换热器组性能与(火积)耗散及其热阻的关系研究

本文以并联换热器组为对象,在给定每个换热器热容量流的前提下,通过分配各换热器的热导分析了换热器组的总换热量与总(火积)耗散、总(火积)耗散热阻、各换热器(火积)耗散之和、各换热器(火积)耗散热阻之和、及各换热器(火积)耗散热阻加权之和之间的关系。结果表明:在给定每个换热器热容量流,分配热导的前提下,换热器组总换热量的极值与各换热器(火积)耗散之和的极值、各换热器(火积)耗散热阻之和的极值、及以热容量流率与换热量率的乘积作因子的各(火积)耗散热阻加权之和的极值是一致的,而与换热器组总(火积)耗散的极值及总(火积)耗散热阻的极值不一致。     

基于(火积)耗散率最小的复杂肋片对流换热构形优化

基于构形理论, 以基于(火积)耗散率定义的当量热阻最小为优化目标对复杂肋片进行构形优化, 得到同时考虑肋片导热和对流换热(火积)耗散性能的肋片最优构形, 并比较不同形状和不同优化目标下的肋片最优构形. 结果表明: 存在最佳单元级直肋、中部空腔以及肋片末梢高度和长度比使得复杂肋片当量热阻取得三重最小值. 当量热阻最小的复杂肋片最优构形与T-Y形肋片最优构形相比, 复杂肋片结构使得肋片整体传热性能大大提高. 当肋片传热为二维传热且根部较宽时, 肋片根部温度越不均匀, 当量热阻最小和最大热阻最小的复杂肋片最优构形差别越大. 在保证热安全性的前提下, 工程上对肋片进行优化设计时可选择当量热阻最小的肋片构形设计方案以降低其平均传热温差、提高整体传热性能. 本文从传热优化角度为复杂肋片的优化设计提供了参考.     

多股流换热器的(火积)耗散热阻分析

在分析多股流换热器特点的基础上,考虑流体在通道出口非等温混合产生的(米积)耗散,将板翅式多股流换热器的(火积)耗散分为通道换热(火积)耗散和混合(米积)耗散两部分,定义了多股流换热器的(米积)耗散热阻。通过对不同通道排列下的多股流板翅式换热器的计算,发现多股流换热器换热量与其(米积)耗散热阻一一对应,(米积)耗散热阻越小,换热量越大。在对多股流板翅式换热器的通道进行排列时,应采用冷热通道间隔布置的形式,并使冷热通道的换热负荷相近。     

Y形肋片火积耗散率最小构形优化

结合（火积）耗散极值原理和构形理论,以基于（火积）耗散率的当量热阻最小化为目标,采用解析解法对Y形肋片进行了构形优化,分析了复合参数a（关于对流换热系数、肋片的包络面积及其热导率的简单函数）和肋片占比φ₁对Y形肋片优化的影响,并比较Y形和T形肋片的整体传热性能的优劣。结果表明,增大a和增大φ₁可降低肋片的无量纲当量热阻,改善其整体传热性能。总体积和肋片材料的体积都相同时,Y形肋片无量纲当量热阻要比T形肋片的无量纲当量热阻小很多。也就是说,Y形肋片优于T形肋片,更能提高系统的整体传热性能。     

微、纳米尺度下圆盘(火积)耗散率最小构形优化

基于构形理论, 以(火积)耗散率最小为优化目标, 在微、纳米尺度下对圆盘导热问题进行构形优化, 得到尺寸效应影响下的无量纲当量热阻最小的圆盘构造体最优构形. 结果表明: 在微、纳米尺度下, 尺寸效应影响下的圆盘构造体最优构形与无尺寸效应影响时的圆盘构造体最优构形有明显区别. 存在最佳无量纲高导热材料通道长度使无量纲当量热阻取得最小值; 随着扇形单元体数目的增大, 最小无量纲当量热阻先减小后增大, 存在最佳的扇形单元体数目使得无量纲当量热阻取得双重最小值, 这与常规尺度下圆盘构造体相应的性能特性明显不同. (火积)耗散率最小的圆盘构造体(火积)耗散率比最大温差最小的构造体(火积)耗散率降低了7.31%, 也即圆盘构造体的平均传热温差降低了7.31%. 微、纳米尺度下基于(火积)耗散率最小的圆盘构造体最优构形能够降低圆盘构造体的平均传热温差, 同时有助于提高其整体传热性能. 本文工作有助于进一步拓展(火积)耗散极值原理的应用范围. 关键词： 构形理论 (火积)耗散率最小 微、纳米尺度 广义热力学优化     

