换热器优化设计的最小_火积_耗散方法.docx

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换热器优化设计的最小_火积_耗散方法

换热器优化设计的最小李雪芳,郭江峰,许明田*,程林山东大学热科学与工程研究中心,济南250061*联系人,E-mail:mingtian@sdu.edu.cn耗散方法2010-07-16收稿,2011-03-15接受国家重点基础研究发展计划(2007CB206900)和山东省国际科技合作(2008GJHZ20701)资助项目摘要以水-水换热的平衡逆流换热器为例,把耗散理论应用于换热器的优化设计.在一定的假设条件下,得到了换热器的最佳长径比的解析表达式;在给定换热面积或换热管体积的约束条件下,获得了最佳质量速度和最小耗散率的解析表达式.这些结果表明,为了减少换热器中的不可逆耗散,在允许的条件下应尽量增大换热面积,降低流速.关键词耗散管壳式换热器优化设计随着石油和煤炭等能源资源的枯竭,其价格也不断攀升,能源短缺已成为影响经济和社会发展的重要因素.换热器广泛应用于化工、石油、动力、食品加工及其他许多工业部门,在生产中占有重要地位.因而对换热器进行优化设计,尽量减少无为的能量耗散,提高换热器的效能,是提高能源利用率的重要措施.目前对换热器的优化目标大致分为两类:一类是以成本最小为目标函数[1~5];另一类是基于热力学第二定律的优化设计[6~10].第一类换热器优化设计方法,虽然使成本降低,但牺牲了换热器的性能[11].而以熵产最小化为代表的第二类优化设计方法,存在“熵产悖论”的缺陷[8,12].过增元等通过导热过程和导电过程的比拟,定义了描述热量传递能力的物理的方法,以总的耗散数最小为目标函数,在一定的假设条件下,证明随着长径比或质量流量的变化,由有限温差传热引起的耗散和由黏性流动引起的耗散存在相反的变化趋势,因而存在最佳的长径比和质量流量.并试图用解析的方法给出换热器的最佳长径比和最佳质量流量,用于指导换热器的优化设计.1换热器中的耗散定义为热容量与温度乘积的一半[13]E?1QT?1McT2,(1)hvhp22这里,Qvh是为热容量,cp是流体定压比热,T是温度即热势.下面我们以平衡逆流换热器为例讨论换热[13],量——并据此定义了换热器的等效热阻用于定耗散.假设换热器中的两种流体均为不可量描述换热器中传热引起的不可逆耗散[14].Chen等[15]把耗散理论应用于体点散热问题.郭江峰等[12]基器中的压缩流体,热流体和冷流体的入口温度和压力分别为T1,P1和T2,P2,出口温度和压力分别为T1,out,耗散理论定义了评价换热器性能的耗散数,于P1,outT2,out,P2,out.和冷热流体的热容流量比发现耗散数避免了熵产数导致的“熵产悖论”,且能够体现换热器的整体性能.许明田等[16]推出了换热器中黏性流动引起的耗散.本文拟基于文献[14,16]给出的换热器中有限温差传热和黏性流动引起的耗散表达式,以及文献[12]给出的对耗散无量纲化C???m?c?/?m?c??1(m?为质量流量).对于一维换21热器,假设流动为一维定常流动,和外界没有热量交换,忽略流体动能和势能的变化,并忽略轴向导热.对于换热器中的换热过程,主要存在两类不可英文版见:LiXF,GuoJF,XuMT,etal.Entransydissipationminimizationforoptimizationofheatexchangerdesign.ChineseSciBull,2011,56,doi:10.1007/s11434-011-4489-82011年4月第56卷第11期逆耗散:一是有限温差传热,二是黏性流动.考虑到本例为典型的换热器换热过程,因此可以引由有限耗散率为[14]入传热单元数Ntu.设换热器有效度?接近1,传热温差传热引起的??m?c?2.?m?c??1时1?[17]单元数Ntu趋于无穷大.当C,??1?m?c?T2?1?m?c?T2?E??2?T12122??Ntu??(8)??1?m?c?T2?1?m?c?2?.1?Ntu(2)T?2?1,out2,out122??在本例中,传热单元数定义为耗散数为[12]定义有限温差传热的UANtu?,E?TE?T?m?c?E?*??,(3)T?2Q(T?T)12????m?cT?T112其中,U是总的传热系数,A为总换热面积.假设相对则有其中,Q为换热量,?为换热器的有效度,它是实际于对流换热,固体壁的导热热阻可以忽略,换热量与最大可能换热量的比值.由黏性流动所引111耗散为[16]??,??(9a)起的??UAhAhAT1,out?T112?m?1?P1E?或P?1lnT1,out?lnT1111??,(9b)T2,out?T2?m?2?P2(4)NtuNtuNtu,12?2lnT2,out?lnT2其中,h1和h2为热流体和冷流体的对流换热系数,其中,?P1,?P2分别为热流体和冷流体的压降,?1

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