本文从热力学**及第二定律出发,分析换热器传热过程的熵产率,从而建立传热过程的熵产率关
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在能源的开发和利用中,80%以上的能量是以热能的形式加以利用的,而高性能换热设备的优化设计及制造是众多工业领域进行热能高效利用的基础。自从把熵产*小原理引入换热器的优化设计理论之后,虽然在高效换热器的设计方面已取得了很好的效果,但逆流换热器的效能在0到0.5范围内所存在的熵产悖论,长期以来成为换热器优化设计理论中困扰人们的关键问题。本论文分析了目前换热器优化设计中两个典型的理论,即以熵产数反映换热过程性能的*小熵产理论,以热阻*小反映换热过程性能的积耗散优化理论,虽然后者能够更好地解决熵产悖论问题,但却是以忽略流动过程的耗散为前提。对熵产悖论问题的彻底解决,必须依赖于从热力学的角度对传热过程与流动传质相互作用而导致的传热强化机制的进一步理解。事实上,根据场协同理论得到的速度矢量与温度梯度矢量的夹角越小,流动换热强化的程度越高,对于这时所包含的两个矢量的夹角同向时为0及反向时为π这两种不同的情况,目前还没有从理论上解释其蕴含的物理.
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国家长久发展的基石和推动力是能源的供应,这同时也对国家的安全建设起到保障性作用,能源的供求关系也同时受到国际政治和经济局势的深刻影响。目前,我国的能源受到资源制约的影响日益加深,众多新挑战和新课题阻碍着能源的进一步发展。国家提倡的能源发展策略是“节约、清洁和安全”,这是一项以节约为先导,立足国内,低碳环保、提倡创新的重点发展战略。换热器是工业生产中*常用的热设备,减小其内部的热传递过程中能量不可逆性的耗散,可使热能的利用率得以提高,这对于节约能源以及保护环境都是非常有效的举措。因此,对换热器进行性能优化设计与分析对于节能环保意义重大。本文立足于轨道车辆领域,以热力学方法——*小熵产原理、场协同理论和(?)耗散理论为基础依托,以计算流体力学方法为主要研究手段,与风洞实验技术相结合,对动车组常用错流式换热器进行了强化传热的仿真与实验研究,并对换热器进行了结构优化,探究热力学研究方法在传热强化过程中的物理机制。本文具体工作内容如下:(.
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管内对流换热过程广泛应用于工程上的换热设备中,它是由有限温差下的对流传热和流体的粘性流动等过程组成,从而是一个典型的不可逆过程。本课题首先以工程上常见的管内对流换热的两种典型工况——恒壁温和恒热流为条件,采用数值模拟的方法,对管内层流换热的进口段的不可逆性进行研究。模拟结果表明,两种工况下的不可逆性规律是不同的;更重要的是,对于管内的层流换热,不管哪种工况,存在入口段时的不可逆性完全不同于全部由充分发展段组成的不可逆性,雷诺数对存在入口段的管内层流换热的不可逆性影响很大,同时由粘性流动引起的不可逆性相对于温差传热引起的不可逆性可忽略不计。因此工程上在追求管内对流换热的入口段效应时,应更加注意其不可逆性的变化。另一方面,考虑到目前对管内对流换热及其换热器在能量传递过程中的不可逆性的研究均忽略了在工程上被认为是影响换热设备传热和流动过程的重要因素之一——污垢,而污垢的存在会给换热设备带来一系列的经济损失,从而成为换热设备设计、运行维.
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由于世界性能源短缺日益严重，以节能为目标的传热强化技术受到了人们的广泛关注并得到了快速发展，对于我国而言，工业节能更是当前的重中之重。在我国，工业上对于能量利用的过程中涉及到热交换的工艺和设备所占比重超过90%。因此，本文对基本的对流换热问题进行了主动优化设计，以期获得具有优异的综合换热与阻力特性的流场结构。在已有的*小熵产优化原理和*小火积耗散优化原理的基础上进一步提出了*小功损耗优化原理和*小热损耗优化原理，通过泛函变分和求极值，获得了流体的优化场方程。数值求解发现，管内流动中形成了多纵向旋流的流动结构。对其换热与阻力特性进行分析可以发现，这种管内多纵向旋流流场相对于未优化的光管而言，在Re数为200的层流流动下其Nu数增强了170%而其阻力系数增幅不超过10%，在Re数为的湍流流动下其Nu数增强了15%而其阻力增幅仅为25%，均获得了优良的综合换热效果。通过在管内核心流区域添加扰流体的方法，提出了基于流体的强化传.
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能源是现代社会的重要物质基础。提高换热设备性能对能源高效利用有重要意义。热负荷一定时通过减小换热设备不可逆性可提高其性能。本文用等效阻抗度量换热设备传热和流动过程的不可逆性,并以等效阻抗*小为目标讨论了换热器、导热和流动通道网络和凝汽器的参数优化,以提高能源利用率。基于热、电系统间的比拟,前人将物体内能与温度乘积之半定义为火积,火积的物理意义是物体传递热量的能力,传热过程中热量守恒而火积被不可逆地耗散。在给出换热器火积耗散率表达式的基础上,把火积耗散率与换热量平方之比定义为换热器等效热阻,将它作为换热器传热过程不可逆性的度量。建立了无量纲等效热阻与有效度之间的分析表达式。它与换热器的流型无关,从而适用于不同换热器流型的性能比较。分析还表明,随着热阻减小,有效度是单调增加的,因此基于等效热阻的换热器不可逆分析不会产生类似熵产悖论的问题。把换热器传热性能优化归结为在一定条件下使其(无量纲)等效热阻*小,即换热器传热优化的*小热阻原理.
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