基于(火积)耗散率最小的“盘点”冷却流道构形优化

基于构形理论, 以(火积)耗散率最小为优化目标, 对冷却流道的“盘点”传热问题进行构形优化, 得到冷却流道的圆盘构造体最优构形. 结果表明: 对于扇形单元体, 在其泵功率给定的条件下, 存在最佳展弦比使得扇形单元体无量纲当量热阻取得最小值; 对于一级树状圆盘, 在其总泵功率给定的条件下, 存在一级与单元级最佳流道宽度比和扇形单元体最佳无量纲半径使 得一级树状圆盘无量纲当量热阻取得最小值, 且一级与单元级最佳流道宽度比仅与单元体分支数有关. 当中心圆盘半径等于0时, 一级树状圆盘最终退化成辐射状圆盘, 此时一级树状圆盘半径为临界半径. 当一级树状圆盘半径大于临界半径时, 需对圆盘冷却流道采用树状布置, 反之则采用辐射状布置. 存在最佳单元体分支数使得无量纲当量热阻取得最小值, 这与高导热材料通道的“盘点”导热构形优化结果有明显区别. (火积)耗散率最小和最大温差最小的一级树状冷却流 道圆盘构造体最优构形是不同的. 与最大温差最小的冷却流道圆盘构造体相比, (火积)耗散率最小的冷却流道圆盘构造体当量热阻得到极大降低, 其整体传热性能得到明显提高. 因此, (火积)耗散极值原理与对流构形优化相结合, 有助于进一步揭示(火积)耗散极值原理在传热优化方面的优越性. 关键词： 构形理论 (火积)耗散率 冷却流道 广义热力学优化     

矩形肋片热沉(火积)耗散率最小与最大热阻最小构形优化的比较研究

针对矩形肋片热沉, 分别以最大热阻最小化和基于(火积)耗散定义的当量热阻最小化为优化目标, 采用二维传热模型并结合有限元数值仿真对其进行构形优化, 比较了两种目标下的热沉最优构形, 并分析了全局参数(综合了对流换热系数、肋片占据的总面积及其热导率的函数)和材料占比对两种目标(最大热阻、当量热阻)及其对应最优构形的影响. 结果表明: 热沉外形固定时, 两种目标下均不存在最优的肋片厚度; 热沉外形自由变化时, 两种目标下的最优构形存在一定的差异. 此外, 全局参数对两种目标下的最优构形均没有影响, 而材料占比对两种目标下的最优构形均有较大影响. 提高全局参数和材料占比均可以减小最大热阻最小值和当量热阻最小值, 但对两种目标的减小程度不同. 总体上, 调节热沉结构参数使当量热阻最小, 可以同时获得很好的局部极限性能; 而调节热沉结构参数使最大热阻最小, 获得的整体平均散热性能却较差. 因此, 对本文热沉模型进行优化时, 以当量热阻最小化为优化目标更合理.     

基于当量热阻的ORC工质选择方法研究

根据有机朗肯循环(ORC)蒸发器中夹点出现的位置,将其换热过程分为夹点出现在预热起始点(PPP)、夹点出现在工质汽化起始点(VPP)、以及夹点同时出现在预热起始点和汽化起始点(PVPP)三种情况,定义吸热工质和热源流体的热容流率之比为热容比ε,经分析发现PPP,PVPP,VPP三种换热过程分别对应ε1,ε=1,ε1的情况,即可用ε判断夹点出现的位置.讨论夹点温差一定时,热源温度和蒸发温度对夹点位置的影响,发现随着热源温度和蒸发温度的升高,蒸发器的换热过程逐渐由VPP(ε1)变化到PVPP(ε=1)再变化为PPP(ε1).使用基于(火积)耗散率定义的当量热阻来度量换热过程的不可逆性,对比分析三种换热过程对热回收量和当量热阻的影响情况,发现换热过程为PVPP(ε=1)时蒸发器热回收量最大、当量热阻最小.最后对于热源条件确定的蒸发器,以ε=1为目标函数,同时对循环工质和运行参数进行优化。     

