

(火积)和(火积)耗散极值原理的提出,为传热优化开辟了新的方向.回顾了(火积)理论的产生与发展过程,从导热、对流换热、辐射传热、换热器设计、传质等方面介绍了(火积)理论的研究进展.重点围绕(火积)耗散率与熵产率的异同点比较分析、(火积)耗散极值原理与有限时间热力学相结合、(火积)耗散极值原理与导热构形优化相结合、(火积)耗散极值原理与对流构形优化相结合等四个方面,阐述了(火积)耗散极值原理的科学性.     

T形腔火积耗散最小构形优化

火积耗散极值原理给出了新的传热优化的理论依据和评判标准. 针对矩形固体中包含T形开口空腔的传热模型, 引入了基于火积耗散定义的无量纲当量热阻, 在系统总体积、空腔体积以及T形腔所占矩形域体积一定的约束条件下, 以该当量热阻最小化为目标对模型进行了构形优化. 数值结果表明, 基于火积耗散极值原理可以设计出系统传热性能最优的几何结构. 修正了文献中无量纲总(最大)热阻的表达式, 以其最小化为目标得到了一些与文献结果不同的新规律. 将两种热阻指标下的数值优化结果进行了对比分析, 发现分别对应两种指标的最优系统结构明显不同, 以当量热阻最小化为目标的优化比以最大热阻最小化为目标的优化, 可以有效降低传热平均温差, 改善系统整体传热性能. 空腔自由度越大, 系统性能更佳. 通过数据拟合, 分别得到了当量热阻和最大热阻与3自由度几何参数的优化关联式.     

对流和辐射边界条件下轧钢加热炉壁绝热层(火积)构形优化

基于绝热过程(火积)耗散极值原理,以耗散率最小为优化目标,在对流传热和辐射传热边界条件下,对轧钢加热炉壁平板绝热层进行构形优化,得到平板绝热层的最优构形.结果表明:对流传热边界条件时,(火积)耗散率最小的绝热层最优构形与热损失率最小的绝热层最优构形是明显不同的.(火积)耗散率最小的绝热层最优构形与热损失率最小的绝热层最优构形相比,(火积)耗散率降低了5.98%,从而使得其整体绝热性能得到提高.对流与辐射复合传热边界条件时,绝热层厚度线性增大的布置方式与等厚度绝热层和厚度线性减小的布置方式相比,绝热层(火积)耗散率分别降低了16.59%和39.72%,从而使得绝热层整体绝热性能大大提高.存在最佳常系数a2,opt使得绝热层无量纲(火积)耗散率取得最小值.绝热层最小无量纲(火积)耗散率和最大温度梯度最小值对应的最佳常系数a2,opt相差不大,这使得(火积)耗散率最小的绝热层最优构形对应的热应力也较小,从而在提高绝热层整体绝热性能的同时也有助于提高其热安全性.本文所得结果能从传热优化角度为绝热层的优化设计提供参考.     

火积传递方程及其应用

火积是描述传热能力的物理量, 在热量传递过程中伴随火积的传递, 热量在传递过程中守恒,火积并不守恒, 因而火积必定有其独特的传递规律. 基于火积定义及其传递的思想, 导出了描述多组分黏性流动体系(包含热传递、对流、质量传递和化学反应过程)的火积传递方程, 它描述了该体系传热过程中火积的传递规律. 给出了火积流及其火积耗散的表达式, 并分析了其物理机制. 进而讨论了火积传递方程在稳态对流传热过程中优化传热的理论和方法, 从不同侧面应用稳态过程 传递方程得到了火积耗散极值原理和最小热阻原理, 给出了对单组分体系稳态对流传热和稳态导热过程应用的例证.     

基于变截面单元体的火积耗散率最小导热构形优化

基于构形理论, 以火积耗散率最小为优化目标, 对变截面外形和变高导热通道的单元体进行了构形优化, 结果表明, 当增加控制体内部复杂程度时, 并不总能降低其平均传热温差, 而是存在最佳的构造级数, 使平均传热温差达到最小. 因为变截面高导热通道内的热流密度不符合线性分布, 所以基于火积耗散率最小的最优构形与基于最大温差最小的最优构形是不同的. 基于火积耗散率最小的最优构形相比基于最大温差最小的最优构形可以较大程度地降低平均传热温差, 明显地改善了传热性能. 由于火积更能反映对传热能力的要求, 因此基于此可对各种导热构形问题进行进一步的研究.     

换热器参数优化中的熵产极值和火积耗散极值

以“仅以传递热量为目的”和“参与不可逆布雷顿循环”的逆流换热器为例, 比较了熵产极值准则和火积 耗散极值准则在换热器参数优化问题中的适用性. 对参与热功转换的换热器, 换热器的热力学优化准则取为熵产极值较好; 对只参与热量传递的换热器, 换热器参数优化准则取为火积 耗散极值更合适. 对流体温度变化不剧烈的换热器, 两种优化准则趋于一致.     

