換熱器的熱力學(xué)分析與優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、隨著能源價格的不斷攀升和環(huán)境污染的加劇，如何應(yīng)對能源短缺和環(huán)境污染成為當(dāng)今世界面臨的兩大難題。減小能量在傳遞過程中的不可逆耗散，提高能量的利用率，是減少能源的需求和傳統(tǒng)化石燃料對環(huán)境污染的重要措施。作為熱量傳遞的通用設(shè)備，換熱器廣泛應(yīng)用于高能耗行業(yè)，因此通過優(yōu)化設(shè)計提高換熱器的性能對于節(jié)能環(huán)保有著重要意義。本文基于熵產(chǎn)最小法、煅耗散理論和場協(xié)同原理，開展了傳熱強(qiáng)化方面的理論研究，并應(yīng)用于換熱器優(yōu)化設(shè)計，采用數(shù)值模擬方法分析了幾種典型傳熱

2、強(qiáng)化元件的傳熱強(qiáng)化機(jī)理，最后從熱力學(xué)第一定律和第二定律的角度分析了涉及熱功轉(zhuǎn)換的余熱發(fā)電系統(tǒng)。
　　 基于遺傳算法，改進(jìn)了用于換熱器多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的熵產(chǎn)最小化方法。對于液體-液體管殼式換熱器，以總熵產(chǎn)最小為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果表明：當(dāng)換熱負(fù)荷和用于熵產(chǎn)無量綱化的熱容流率給定時，Bejan定義的熵產(chǎn)數(shù)沒有出現(xiàn)“熵產(chǎn)悖論”。當(dāng)熱負(fù)荷不固定時，Bejan定義的熵產(chǎn)數(shù)引起“熵產(chǎn)悖論”，而改進(jìn)熵產(chǎn)數(shù)不會引起“熵產(chǎn)悖論”，因此改進(jìn)熵產(chǎn)數(shù)有著更

3、為廣泛的適用范圍。本文首先以改進(jìn)的熵產(chǎn)數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，證明以理想氣體為工質(zhì)的板翅式換熱器存在最佳運(yùn)行點。然后采用具有強(qiáng)大尋優(yōu)能力的遺傳算法在部件層次上對換熱器進(jìn)行了優(yōu)化。最后以改進(jìn)熵產(chǎn)數(shù)最小為目標(biāo)函數(shù)，在系統(tǒng)層次上對板翅式換熱器作為部件的余熱回收通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明優(yōu)化后比優(yōu)化前系統(tǒng)性能有了明顯提高。為了克服熵產(chǎn)最小法在工程應(yīng)用中的不足，本文以導(dǎo)熱引起的熵產(chǎn)數(shù)和流體阻力引起的熵產(chǎn)數(shù)為兩個獨(dú)立的目標(biāo)函數(shù)，提出了換熱器多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方

4、法。以總熵產(chǎn)最小為目標(biāo)函數(shù)的換熱器優(yōu)化設(shè)計，雖然使傳熱性能得到改善，但某些情況下將導(dǎo)致消耗的泵功急劇增加。數(shù)量級分析結(jié)果表明在大部分液體-液體式換熱器中，流體阻力引起的不可逆耗散遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有限溫差下導(dǎo)熱引起的不可逆耗散。因此，傳統(tǒng)的熵產(chǎn)最小法存在忽視阻力引起的不可逆耗散的缺陷。為了克服以總熵產(chǎn)最小為目標(biāo)的換熱器優(yōu)化設(shè)計的這一不足，本文基于多目標(biāo)遺傳算法，提出了將傳熱引起的無量綱熵產(chǎn)和阻力引起的無量綱熵產(chǎn)當(dāng)作兩個獨(dú)立的目標(biāo)函數(shù)的換熱器多目標(biāo)

5、優(yōu)化設(shè)計方法。結(jié)果表明在多目標(biāo)優(yōu)化中，傳熱不可逆耗散和阻力不可逆耗散都得到了充分考慮。與單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果相比，在傳熱不可逆耗散相同的情況下，多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)一步減少了泵功的消耗。此外，多目標(biāo)優(yōu)化給出多個可供選擇的Pareto最優(yōu)解，比單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計更具靈活性。
　　 本文采用數(shù)值模擬和熱力學(xué)分析相結(jié)合的方法，研究了彎曲通道內(nèi)的流動和傳熱現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)改進(jìn)熵產(chǎn)數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而減小，在相同雷諾數(shù)下改進(jìn)熵產(chǎn)數(shù)隨著通道曲率比的增加而減小

6、，Bejan數(shù)隨著曲率比的增加迅速下降，表明曲率比較大的彎曲通道能夠更快地達(dá)到傳熱熵產(chǎn)和阻力熵產(chǎn)之間的“平衡”。對于具有相同曲率半徑的彎曲通道，改進(jìn)熵產(chǎn)數(shù)隨著橫截面積的減小而減小，較小橫截面中的Bejan數(shù)隨雷諾數(shù)的增加有著更快的下降速度，因此橫截面積較小的彎曲通道能夠更快地達(dá)到傳熱熵產(chǎn)和阻力熵產(chǎn)間的“平衡”。在彎曲通道中，局部傳熱熵產(chǎn)主要集中在近壁區(qū)域，特別是靠近外壁的區(qū)域。相對于外壁而言，內(nèi)壁區(qū)域的局部傳熱熵產(chǎn)幾乎可以忽略；局部阻力

