順逆流換熱優(yōu)化的熵產悖論及其熱力學分析.pdf

1、在能源的開發(fā)和利用中，80％以上的能量是以熱能的形式加以利用的，而高性能換熱設備的優(yōu)化設計及制造是眾多工業(yè)領域進行熱能高效利用的基礎。自從把熵產最小原理引入換熱器的優(yōu)化設計理論之后，雖然在高效換熱器的設計方面已取得了很好的效果，但逆流換熱器的效能在0到0.5范圍內所存在的熵產悖論，長期以來成為換熱器優(yōu)化設計理論中困擾人們的關鍵問題。
　　本論文分析了目前換熱器優(yōu)化設計中兩個典型的理論，即以熵產數反映換熱過程性能的最小熵產理論，以熱

2、阻最小反映換熱過程性能的積耗散優(yōu)化理論，雖然后者能夠更好地解決熵產悖論問題，但卻是以忽略流動過程的耗散為前提。
　　對熵產悖論問題的徹底解決，必須依賴于從熱力學的角度對傳熱過程與流動傳質相互作用而導致的傳熱強化機制的進一步理解。事實上，根據場協(xié)同理論得到的速度矢量與溫度梯度矢量的夾角越小，流動換熱強化的程度越高，對于這時所包含的兩個矢量的夾角同向時為0及反向時為π這兩種不同的情況，目前還沒有從理論上解釋其蘊含的物理意義。
　

3、　當熵流的變化為零時，對于穩(wěn)定流動所構成的準孤立系統(tǒng)，有可能存在熵產大于零的自發(fā)過程驅動熵產小于零的非自發(fā)過程的情況?；跓崃鞯纳⒍确匠?，論文分析了流動換熱過程蘊含了兩種不同的熱力學機制，即傳熱過程與流動傳質過程均為自發(fā)過程時的場協(xié)同機制，以及流動傳質過程為自發(fā)過程，傳熱過程為非自發(fā)過程時的熱力學耦合機制。
　　對于換熱器，熱流體側滿足場協(xié)同機制，所以流體的質量流與熱流的夾角越小，換熱效果越好。而冷流體側滿足熱力學耦合機制，所以流

4、體的質量流與熱流的夾角越大，換熱效果越好。順流布置時，熱流體側的換熱強化大體被冷流體側的換熱弱化所抵消，所以順流布置既不強化又不弱化，而逆流布置時冷熱流體側的換熱均得到了強化，這就是逆流換熱優(yōu)于順流換熱的根本原因。
　　同時，對于逆流換熱，由于冷流體側符合熱力學耦合原理，故傳質過程的正熵產率越大時，由于熱泵效應傳熱過程的負熵產率的值也越大，意味著流體的溫度升高程度就越大，換熱器的效能也就越大。換句話說，當冷流體側的流動熵產率越大時