基于(火积)与熵产分析的最优相变温度研究

蓄能对分布式能源系统的效率有较大影响。本文对于分布式能源系统中蓄能的相变温度,分别采用熵产极值,(火积)耗散极值与广义热阻极值进行优化。结果表明,(火积)耗散极值与广义热阻极值作为优化准则所得的最优相变温度对应蓄热取热功率的极大值。此外,基于(火积)耗散分析方法,分析了二级蓄能的蓄热取热能力,结果表明二级蓄能的蓄热取热量比单级蓄能大,二级蓄能与单级蓄能蓄热量之比与冷热流体入口温度无关,仅与传热单元数有关,且当传热单元数趋于无穷大时,二级蓄能与单级蓄能的蓄热量之比趋于四分之三。     

基于有限时间热力学的换热器构型优化研究

针对逆流换热器的换热过程,以(火积)耗散最小为优化目标,推导出冷、热流体温度的最佳分布;进而在满足最佳温度分布的前提下,得到了最小(火积)耗散、最小热阻、(火积)传递效率与总传热单元数的关系.引入数值算例,结果显示随着总传热单元数的增加,换热过程不可逆损耗减小,但减小速率也越来越小.同时也证明了(火积)理论比熵理论更适...     

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     

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.     

相变填充床熔盐斜温层储热系统梯级储热特性

本文建立了双层相变材料熔盐斜温层储热系统的传热储热数值模型，分析了相变材料熔点/位置/含量/比例对储热系统斜温层厚度、流固温差和有效热效率等参数的影响规律。结果表明，由于相变材料的存在，储热系统斜温层分为高温斜温层，低温斜温层和相变层，出口温度出现三个平台，储热系统形成热能梯级输出，使有效放热效率升高。相变材料位置直接影响储热系统性能，高熔点相变材料靠近出口，提高了中高温段放热量。下层填充物占罐体高度比为0.15时，有效放热效率比单层时提高3%～10%。     

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.     

纳米组装相变储热材料的热设计前沿

本文简单回顾了固液相变储热材料发展历程,重点针对纳米多孔定形相变材料,从材料层面的研发设计,到热物理层面的微观限域空间负载、结晶、导热机理,乃至围绕异相/异质匹配提出的显著提升相变蓄传热性能的强化手段进行了总结.同时,指出了目前受制于单一尺度孔径无法兼顾储释热的密度和速率的现状,并探讨在此基础上借助新型多级尺度孔径的骨架材料以突破瓶颈的可能.最后,系统梳理了与之伴随的一系列亟待解决的科学问题、机遇和挑战.     

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     

低熔点合金相变热控数值模拟与实验研究

本文主要对47合金与58合金两种低熔点合金相变材料的相变热控性能与相变过程传热现象进行研究。首先通过将相变热控实验与数值模拟相结合的方法验证了焓–多孔介质模型与Boussinesq假设的可靠性。之后通过数值模拟的方法对比分析了两种低熔点合金相变材料与熔点相近似的传统有机类相变材料热控性能。结果表明,47和58合金低熔点合金相变材料的控温时间明显更长,较传统有机相变材料热控性能更好。另外,自然对流对低熔点合金相变热控装置的温度分布及固液相界面几乎无影响,低熔点合金熔化过程中自然对流效应可忽略。     

快速热响应复合材料的储/放热性能分析

以膨胀石墨为无机支撑材料、石蜡为有机相变材料,制备出高导热系数和储热密度的快速热响应复合材料,并构建传热性能测试系统对该复合材料的储/放热性能进行研究分析。研究结果表明,复合材料不仅能在熔融状态下保持形状稳定,而且显著提高了在储/放热过程的传热性能,从而有效地解决了传统相变材料高储热密度和低导热系数之间的矛盾。     

超临界二氧化碳冷却器中间分流优化设计

基于超临界二氧化碳毛细管冷却器的设计,对冷却器内部的夹点问题、温差均匀性及(火积)耗散率进行了分析。提高冷却水流量和降低冷却水入口温度能够有效避免夹点传热恶化。水流量和二氧化碳流量不匹配会造成冷却器内部温差分布不均匀,增大传热不可逆损失。中间分流措施能够在原有换热器的基础上,通过改变局部水流量分布,提高冷却器内部温差分布均匀性,降低换热器(火积)耗散率。     