7、熵產(chǎn)主要集中在外壁區(qū)域，相對而言，內(nèi)壁區(qū)域的阻力熵產(chǎn)不容忽略。在彎曲通道中，當(dāng)流體被加熱時，粘性熱效應(yīng)使努塞爾數(shù)相對減小，對于粘度較大的流體，其粘性熱效應(yīng)甚至使努塞爾數(shù)隨著質(zhì)量流率的增加而減小，粘性熱效應(yīng)使改進(jìn)傳熱熵產(chǎn)數(shù)和改進(jìn)阻力熵產(chǎn)數(shù)相對增加。而當(dāng)流體被冷卻時變化趨勢相反。在彎曲通道中當(dāng)工作流體為笨胺時，改進(jìn)總熵產(chǎn)數(shù)存在極值，而且笨胺被加熱時相對于被冷卻時極值在更小的雷諾數(shù)下出現(xiàn)。對于具有較大動力粘度和較小比熱的流體，譬如乙二醇等，B

8、rinkman數(shù)會變得很大，由于阻力熵產(chǎn)在總熵產(chǎn)中始終占優(yōu)，改進(jìn)總熵產(chǎn)數(shù)的極值沒有出現(xiàn)。當(dāng)笨胺在彎曲通道內(nèi)被加熱時，與粘度固定的情況相比，在粘度隨溫度變化的情況下，努塞爾數(shù)相對增加，而改進(jìn)傳熱熵產(chǎn)數(shù)和改進(jìn)阻力熵產(chǎn)數(shù)相對減小。當(dāng)笨胺被冷卻時，結(jié)論正好相反。
　　 熵產(chǎn)最小法在傳熱問題中的應(yīng)用出現(xiàn)了一些矛盾和悖論，因此本文轉(zhuǎn)而對(禾積)耗散理論做了一些研究。基于煅耗散理論提出了兩流體換熱器的(禾積)耗散率無量綱化方法，定義了評價換熱

9、器性能的(禾積)耗散數(shù)。(禾積)耗散數(shù)代表實際換熱過程的(禾積)耗散與最大可能的(禾積)耗散之比。和換熱器有效度相比，(禾積)耗散數(shù)不僅反映了換熱器的整體性能，而且體現(xiàn)了換熱過程中的“剩余不可逆耗散”；與Bejian定義的熵產(chǎn)數(shù)相比，(禾積)耗散數(shù)避免了“熵產(chǎn)悖論”；與改進(jìn)后的熵產(chǎn)數(shù)相比，它不直接依賴于冷熱流體的出入口溫度，便于不同流動形式的換熱器之間整體性能的比較，且(禾積)耗散數(shù)具有明確的物理意義。因此，(禾積)耗散數(shù)更適用于不同換

10、熱器間性能的比較。
　　 在給定熱負(fù)荷和換熱面積的條件下，建立了用于換熱器優(yōu)化設(shè)計的(禾積)耗散均勻分布原則(EoED)，即當(dāng)局部(禾積)耗散率沿?fù)Q熱器均勻分布時，總的(禾積)耗散率達(dá)到最小值。與目前文獻(xiàn)中的溫差均勻分布原則(EoTD)和熱流密度均勻分布原則(EoHF)相比，當(dāng)換熱系數(shù)不固定時，(禾積)耗散均勻分布原則給出的結(jié)果最優(yōu)，其次是溫差均勻分布原則，熱流密度均勻分布原則給出的結(jié)果最差。在實際應(yīng)用中溫差均勻分布原則可作為(

11、禾積)耗散均勻分布原則的近似表述。在兩流體換熱器中，本文發(fā)現(xiàn)并非任意選擇某一側(cè)流體的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化均可得到最優(yōu)的結(jié)果，選擇恰當(dāng)流體側(cè)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對于成功應(yīng)用最小(禾積)耗散優(yōu)化原則起到重要作用。優(yōu)化流體的選擇當(dāng)以能提高總體換熱系數(shù)為準(zhǔn)則，或者，應(yīng)當(dāng)按最小(禾積)耗散原則優(yōu)化后能使冷熱流體溫度平行分布同時使溫差驅(qū)動力減小的那一側(cè)流體。對彎曲通道傳熱現(xiàn)象的分析表明，場協(xié)同原理能夠很好地解釋彎曲通道的傳熱強(qiáng)化現(xiàn)象，如通過凹壁面進(jìn)行換熱的效果

12、好于通過凸壁面進(jìn)行換熱的效果，相對于直通道，彎曲通道以犧牲較小的泵功取得了較好的換熱效果等。相對于場協(xié)同角，場協(xié)同數(shù)更綜合地反應(yīng)了換熱過程的場協(xié)同原理。
　　 本文還對螺旋內(nèi)肋片強(qiáng)化管的流動和傳熱進(jìn)行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)SST k-omega湍流模型比RNG k-epsilon湍流模型在預(yù)測低雷諾數(shù)區(qū)的渦流問題時有更高的精度和可靠性，與實驗結(jié)果符合得更好。左右交替的螺旋肋片比單一方向螺旋的肋片有更好的傳熱效果。場協(xié)同原理很好地解釋了

13、螺旋內(nèi)肋片的全局和局部的傳熱強(qiáng)化機(jī)理。考慮到通常情況下很難得到復(fù)雜換熱器內(nèi)的溫度場和速度場的分布信息，本文基于換熱器設(shè)計中常用的經(jīng)驗公式，以場協(xié)同數(shù)最大為目標(biāo)對換熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化結(jié)果表明隨著場協(xié)同數(shù)增加有效度增加，泵功下降。以場協(xié)同數(shù)最大為目標(biāo)的換熱器優(yōu)化設(shè)計不僅提高了換熱器有效度，同時減少了泵功的消耗，與傳統(tǒng)以總成本最小為目標(biāo)的換熱器優(yōu)化設(shè)計相比具有明顯優(yōu)勢。
　　 對余熱發(fā)電系統(tǒng)通常通過提高輸入系統(tǒng)的廢氣的(火用)和