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流动及传热过程的熵分析

陈曦  
【摘要】: 利用低位废热节能降耗、减少环境热污染是当前清洁生产技术领域的开发热点之一。决定其经济性的关键是废热的有效利用率,因此需要特别的措施克服低位能传热推动力小的不利因素,最大限度地减少不可逆损失。本文以热力学第二定律为基础,从热力学熵产分析和温度场熵分析两个不同的角度,定量地研究了流动及传热体系的不可逆程度,揭示影响传热推动力的因素。对评价流动及传热体系的热力学完善程度,改进传热系统的热力性能有一定的应用价值。 从热力学第二定律出发,根据Prigogine在非平衡态热力学过程及“熵产生”概念基础上完成的任意体系的熵产表达式推广应用于降膜蒸发过程熵产分析,并得到管内降膜蒸发的熵产计算式。引入单位熵产数得到管内降膜蒸发的单位熵产计算式,并在Reynolds数大于1450(C_pμ/λ)~(1.06)(0.5-0.25ω)~(-1)情况下得到单位熵产数和雷诺数之间以及单位熵产数和膜径比之间的定量关系,根据数值计算结果揭示了如下规律:①降膜蒸发过程熵产随流体的雷诺数增加先降低再增大,存在最小熵产数,对应的雷诺数为最佳雷诺数Re_(opt),此区域为最佳工况区;②降膜蒸发过程熵产随降膜管内液膜厚度减小先降低再增大,也存在最小熵产数,最佳膜径比ω_(opt)对应的区域也是最佳工况区。 为验证以上理论分析模型,本文进行了DAP湿线尾气脱湿—磷酸降膜蒸发的现场实验,获得了长周期运行条件下的实验数据。以30%的磷酸稀溶液为工质,通过Φ30×2×6000传热管内磷酸降膜蒸发实验数据对比,理论分析的模型与实验结果吻合良好,表明本文熵产计算式可以表达降膜蒸发过程的熵产规律,对过程强化过程传热和提高传热效率具有实际应用价值。 从玻尔兹曼定律和信息熵的理论出发,以物理场熵的概念为基础,本文定义了温度场熵的概念。并根据物理场熵的计算方法推导出了温度场熵的计算公式。通过与热力学熵的比较可知尽管两者在反映的层次和反映的方式上不同,但是热力学熵产分析和温度场熵都是空间温度梯度的积分表达,二者均能根据温度场的温度分布反映传热推动力的损耗以及流动及传热体系的不可逆程度,因而具有一致性。 将此公式应用于矩形散热翅片的研究中,根据翅片表面温度分布函数,计算出翅片表面的温度场熵。并通过其反映的所需传热推动力大小和不可逆程度的定量地描述矩形散热翅片的热力学性能。本文同时研究了翅片自身的特性参数对温度场熵的影响,研究表明在一定的范围内,翅片表面的温度场熵与翅片的导热系数和厚度成反比,与翅片长度成正比。 根据矩形翅片热效的计算公式,引入钢、镉和铝三种材质热效的文献数据,得到热效随导热系数、厚度和长度变化的曲线。与温度场熵随翅片自身特性参数的变化趋势相比较可知,矩形散热翅片的温度场熵与其热效一样,不仅能对翅片的热力学性能进行定量描述,而且对优化热力系统设计具有一定的指导意义。 通过本文的研究表明熵产分析可以表达流动及传热体系的热力学完善程度,并且得到了现场实验验证。温度场熵理论也能分析和表达流动及传热体系的热力学性能,所获得的结果为改进体系的传热推动力小的不利因素及提高热力系统的传热效率提供了理论依据。


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