换热器新评价标准——火积耗散均匀性系数

定义了火积耗散均匀性系数,选用倾角β=30°～70°的复合人字形板式换热器为研究对象,利用三维CFD数值模拟软件ANSYS-CFX模拟分析换热器的火积耗散率、火用损失率以及系统火积耗散均匀性.结果表明:相同流量时,β=30°的复合人字形板式换热器的火用损失率最少;相同换热量时,β=30°的复合人字形板式换热器的火积耗散率最小;相同传热单元数与有效度时,β=30°的复合人字形板式换热器的火积耗散率最小且系统火积耗散均匀性最优.

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.

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.

基于(火积)耗散率最小的离散和连续变截面导热通道构形优化

应用基于离散变截面导热通道的(火积)耗散率最小构形方法,对变截面导热通道单元体进行了构形优化,并与基于定截面导热通道单元体所得优化结果相比较,结果显示:基于变截面导热通道单元体所得平均温差最小值随构形级数的增加而增加并趋近于定值,而基于定截面导热通道单元体所得平均温差最小值随构形级数的增加而减小并趋近于定值.两者的差异是由于第一级构形体的无量纲平均温差不同造成的.提出了普适的提高结构体传热能力的自相似构形优化方法及准则:将无量纲平均温差为α,长宽比(H/L)为β的矩形单元4个组合,热流节点间导热通道截面面积比为2:1,连续组合两次,得到(H/L)为β的下级构形体.若α<(4+4β+β2)/9β,平均温差随着构形级数的增加而增加并逐步趋于定值;若α=(4+4β+β2)/9β,各级构形体平均温差相同;若α>(4+4β+β2)/9β,平均温差随着构形级数的增加而减小并逐步趋于定值.应用基于(火积)耗散率最小的自相似构形优化方法,多级构造后构形体的平均温差趋近于定值.

基于(火积)耗散率和流阻最小的冷却流道构形优化

基于构形理论,以(火积)耗散率和流阻最小为优化目标,对由定截面和变截面流道内冷却流体冷却的产热体进行构形优化,分别得到矩形单元体的无量纲平均热阻最小和一级构造体、二级构造体与三级构造体的无量纲总流阻最小时的最优构形.结果表明,基于(火积)耗散率最小的矩形单元体的最优构形与基于最大温差最小的最优构形的平均传热温差和极限温差都几乎相等.构造体级数较高时,与后者的构造体的最优构形相比,前者的构造体的最优构形可以较大程度的降低最小无量纲总流阻.因此,将(火积)耗散极值原理与对流传热相结合进行构形优化具有极大的优越性.

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φ_1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φ_1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。

基于（火积）耗散率最小的伞形柱状肋片构形优化

采用解析解法,以无量纲平均热阻作性能指标,对柱状一级组合的伞形肋片进行构形优化,得到了伞形肋片的最优构形.结果表明:单元级柱状肋数量越大,肋片的导热性能越差;在某些设计参数下,优化后的伞形肋片退化为柱状肋;优化后的伞形肋片的直径受设计参数的影响很小.基于耗散率定义的平均热阻反映了整个伞形肋片在传热过程中的导热性能.工程上对肋片进行热优化设计时,在极限安全温度下应尽量选择对应耗散率(平均热阻)最小的构形设计.

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.

基于变截面单元体的(火积)耗散率最小导热构形优化

基于构形理论,以(火积)耗散率最小为优化目标,对变截面外形和变高导热通道的单元体进行了构形优化,结果表明,当增加控制体内部复杂程度时,并不总能降低其平均传热温差,而是存在最佳的构造级数,使平均传热温差达到最小.因为变截面高导热通道内的热流密度不符合线性分布,所以基于(火积)耗散率最小的最优构形与基于最大温差最小的最优构形是不同的.基于(火积)耗散率最小的最优构形相比基于最大温差最小的最优构形可以较大程度地降低平均传热温差,明显地改善了传热性能.由于(火积)更能反映对传热能力的要求,因此基于此可对各种导热构形问题进行进一步的研究.