换热器火积散最小优化

对一类高低温两侧流体之间传热服从牛顿定律[q∝Δ(T)]的两股流换热器进行了研究, 在传热量一定的条件下, 以 耗散最小为优化目标, 利用最优控制理论求出了换热器参数的最优分布, 得出了对应于换热过程 耗散最小时的热流密度为常数的结论. 分析比较了逆流、顺流、凝结流三种形式的换热器, 结果表明采用逆流式换热器可实现换热过程耗散最小. 给出了数值算例, 并与以熵产生最小为目标的优化结果进行了比较.     

(火积)耗散与热力学过程的不可逆性

分析了(火积)耗散与热量传递、功热转换、自由膨胀、等温物质扩散等热力学过程不可逆性之间的关系.研究表明,对于功热转换、自由膨胀和等温物质扩散3种不可逆过程,均存在熵产而不存在(火积)耗散,因此(火积)耗散不能反映这些过程的不可逆性.对于热量传递过程,熵产和耗散同时存在,表明(火积)耗散只能反映与热量传递过程相关的不可逆性.进一步,对内可逆热力学循环的不可逆性进行了分析.由于内可逆循环将所有的不可逆性归结为工质与热源之间传热过程的不可逆性,因此(火积)耗散能反映这一类循环的不可逆性.以内可逆卡诺循环为例进行了计算验证.     

传热学中的状态图及其应用

鉴于热力学状态图能够直观分析热力循环的性能,提出热流是热量运动的状态量,明确了相应的热量运动状态方程,并引入传热学中的二维状态图:T-q图,它可以从传热过程不可逆性的角度直观分析传热过程的性能,便于换热设备及其系统的优化分析和工程设计.利用传热学中的状态图,分析换热器可以直观得出换热面积、流体热容量流和流动形式对其传热性能的影响;分析集中供暖系统中的换热器网络可以方便得出:当每条支路的总换热量以及室内空气温度都相等时每条支路所需的总换热面积、热水流量以及回水温度都相等,但当各支路中的室内空气温度不一致时,经过换热支路后的热水温度并不相同,这就意味着等温回水混合过程并非获得最优供热管网设计的必需条件.     

质量积耗散极值原理及其在空间站通风排污过程优化中的应用

基于质量传递与热量传递现象之间的类比性, 引入了质量积的概念来代表物体向外界传递质量的能力, 定义了质量积耗散函数, 说明了质量积耗散是传质过程不可逆性的量度, 提出了质量积耗散极值原理和优化对流传质过程的优化方法, 在一定约束条件下导出了对流传质性能最佳时流体流动所需满足的欧拉方程. 在此基础上, 对空间站实验舱内通风排除气体污染物的过程进行了优化来达到减少通风系统能耗, 降低实验舱内污染物浓度的效果. 结果表明: 利用质量积耗散极值原理, 获得了通风排污性能最佳的速度分布. 以该最优速度分布为指导, 采用集中送风代替均匀送风, 获得了进风口的最佳位置和宽度, 可以在空气流动黏性耗散降低了30%的基础上, 密封舱内平均污染物浓度和最大污染物浓度分别降低了75%和60%, 污染源附近的污染物浓度下降50%.     

换热器组传热性能的优化原理比较

换热器组内的传热过程目的一般可以分为两类:一类是为了热功转换,另一类是为了加热或者冷却物体.相应地,传热过程也包含熵产最小以及??(火积)耗散极大这两种不同的优化原理.通过分析换热器组内的传热过程,并在一定约束条件下利用不同的原理对换热器组的面积分配进行优化,得出熵产最小原理适用于包含在热力循环中的换热器优化问题,而沫...     

开口热力学系统的(火积)分析

(火积)是近年提出以描述热量传递能力的物理量.将(火积)的概念拓展应用于涉及做功的开口热力学过程的分析.定义了焓(火积)的概念,基于该定义发展了开口系统的(火积)平衡方程,并给出了开口热力学系统中的"(火积)损失"的概念.应用(火积)平衡方程,对空气标准循环进行了分析和讨论.研究表明,当工质吸收的热量来自燃料燃烧反应时,(火积)损失速率可以描述循环净输出功率的变化;当工质吸收的热量来自高温热流体加热时,则系统的最大(火积)损失速率和最小熵产速率均对应于循环的最大输出功率.因此,(火积)损失是一个可以描述空气标准循环性能的参数.     

