順逆流換熱優(yōu)化的熵產(chǎn)悖論及其熱力學(xué)分析.pdf

1、在能源的開發(fā)和利用中，80％以上的能量是以熱能的形式加以利用的，而高性能換熱設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計及制造是眾多工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行熱能高效利用的基礎(chǔ)。自從把熵產(chǎn)最小原理引入換熱器的優(yōu)化設(shè)計理論之后，雖然在高效換熱器的設(shè)計方面已取得了很好的效果，但逆流換熱器的效能在0到0.5范圍內(nèi)所存在的熵產(chǎn)悖論，長期以來成為換熱器優(yōu)化設(shè)計理論中困擾人們的關(guān)鍵問題。
　　本論文分析了目前換熱器優(yōu)化設(shè)計中兩個典型的理論，即以熵產(chǎn)數(shù)反映換熱過程性能的最小熵產(chǎn)理論，以熱

2、阻最小反映換熱過程性能的積耗散優(yōu)化理論，雖然后者能夠更好地解決熵產(chǎn)悖論問題，但卻是以忽略流動過程的耗散為前提。
　　對熵產(chǎn)悖論問題的徹底解決，必須依賴于從熱力學(xué)的角度對傳熱過程與流動傳質(zhì)相互作用而導(dǎo)致的傳熱強化機制的進(jìn)一步理解。事實上，根據(jù)場協(xié)同理論得到的速度矢量與溫度梯度矢量的夾角越小，流動換熱強化的程度越高，對于這時所包含的兩個矢量的夾角同向時為0及反向時為π這兩種不同的情況，目前還沒有從理論上解釋其蘊含的物理意義。
　

3、　當(dāng)熵流的變化為零時，對于穩(wěn)定流動所構(gòu)成的準(zhǔn)孤立系統(tǒng)，有可能存在熵產(chǎn)大于零的自發(fā)過程驅(qū)動熵產(chǎn)小于零的非自發(fā)過程的情況。基于熱流的散度方程，論文分析了流動換熱過程蘊含了兩種不同的熱力學(xué)機制，即傳熱過程與流動傳質(zhì)過程均為自發(fā)過程時的場協(xié)同機制，以及流動傳質(zhì)過程為自發(fā)過程，傳熱過程為非自發(fā)過程時的熱力學(xué)耦合機制。
　　對于換熱器，熱流體側(cè)滿足場協(xié)同機制，所以流體的質(zhì)量流與熱流的夾角越小，換熱效果越好。而冷流體側(cè)滿足熱力學(xué)耦合機制，所以流

4、體的質(zhì)量流與熱流的夾角越大，換熱效果越好。順流布置時，熱流體側(cè)的換熱強化大體被冷流體側(cè)的換熱弱化所抵消，所以順流布置既不強化又不弱化，而逆流布置時冷熱流體側(cè)的換熱均得到了強化，這就是逆流換熱優(yōu)于順流換熱的根本原因。
　　同時，對于逆流換熱，由于冷流體側(cè)符合熱力學(xué)耦合原理，故傳質(zhì)過程的正熵產(chǎn)率越大時，由于熱泵效應(yīng)傳熱過程的負(fù)熵產(chǎn)率的值也越大，意味著流體的溫度升高程度就越大，換熱器的效能也就越大。換句話說，當(dāng)冷流體側(cè)的流動熵產(chǎn)率越大時