基于(火积)耗散率最小的叶形肋片构形优化

基于构形理论,以(火积)耗散率最小(总热流一定时,即当量热阻最小)为优化目标,对叶形肋片进行构形优化,得到无量纲当量热阻最小时的叶形肋片最优构形.结果表明:存在最佳单元级肋片数使得一级叶形肋片整体导热性能取得最优.毕渥数对最佳单元级肋片数、最佳单元级和一级叶形肋片长宽比几乎没有影响;随着叶脉和叶片热导率之比的增大,最佳单元级肋片数和单元级叶形肋片最佳长宽比增大,一级叶形肋片最优外形更粗短;(火积)耗散率最小和最大温差最小的叶形肋片最优构形是明显不同的,(火积)耗散率最小的无量纲当量热阻比最大温差最小对应的无量纲当量热阻降低了11.54%,能有效地改善叶形肋片整体导热性能.在相同单元级和一级叶形肋片体积条件下,一级叶形肋片最小无量纲当量热阻比单元级叶形肋片最小无量纲当量热阻降低了30.10%,一级叶形肋片整体导热性能明显优于单元级叶形肋片整体传热性能,其本质上在于(火积)耗散率最小的一级叶形肋片的温度梯度场比单元级叶形肋片的温度梯度场更均匀.基于(火积)耗散率定义的当量热阻反映了叶形肋片的平均散热性能,能从传热优化角度为肋片热优化设计提供参考.

强迫对流换热冷却的产热体(火积)耗散率最小构形优化

应用(火积)耗散极值原理和构形理论,对强迫对流换热冷却的产热体进行构形优化设计,得到了基于(火积)耗散率最小的最优管间距和最优管道直径.结果表明,基于(火积)耗散率最小与最大温差最小的最优构形明显不同.对于前者,换热通道的体(火积)在整个产热体中最优占比为1/2;而对于后者,该占比越大越好.与后者的最优构形相比,前者的最优构形极大地降低了产热体的当量热阻,明显改善了产热体的整体传热性能.基于(火积)耗散极值原理时,传递相同热量(给定发热体的发热量)所需的传热温差是最小的,符合(火积)耗散极值原理的本质要求.

基于(火积)耗散率最小的三维圆柱形单元体和微、纳米尺度下矩形、三角形单元体体-点导热构形优化

基于构形理论,以(火积)耗散率最小为优化目标,对环形高导热通道的三维圆柱形单元体和微、纳米尺度下矩形、三角形单元体"体-点"导热问题进行构形优化,得到无量纲当量热阻最小的"体-点"导热问题最优构形.结果表明:无量纲当量热阻最小和无量纲最大热阻最小目标下三维圆柱形构造体最优构形是不同的,这与对应的二维矩形构造体两种目标下最优构形比较结论不同.在微、纳米尺度下,存在尺寸效应影响时与无尺寸效应影响时的基于矩形和三角形单元体的构造体最优构形有明显区别;由于第二级构造体高导热材料通道中的热流不再服从线性分布,(火积)耗散率最小的和最大温差最小的第二级构造体最优构形是不同的.基于(火积)耗散率定义的当量热阻反映了构造体的平均散热性能,在三维条件和微、纳米尺度下研究(火积)耗散率最小的"体-点"导热构形问题进一步拓展了(火积)耗散极值原理的应用范围.

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.

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(火积)耗散极值原理的轧钢加热炉壁绝热构形优化

与导热过程类比,对绝热过程(火积)耗散极值原理表述为:对于具有一定的约束条件并给定热流(热损失)边界条件时,当耗散最大时,则绝热过程最优(平均温差最大);在给定温度边界条件时,(火积)耗散最小,则绝热过程最优(平均热损失率最小).并基于构形理论,以(火积)耗散率最小为优化目标,在给定绝热温度边界条件下,对轧钢加热炉炉壁单层平板和圆柱体绝热层、多层平板绝热层分别进行构形优化,得到三种绝热结构的变厚度绝热层最优构形.结果表明:与等厚度绝热层和热损失率最小的绝热层最优构形相比,(火积)耗散率最小的绝热层最优构形与两者的构形是明显不同的;(火积)耗散率最小的绝热层最优构形能有效降低其平均热损失率,有利于提高其整体绝热性能.将(火积)耗散率极值原理应用到绝热系统的构形优化,有利于拓展(火积)耗散率极值原理的应用范围.