基于(火积)理论的热系统分析和优化的能量流法

熵产、炳损最小等准则函数法及传统能量流法是热系统性能优化的常用方法,但这些方法难以整体揭示热系统中的部件特性和拓扑特征,增加了系统整体分析和优化的难度。本文基于(火积)理论,利用流体进口温差(或算数平均温差)为特征温差重新定义了换热器的热阻,揭示了热量输运中驱动力和阻抗的本构关系,提出了换热器稳态性能分析的能量流法。在此基础上,针对双回路热管理系统,根据其拓扑特征及换热器的热阻构建了系统的能量流模型;基于基尔霍夫定律,揭示了系统中包含传递和输运两种阻力的热量整体输运规律。最后,应用拉格朗日乘子法优化该系统,获得了系统中换热器的最小总热导及热容量流的最佳分配,说明了本文基于(火积)理论提出的新能量流法在热系统分析和优化中的先进性。     

基于(火积)耗散率最小的T-Y形肋片构形优化

基于构形理论,以导热和对流换热总(火积)耗散率最小为优化目标,对T-Y形肋片进行构形优化,得到同时考虑导热和对流换热(火积)耗散性能的T-Y形肋片最优构形。结果表明:存在最佳单元级直肋和中部空腔高度和长度比使得T-Y形肋片无量纲当量热阻取得二次最小值。增大肋片高度和长度比和肋片占比有助于提高T-Y形肋片整体传热性能。T-Y形肋片与T形肋片相比,T-Y形肋片二次最小无量纲当量热阻降低32.33%,此时T-Y形肋片温度梯度场更均匀,整体传热性能得到明显提高。     

基于热量流法的超临界CO2换热器性能分析

本文基于热量流法,应用进口温差定义的换热器通用热阻,采用分段法考虑超临界CO₂的物性变化,结合能量守恒方程,构建了超临界CO₂-冷却水换热过程的整体热量流拓扑模型,结合超临界CO₂物性库和经验关联式提出了换热器性能分析的流程图,实现了综合考虑物性-结构-运行参数的超临界CO₂-冷却水换热器的性能分析,进一步结合[火积]耗散热阻的概念提出了评价物性变化时换热器换热性能的等效热阻。通过分析获得了换热量的沿程分布规律,发现当进口压力为11 MPa时,总的换热量最大,此时等效热阻最小。总之,热量流法对超临界CO₂为工质的换热器设计和系统分析是可行和有效的。     

Optimization of fin geometry in heat convection with entransy theory

The entransy theory developed in recent years is used to optimize the aspect ratio of a plate fin in heat convection.Based on a two-dimensional model,the theoretical analysis shows that the minimum thermal resistance defined with the concept of entransy dissipation corresponds to the maximum heat transfer rate when the temperature of the heating surface is fixed.On the other hand,when the heat flux of the heating surface is fixed,the minimum thermal resistance corresponds to the minimum average temperature of the heating surface.The entropy optimization is also given for the heat transfer processes.It is observed that the minimum entropy generation,the minimum entropy generation number,and the minimum revised entropy generation number do not always correspond to the best heat transfer performance.In addition,the influence factors on the optimized aspect ratio of the plate fin are also discussed.The optimized ratio decreases with the enhancement of heat convection,while it increases with fin thermal conductivity increasing.     

