中文 3430 字 外 文 翻 译 积耗散小换热器的优化设计 Entransy dissipation minimization for optimization of heat exchanger design 性 质: ?毕业设计 □毕业论文 教 学 院： 系 别： 学生学号： 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 职 称： 起止日期： 机电工程学院 能源动力系 热动 1102 2015.3.9～2015.4.9 积耗散小换热器的优化设计 李雪芳，郭江枫，徐明天程林学院热科学与技术，山东大学，济南 250061， 中国 2010 年 7 月 16 日收到；2011 年 3 月 15 日接受 摘要：本文以水平衡的逆流换热器为例，耗散理论应用于换热器的优化设计。在一定 的条件下，分析确定的管道纵横比。当传热面积或管道的容积是固定的，得到 优的质量速度和小耗散率的解析表达式。结果表明，若降低换热器的不可逆耗散， 则热交换面积必须尽可能加大，而质量流速应尽可能的减少。 关键词：火积，换热器，优化设计 由于化石燃料的逐渐枯竭，燃料价格肯定会上涨。因此，能源短缺是预见到制约 经济和社会发展的不利因素。提高能源利用效率是解决能源危机的的方法。换 热器广泛应用于化学工业，炼油，电力工程，食品工业，和许多其他领域。因此， 通过优化设计提高换热器的性能，减少不必要的能源消耗是很有价值的。 换热器优化设计的目的可以分为两类：一是尽量减少换热器成本[1-5]；另一是减 少基于热力学第二定律不可逆而制造的换热器[6-10]。种方法可以降低成本，但可 能是以牺牲为代价换热器性能[11]。 第二种方法表示的是小熵的理论， 就是所谓的 “熵 产悖论” [8,11] 。 通过电传导模拟， 郭等人。 定义一个新的物理概念， 火积， 它描述了传热性能[ 13 ]。 基于这样的理念，换热器的等效热阻的定义确定换热器的传热不可逆性[ 14 ]。陈等人。 应用耗散理论的传导问题[ 15 ]。郭等人。定义一个耗散数评价换热器性能，不仅避免 了“熵产悖论”，但也可以表征换热器整体性能[ 12 ]徐等人，[ 16 ]开发了换热器有限的 压降下的流摩擦耗散表达式。 目前，基于耗散的热传导有限温度差和流动摩擦压降下的问题[ 14，16 ]，郭等人提 出的无量纲化方法[ 12 ]。定义了一个全面的耗散数。总火积耗散数为目标函数。假设 我们试图证明，由于导管的纵横比或质量流速的变化，对两种积耗散温差下的热传导 和流动阻力的影响下引起的有限的压降， 分别都有一个对应的管道的纵横比或质 量流速。我们还开发了有公式可循的优化管的长径比和热交换器，用于优化设计质量 速度。 1 耗散数 - 1 - 积定义为一半产品的热容量和温度 Eh ? 1 1 QvhT ? MC pT 2 2 2 (1) 其中 T 是温度，qvh 是定容热容量，CP 是在恒定压力下的比热。现在，使用水平衡 的逆流换热器为例，讨论在换热器中的耗散。 假定冷热流体的压缩。进气温度和热、冷流体表示为 T1 和 T2 的压力，P1，P2，分 别。同样，出口温度和压力是 T1，T2 和 P1，P2。为平衡热交换器，热容量率比满足条 件 C ? (mc) 2 (mc)1 ? 1（其中 m 是质量流量）。对于一维换热器在目前的工作中，通 常假设如稳定流动，与环境无热交换，并忽略动能和势能的变化以及纵向传导了。 在换热器中，主要存在两种不可逆性：一是有限的温度差异下的热传导和第二流 动摩擦压降下有限。因热传导有限温差下的耗散率写为[ 14 ] 1 1 2 2 Er ? [ (m c)1T1 ? ( m c) 2 T2 ] 2 2 1 1 2 2 ? [ ( m c)1T1, out ? (m c) 2 T2 , out ] 2 2 (2) 相应的耗散数定义为[ 12 ] Er ? Er Er ? Q(T1 ? T2 ) ? (m c)1 (T1 ? T2 ) 2 (3) 其中 Q 是传热速率， 是换热器效能?被定义为实际的热传递率达到可能的传 热速率的比值。由于有限的压降下流动摩擦耗散表示为[ 16 ] Ep ? m1?p1 T1,out ? T1 ?1 ln T1,out ? ln T1 ? m2 ?p2 T2,out ? T2 ln T2,out ? ln T2 ?2 (4) 在 P1 和 P2 指在冷、热水压力下降，分别为 1 和 2；有其相应的密度。在无量纲 形式导致 Ep ? ? ?p 1 ( pc)1 (T1 ? T2 ) ln T2 [1 ? (1 ? ? ) T2 ? T1 ] T1 T2 ?p 2 1 ? T ( pc) 2 (T1 ? T1 ) ln 1 [1 ? (1 ? ? ) T2 ? T1 ] T2 T1 (5) 这是由于水流的摩擦耗散数。 假设换热器表现为一个接近理想的换热器， 然后 （1ε ）要比团结[ 17 ]小。对于水-水换热器在通常的操作条件下，热水和冷水入口之间的 温差，Δ T=T1-T2，小于 100 K，因此 ?T T1 ? 100 173? 0.366(i ? 1,2) 。因此，方程（5） 可简化为 - 2 - Ep ? ?p1 1 ?p2 1 ? ( pc)1 (T1 ? T2 ) ln T1 ( pc) 2 (T1 ? T2 ) ln T1 T2 T2 (6) 因此，整体的耗散数变为 E ? Er ? Ep ? (1 ? ? ) ? ?p 2 1 ? ( pc) 2 (T1 ? T2 ) ln T1 T2 ?p1 1 ( pc)1 (T1 ? T2 ) ln T1 T2 （7） 对于一个典型的水平衡的换热器，传热单元数 NTU 可以推出，接近无穷大的效力 趋于统一，那么 c=1 有效[ 17 ] Ntu 1 ? Ntu ?? （8） 在传热单元
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