火积耗散理论在管壳式换热器优化设计中应用.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：093107 火积耗散理论在管壳式换热器优化设计中的 应用 1 2 3 李孟寻 ，程林 ，许明田 山东大学热科学与工程研究中心, 济南 250061. (Tel:05316803 Email:leemoonxun@) 摘要：熵产最小原理存在只适用于热功转换的局限性,将其应用到传热和流动过程中，特别是应用到 换热器优化设计当中时，会出现“熵产悖论”。 Hesselgreaves 提出的改进的熵产数避免了“熵产悖 论”，但是存在熵产最小原理和传统的傅里叶定律相矛盾的缺陷，火积耗散理论弥补了上述缺陷。本文 应用遗传算法，以热力学火积耗散数为目标函数对管壳式换热器进行了优化设计，并将优化结果与换 热器其它性能参数进行比较，发现热力学火积耗散数为目标函数对换热器的性能进行了综合优化。 关键词：火积耗散；管壳式换热器；遗传算法 0 前言 换热器性能的优化能够提高换热过程的能源利用率，在能源日益短缺的今天具有重 要的意义。基于热力学第二定律的熵产反映了传热过程的不可逆性耗散的认识，Bejan 提出了一种对熵产进行无量纲化的方法，定义了熵产数，由此形成了最小熵产方法，并 应用于换热器的优化设计。从理论上随着熵产数的减小, 由不可逆因素引起的耗散应减 小, 换热器的有效度应该单调增加,但Bejan对平衡流逆流换热器的分析表明[1], 当 0 ε 0.5 时，逆流换热器的效能反而随着熵产数的增大而增大, 此现象称为 “熵产 悖论”[2]. 虽然Hesselgreaves提出了改进的熵产数, 避免了“熵产悖论”, 但改进的 熵产数可大于1，在没有传热的情况下，改进的熵产数可变为无穷大，导致Witte和 Shamsundar 定义的热力学效率为负值，所以仍然存在一定缺陷。过增元先生根据导热 过程与导电过程的比拟，引入了表征物体热量传递能力的物理量“火积”，并提出了火 积耗散的极值原理[8，9]。文献[6]通过电热模拟实验研究，进一步验证了导热优化的 火积耗散极值原理，并得出除在特殊热边界条件下，用火积耗散极值原理的优化结果总 是好于基于熵产的优化结果。文献[7]将热流加权平均温差与总热流量的比值定义为对 流换热过程的广义热阻.对于复杂对流换热过程,都可以归结为通过降低传热广义热阻 来实现传热强化,并得出火积耗散极值原理等价于最小热阻。文献[10]证明了由火积最 小耗散原理可以导出稳态傅立叶导热方程，解决了熵产最小原理和傅立叶导热定律相矛 盾的问题，并推导出换热器中流体阻力和流体掺混引起的火积耗散表达式。 1 火积耗散理论 过增元等[8]基于热量传递与电荷传递现象之间的比拟，定义火积为热容量与温度 乘积的一半： 1 1 Eh Qvh T UT (1) 2 2 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(编号:2007CB206900) 其中，Qvh 是物体的定容热容量，对于理想气体它就是内能U ．假设换热器内的流动为 一维定常，和外界没有热量交换，忽略流体动能和势能的变化，并忽略轴向导热，此时 热流体能量平衡方程为： ( ) dT x Ch −q(x) (2) dx 其中，Ch 是热流体的热容流量，q(x) 是x 处的