顺逆流换热优化的熵产悖论及其热力学分析
本文关键词：顺逆流换热优化的熵产悖论及其热力学分析 出处：《兰州理工大学》2016年硕士论文 论文类型：学位论文
【摘要】：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。自从把熵产最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最小熵产理论,以热阻最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意义。当熵流的变化为零时,对于稳定流动所构成的准孤立系统,有可能存在熵产大于零的自发过程驱动熵产小于零的非自发过程的情况。基于热流的散度方程,论文分析了流动换热过程蕴含了两种不同的热力学机制,即传热过程与流动传质过程均为自发过程时的场协同机制,以及流动传质过程为自发过程,传热过程为非自发过程时的热力学耦合机制。对于换热器,热流体侧满足场协同机制,所以流体的质量流与热流的夹角越小,换热效果越好。而冷流体侧满足热力学耦合机制,所以流体的质量流与热流的夹角越大,换热效果越好。顺流布置时,热流体侧的换热强化大体被冷流体侧的换热弱化所抵消,所以顺流布置既不强化又不弱化,而逆流布置时冷热流体侧的换热均得到了强化,这就是逆流换热优于顺流换热的根本原因。同时,对于逆流换热,由于冷流体侧符合热力学耦合原理,故传质过程的正熵产率越大时,由于热泵效应传热过程的负熵产率的值也越大,意味着流体的温度升高程度就越大,换热器的效能也就越大。换句话说,当冷流体侧的流动熵产率越大时,流动部分的正熵产率被传热过程的负熵产率抵消的成分越多,这时总的熵产率反而越小,所以对于逆流换热最终的效果依然是总熵产率越小,换热器的效能越高,即不存在逆流换热过程的熵产悖论。
[Abstract]:In the development and utilization of energy sources , more than 80 % of the energy is used in the form of heat energy , and the optimal design and manufacture of high performance heat exchanger is the basis for the efficient utilization of heat energy in many industrial fields .
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK172
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，本文编号：1406162
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