基于(火积)理论的轧钢加热炉壁变截面绝热层构形优化

基于绝热过程(火积)耗散极值原理, 分别在对流传热和复合传热(对流和辐射传热)边界条件下, 对轧钢加热炉壁变截面绝热层进行构形优化, 得到(火积)耗散率最小的绝热层最优构形. 结果表明: 与等截面绝热层相比, (火积)耗散率最小的变截面绝热层整体绝热性能更优. 热损失率最小和(火积)耗散率最小的绝热层最优构形是不同的. 热损失率最小的绝热层最优构形使得其能量损失减小, 而(火积)耗散率最小的绝热层最优构形使得其整体绝热性能提高. (火积)耗散率最小和最大温度梯度最小的变截面绝热层最优构形差别较小, 此时(火积)耗散率最小的绝热层最优构形在提高绝热层整体绝热性能的同时也提高了其热安全性. 基于(火积)理论的绝热层构形优化为绝热系统的优化设计提供了新的指导.     

辐射(火积)耗散与空间辐射器温度场均匀化的关系

(火积)理论是针对传热优化发展起来的,并获得了越来越多的应用。本文基于辐射(?)原理,对空间辐射器散热过程中的散热量分布、发射率分布和散热面积分布问题进行了分析。对于以上三类优化分布问题,理论分析和数值计算均表明,辐射器最小的辐射(?)耗散和辐射热阻均对应于散热表面均匀的温度场。因此,辐射(?)原理可用于空间辐射器的温度场均匀化设计。     

孤立系内热传导过程(火积)耗散的解析解

(火积)耗散与熵增均可以作为传热不可逆性的度量, 当前(火积)理论的反对者认为(火积)是不必要的. 为说明(火积)的必要性, 从有效性的角度进行了论证, 即在描述传热过程不可逆性的变化上, (火积)的严格解析解存在, 而熵的严格解析解难以得到. 本文构建了孤立系内的一维及多维热传导模型, 求解了温度及其梯度的级数型解析解, 将其代入(火积)耗散的求解式, 得到其最初的形式为一多重级数的多重积分, 交换积分与级数计算顺序, 并利用特征函数的正交性, 将(火积)耗散求解式中的积分运算求出, 并使级数的维数降低, 最终将其表示为一稳态项与一瞬态项加和的形式, 其极限与文献中的结果一致. 通过对孤立系内(火积)耗散解析解的求解可以得出: 由于热传导过程熵与(火积)的解析解求解难度不同, 在描述传热过程不可逆性变化上, (火积)更加有效; 对于孤立系内不同维数的热传导问题, 只要温度场解析解存在, (火积)耗散解析解均可以应用特征函数正交性求解得到.     

Constructal Equivalent Thermal Resistance Minimization for Tau-Shaped Fin

With the aid of constructal theory and entransy theory, a Tau-shaped fin (TAUSF) is investigated in this paper, and the widths of the bend end and elemental fins are assumed to be different. The construct of the TAUSF is optimized by the minimum equivalent thermal resistance (ETR) obtained by entransy dissipation rate. The constraints of total enveloping volume and fin material volume are considered. The results show that in the specified range of width ratio, the twice minimum ETR of the TAUSF can be yielded by an optimal width ratio and an optimal length ratio. In addition, comparing the optimal performance of the TAUSF with the counterpart of a T-shaped fin, the former sacrifices a small amount of heat transfer performance and its stiffness increases due to its structure with the bend end. The optimal structure of the TAUSF yielded from ETR minimization is conspicuously different with the counterpart yielded from maximum thermal resistance minimization. Comparing the thermal performances of the two optimal constructs, the ETR of the former optimal construct is declined by 10.58%, whereas the maximum thermal resistance is augmented by 5.22%. The former optimal construct can lead to the uniformity of temperature gradient and the reduction in thermal stress, and can guide the engineering designs of practical fins.     

对流换热过程的热力学优化与传热优化

为了进一步明确对流换热过程中热力学优化与传热优化之间的差异,本文分别利用熵产最小原理、(火积)耗散极值原理针对两种边界条件下的对流换热问题进行分析,讨论熵产,(火积)耗散与有用能损失以及对流换热能力之间的关系.结果表明:熵产最小意味着系统的有用能损失最小,但并不反映系统的对流换热能力的强弱;而(火积)耗散取极值意味着系统的对流换热能力最强,但与系统的有用能损失不存在对应关系.因此,对于将降低有用能损失作为优化目标的换热问题应采用熵产最小原理进行分析;而对于需要将提高换热能力作为优化目标的对流换热问题应采用(火积)耗散极值原理进行分析.