换热器强化的场协同原则

提高换热器的传热性能可以有两个层次, 第1个层次是增加对流换热系数, 第2个层次是改善换热器整体安排. 围绕第2个层次讨论, 提出了改善换热器中冷热流体温度场间的协同就能提高换热器的效能. 换热器中冷热流体温度场的函数形式越接近, 冷热流体的温差场越均匀时, 称冷热流体温度场的协同越好. 通过重新分布换热面积可提高叉流换热器的效能, 当换热面积具有最佳分布时, 叉流换热器的效能可与逆流换热器的效能相等. 多股流换热器中, 顺流换热方式的换热量可以高于逆流换热方式, 表明换热器的传热性能的高低取决于它们的温差场均匀性即冷热流体温度场协同程度, 而不是取决于流动方式.     

溶液除湿性能分析和优化的湿阻法

引入火积、火积耗散及湿阻的概念, 以揭示溶液除湿系统中水分传递过程的不可逆性和水分传递阻抗、通过分析与传热过程耦合的水分传递过程, 导出了反映除湿过程中水分传递不可逆性的湿阻的表达式, 建立了湿阻与溶液除湿系统除湿性能之间的关系, 并针对不同的运行工况, 分析了集中冷却和均匀冷却方式对溶液除湿性能的影响. 结果表明: 对于绝热型溶液除湿系统, 提高湿空气与溶液间的传质系数可以降低湿阻, 增大除湿量; 当湿空气和溶液之间的流量比较小, 即溶液流量较大时, 应采用预冷的方式来降低溶液除湿系统的湿阻, 提高除湿性能; 而当湿空气和溶液之间的流量比较大时, 应采用均匀内冷型的溶液除湿系统以更加有效地降低湿阻和提高除湿性能.     

基于(火积)守恒方程的可逆热力循环(火积)分析及其应用

将(火积)分析应用于热力循环性能的分析和优化中.首先在可逆热力过程和热力循环的分析中提出了热(火积)流和功热(火积)流的概念,并建立了相应的(火积)守恒方程.其次通过对可逆热机热泵联合循环中(火积)守恒的分析表明,与通常的热泵循环不同,热机-热泵联合循环的功能类似于电学中的变压器(电压变换器),因此可把此类联合循环称之为变温器或温度变换器.此外,取决于联合循环热源的温度,在某些条件下联合循环必须向环境输出功热(火积)流,从而降低联合循环的性能;而在另外一些条件下则可以从环境吸收功热(火积)流,从而提高联合循环的性能.最后,基于热质理论指出了热(火积)实际上是热质能的简化表达式,因而热(火积)流和功热(火积)流则分别是热质能流和功热质能流的简化表达式,它们实际上都是相对性能量.因此,类似于电压变换器中电能与磁能满足能量守恒定律,热机热泵联合循环中不仅热量和功量满足能量守恒定律,热(火积)流和功热(火积)流还满足相对性能量守恒定律,从而(火积)分析方法可用于分析可逆热力循环的性能,而熵分析及?分析方法则无法分析可逆热力循环的性能.最后,本文以两种典型的热机-热泵联合循环为例分析了联合循环的性能评价方法.     

基于(火积)损失最大的往复式热机最优构型

采用有限时间热力学理论和(火积)理论对一类存在热漏和高温热源热容有限的两热源热机进行研究.寻求模型符合牛顿传热定律时,系统在给定循环周期下系统熵产生最小和(火积)损失最大时的最优构型,并与系统输出功最大时的最优构型对比.分析结果表明:对于无限热容高温热源,热漏是否存在并不改变循环的最优构型;而对于有限热容高温热源,以系统熵产生最小和(火积)损失最大为目标的最优构型与以系统输出功最大为目标的最优构型不完全相同,无热漏时分别以熵产生最小、(火积)损失最大和输出功最大为目标的最优构型均相同,而存在热漏时分别以三者为目标时的最优构型各不相同.     

烧结多孔表面分布式阵列射流沸腾

使用50, 100和200μm粒径的铜粉,分别烧结制作了厚度为2倍粒径的多孔结构表面,以新型环保电子冷却液HFE7000为工质,进行了分布式阵列射流沸腾的换热性能实验,并将实验结果与光滑表面进行了对比.结果表明,烧结多孔表面增加了对流换热面积,增强了流体扰动,大大强化了单相段换热性能,且流量越高,强化效果越显著;100和200μm颗粒烧结表面的强化效果接近,且明显好于50μm颗粒烧结表面,表明粒径和厚度对传热性能具有重要影响.在射流沸腾换热过程中,多孔烧结表面提供了更多的气化核心和更大的换热面积,但同时也增加了蒸汽逸出阻力, 100μm颗粒烧结表面强化效果最佳,其最大沸腾换热系数比光滑表面提高了61%.分布式射流是沸腾表面补液的主要途径,由于HFE7000本身表面张力小、亲水性好,多孔表面吸液能力对于临界热流密度(critical heat flux, CHF)的影响较小, 100μm颗粒烧结表面的CHF和光滑表面相比仅提高了17%.尽管如此,烧结多孔表面的核态沸腾偏离点(departure from nucleate boiling, DNB)与CHF之间的热流密度区间显著变大,对实际应用过程有利.