管壳式相变蓄热系统性能实验研究

相变蓄热(LHTES)系统利用相变材料(PCM)的潜热可有效地提高系统的储热能力。通常,PCM的导热系数低,使LHTES系统的应用受到了限制。本文通过向十五烷中添加膨胀石墨提高导热系数,分别采用纯十五烷和含有质量分数为30%膨胀石墨的复合十五烷,在不同水流量下,对管壳式LHTES系统的储热特性进行了实验研究。实验结果发现:当储能介质为质量分数为30%膨胀石墨的复合十五烷时,放冷过程中有效储热系数和相对储热率在Re=4298时出现明显峰值,换热效率与储热能力达到相对平衡。并且,当Re=4298,采用含有质量分数为30%膨胀石墨的复合十五烷与纯十五烷相比,系统的有效储热系数可最高提升336.84%。     

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.     

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.     

带环状翅片管式相变储热器的数值模拟

相变材料的低导热性是相变储热器传热过程的主要障碍。在相变材料侧进行强化,是目前提升相变储热器蓄热速率的主要方法。本文采用有限容积法对带有环状翅片的管式相变储热器的蓄热过程进行了数值模拟,得到了温度场、相界面随时间的变化。在此基础上,本文对翅片导热系数、翅片厚度和翅片间距等影响储热速率的因素进行了计算和分析。为相变储热器的优化设计提供了一定的参考。     

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。     

非均匀矩形产热体对流传热构形设计

针对电子器件非均匀发热问题,建立考虑流体流动和传热的三维非均匀矩形产热体模型,以综合考虑(火积)耗散率和耗功率的复合函数为优化目标,基于有限元方法对冷却流道直径和宽高比进行优化,得到矩形单元体在不同产热分布条件下的最优构形。结果表明:综合考虑传热性能和压降损失的复合函数对无量纲流道直径存在极值;当单元体个数从10增加到30时,复合函数的最小值减小了 16.7%;以双自由度对矩形非均匀产热体开展构形设计可进一步提升对流传热的综合性能;提升矩形产热体内部产热的均匀性有益于降低传热过程中的(火积)耗散率,设计人员以综合衡量(火积)耗散率和耗功率的复合函数为优化目标时应尽量将发热元件均匀布置在矩形产热体内。     

填充床显热及相变储热特性分析

储热技术是目前制约太阳能热发电等可再生能源大规模应用的主要瓶颈之一。本文开展了气体流过填充床储热/换热器的储热过程数值模拟,并通过实验数据验证了仿真结果。对比分析了以岩石、钢球和相变硝酸盐作为储热材料时的储热量、热分层、相间温差等特征以及储热—释热周期对热效率及(火用)效率的影响。结果表明,填充床储热方式存在最优储热时间以得到最高的储热效率,循环工作时储热填充床能够得到超过96%的热效率和88%的(火用)效率,因而填充床成为解决可再生能源储热问题的储热方式。     

低熔点合金相变换热特性实验研究

本文针对熔点为70°的Bi-Cd-Pb-Sn低熔点合金的相变换热特性开展了实验研究,讨论了冷却水流量对冷却速率及相界面移动速率的影响。结果表明:低熔点合金在冷却过程中出现明显的相变带,相变潜热释放完后合金温度出现陡降;冷却水流量越大相界面的移动速率越快,当Q80 L·h~(-1)时流量对固液相界面的移动速率影响减小,相同流量下固液相界面的移动速率随热阻的增加逐渐减小。     

基于(火积)耗散数最小的板翅式换热器优化设计

本文以传热和阻力引起的总(火积)耗散数最小为目标,在给定热负荷的情况下对工作流体为理想气体的板翅式换热器进行优化.结果表明,优化后传热(火积)耗散数和阻力(火积)耗散数都得到了大幅减小,而后者减小的幅度更大.随着总煨耗散数的减小,换热器有效度有所增加,而消耗的风机功率大幅减小,从而提高了换热器整体性能.