基于[火积]耗散极值原理的蒸汽发生器构形优化

应用(火积)耗散极值原理和构形理论,采用解析方法对蒸汽发生器进行构形优化设计.结果表明:最优管道间距、烟气质量流率和最大(火积)耗散率都取决于无量纲管径、烟气的无量纲压降数和烟气流道的无量纲长度,而最优管道数量以及上升管和下降管的数量除了取决于这3个无量纲数,还取决于无量纲管道高度.当驱使烟气流动的压差增大且管径和烟气流道长度都减小时,最大(火积)耗散率增大,高温烟气的热量传递过程的平均热流变大,系统性能得到了提高.相比基于传热率最大的最优构形,基于(火积)耗散率最大的最优构形更能提高蒸汽发生器的整体传热性能.

基于耗散率最小的“盘点”脉管网络构形优化

以有限温差传热和流动阻力引起的最小耗散率和耗散数为优化目标,在圆盘总面积和脉管网络总体积给定的条件下,对圆盘区域内一级、二级和三级脉管网络进行构形优化,得到耗散率和耗散数最小的各级脉管网络最优构形.结果表明当参数B1?10??时,在相同无量纲质量流率M*(1?M*?102)下,耗散率最小和熵产率最小的一级脉管网络最优构形有明显区别.对于二级脉管网络,当无量纲质量流率在1?M*?102范围内时,传热耗散和流动耗散大小相当,此时脉管网络最优构形随质量流率变化显著.在相同脉管网络总体积和圆盘半径条件下,相同无量纲质量流率时,一级、二级和三级脉管网络最小耗散数性能几乎相同;当无量纲泵功率*5?10(?1,2,3)?i W i时,随着脉管级数的增大,脉管网络最小耗散数减小,此时增加脉管网络的复杂度有利于提高脉管网络的性能.此外,还以复合耗散率为优化目标对脉管性能进行优化.优化结果可从传热优化角度为脉管系统设计提供参考.

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.

基于火积理论的螺旋折流板换热器的优化结构分析

为了比较平面螺旋折流板换热器和折面螺旋折流板换热器的传热和阻力性能,应用了换热器常用评价标准PEC准则和火积理论对两种换热器实验结果进行了分析,同时采用火积耗散极值原理对两种换热器的传热火积耗散率、阻力火积耗散率以及总火积耗散率进行了对比。结果表明:火积耗散理论分析换热器性能的结果与传统换热器评价标准PEC准则相符,说明了火积耗散理论的可靠性;折面螺旋折流板换热器的综合性能得到了有效的改进,火积耗散率也均优于原始结构,表明折面螺旋折流板换热器的性能得到较大改善;两种换热器传热火积耗散率值要远远大于阻力火积耗散率,约为阻力火积耗散率的一千余倍,说明传热损失为换热器的主要不可逆损失。

对流和辐射边界条件下轧钢加热炉壁绝热层(火积)构形优化

基于绝热过程(火积)耗散极值原理,以耗散率最小为优化目标,在对流传热和辐射传热边界条件下,对轧钢加热炉壁平板绝热层进行构形优化,得到平板绝热层的最优构形.结果表明:对流传热边界条件时,(火积)耗散率最小的绝热层最优构形与热损失率最小的绝热层最优构形是明显不同的.(火积)耗散率最小的绝热层最优构形与热损失率最小的绝热层最优构形相比,(火积)耗散率降低了5.98%,从而使得其整体绝热性能得到提高.对流与辐射复合传热边界条件时,绝热层厚度线性增大的布置方式与等厚度绝热层和厚度线性减小的布置方式相比,绝热层(火积)耗散率分别降低了16.59%和39.72%,从而使得绝热层整体绝热性能大大提高.存在最佳常系数a2,opt使得绝热层无量纲(火积)耗散率取得最小值.绝热层最小无量纲(火积)耗散率和最大温度梯度最小值对应的最佳常系数a2,opt相差不大,这使得(火积)耗散率最小的绝热层最优构形对应的热应力也较小,从而在提高绝热层整体绝热性能的同时也有助于提高其热安全性.本文所得结果能从传热优化角度为绝热层的优化设计提供参考.