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换热器及散热通道网络热性能的火积分析

柳雄斌  
【摘要】: 能源是现代社会的重要物质基础。提高换热设备性能对能源高效利用有重要意义。热负荷一定时通过减小换热设备不可逆性可提高其性能。本文用等效阻抗度量换热设备传热和流动过程的不可逆性,并以等效阻抗最小为目标讨论了换热器、导热和流动通道网络和凝汽器的参数优化,以提高能源利用率。 基于热、电系统间的比拟,前人将物体内能与温度乘积之半定义为火积,火积的物理意义是物体传递热量的能力,传热过程中热量守恒而火积被不可逆地耗散。在给出换热器火积耗散率表达式的基础上,把火积耗散率与换热量平方之比定义为换热器等效热阻,将它作为换热器传热过程不可逆性的度量。建立了无量纲等效热阻与有效度之间的分析表达式。它与换热器的流型无关,从而适用于不同换热器流型的性能比较。分析还表明,随着热阻减小,有效度是单调增加的,因此基于等效热阻的换热器不可逆分析不会产生类似熵产悖论的问题。 把换热器传热性能优化归结为在一定条件下使其(无量纲)等效热阻最小,即换热器传热优化的最小热阻原理。分析表明,同等条件下换热器温差场愈均匀则其无量纲等效热阻愈小,揭示了温差场均匀性准则的物理本质是尽可能减小以等效热阻度量的传热不可逆性。由于等效热阻与熵产率分别度量传热过程和热功转换过程的不可逆性,因此最小热阻原理适合换热器用于加热、冷却时的优化,而最小熵产原理适合于热功转换系统中换热器的优化,即热力学优化。 针对以导热或对流方式冷却电子器件的散热通道网络,给出了散热通道网络的等效热阻和等效流阻的定义,并把它们作为散热通道网络导热和流动不可逆性的度量。以等效热阻或等效流阻最小为目标优化了散热通道网络的结构参数。针对通道网络中的传递过程,归纳证明得出:当一般通道网络的参数最优时,其传递过程的传递能力“积”的耗散率必定在通道网络中均匀分布。 将凝汽器管束布局优化比拟为高渗透率多孔材料在低渗透率多孔区域中的分布优化问题,并以多孔区域等效渗流流阻最小为优化目标求得了多孔材料的最优分布。以这一最优分布为指导,提出了凝汽器近菱形疏通道管束布置,数值计算表明这一管束布置的流动压降较原管束布置减小约15%。


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