順逆流換熱優(yōu)化的熵產(chǎn)悖論及其熱力學(xué)分析.pdf

1、在能源的開(kāi)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(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)及制造是眾多工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行熱能高效利用的基礎(chǔ)。自從把熵產(chǎn)最小原理引入換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論之后，雖然在高效換熱器的設(shè)計(jì)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(nèi)所存在的熵產(chǎn)悖論，長(zhǎng)期以來(lái)成為換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)理論中困擾人們的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　本論文分析了目前換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)中兩個(gè)典型的理論，即以熵產(chǎn)數(shù)反映換熱過(guò)程性能的最小熵產(chǎn)理論，以熱

2、阻最小反映換熱過(guò)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(chǎn)悖論問(wèn)題，但卻是以忽略流動(dòng)過(guò)程的耗散為前提。
　　對(duì)熵產(chǎn)悖論問(wèn)題的徹底解決，必須依賴(lài)于從熱力學(xué)的角度對(duì)傳熱過(guò)程與流動(dòng)傳質(zhì)相互作用而導(dǎo)致的傳熱強(qiáng)化機(jī)制的進(jìn)一步理解。事實(shí)上，根據(jù)場(chǎng)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(dòng)換熱強(qiáng)化的程度越高，對(duì)于這時(shí)所包含的兩個(gè)矢量的夾角同向時(shí)為0及反向時(shí)為π這兩種不同的情況，目前還沒(méi)有從理論上解釋其蘊(yùn)含的物理意義。
　

3、　當(dāng)熵流的變化為零時(shí)，對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)所構(gòu)成的準(zhǔn)孤立系統(tǒng)，有可能存在熵產(chǎn)大于零的自發(fā)過(guò)程驅(qū)動(dòng)熵產(chǎn)小于零的非自發(fā)過(guò)程的情況?；跓崃鞯纳⒍确匠蹋撐姆治隽肆鲃?dòng)換熱過(guò)程蘊(yùn)含了兩種不同的熱力學(xué)機(jī)制，即傳熱過(guò)程與流動(dòng)傳質(zhì)過(guò)程均為自發(fā)過(guò)程時(shí)的場(chǎng)協(xié)同機(jī)制，以及流動(dòng)傳質(zhì)過(guò)程為自發(fā)過(guò)程，傳熱過(guò)程為非自發(fā)過(guò)程時(shí)的熱力學(xué)耦合機(jī)制。
　　對(duì)于換熱器，熱流體側(cè)滿足場(chǎng)協(xié)同機(jī)制，所以流體的質(zhì)量流與熱流的夾角越小，換熱效果越好。而冷流體側(cè)滿足熱力學(xué)耦合機(jī)制，所以流

4、體的質(zhì)量流與熱流的夾角越大，換熱效果越好。順流布置時(shí)，熱流體側(cè)的換熱強(qiáng)化大體被冷流體側(cè)的換熱弱化所抵消，所以順流布置既不強(qiáng)化又不弱化，而逆流布置時(shí)冷熱流體側(cè)的換熱均得到了強(qiáng)化，這就是逆流換熱優(yōu)于順流換熱的根本原因。
　　同時(shí)，對(duì)于逆流換熱，由于冷流體側(cè)符合熱力學(xué)耦合原理，故傳質(zhì)過(guò)程的正熵產(chǎn)率越大時(shí)，由于熱泵效應(yīng)傳熱過(guò)程的負(fù)熵產(chǎn)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(shuō)，當(dāng)冷流體側(cè)的流動(dòng)熵產(chǎn)率越大時(shí)