201156179~84年第卷第期：《中国科学》杂志社论文www.scichina.comcsb.scichina.comSCIENCECHINAPRESS换热器组传热性能的优化原理比较陈群①②,吴晶③,王沫然④,潘宁②,过增元①①清华大学工程力学系,热科学与动力工程教育部重点实验室,北京100084;②DepartmentofBiologicalandAgriculturalEngineering,UniversityofCalifornia,DavisCA95616,USA;③南京航空航天大学能源与动力工程学院,南京210016;④EarthandEnvironmentalSciencesDivision,LosAlamosNationalLaboratory,LosAlamosNM87545,USAE-mail:chenqun@tsinghua.edu.cn2010-07-27收稿,2010-11-22接受国家自然科学基金(51006060)和中国博士后科学基金(200902080)资助项目摘要换热器组内的传热过程目的一般可以分为两类:一类是为了热功转换,另一类是为了加关键词热或者冷却物体.相应地,传热过程也包含熵产最小以及火积耗散极大这两种不同的优化原理.换热器组通过分析换热器组内的传热过程,并在一定约束条件下利用不同的原理对换热器组的面积分优化原理配进行优化,得出熵产最小原理适用于包含在热力循环中的换热器优化问题,而火积耗散极大原火积耗散极大熵产最小理则更适合分析仅涉及传热过程的换热器优化问题.并且,在使用熵产最小原理优化热力循环中的换热器时,除了需要考虑冷、热端换热器产生的熵产外,也应考虑乏汽排放到外部环境引起的熵产.换热器被应用于超过80%的能源利用系统,它同类型换热器的几何形状,流动布置方式以及其他是热能和化工等工程领域中最重要的设备之一.因操作参数对熵产率的影响,并且基于熵产最小原理此,提高换热器的换热性能通常被认为是提高能源对换热器的传热性能进行了优化.然而,Bejan通过利用效率的关键因素之一.经过长期的不懈努力,对逆流换热器进行研究发现换热器的效能并不随熵科研人员已经提出了多种不同的主动/被动式强化换产单调变化,并将此现象称为“熵产悖论”.Hessel-热技术来提高换热性能,包括扩展表面、粗糙元、插greatves[15]曾试图通过无量化熵产率的方法来解决这入物、流体振动以及外加电场或磁场等[1~3].这些技一悖论,但是Shah等人[16]指出当熵产最小时,在不术在工程应用领域有效地降低了能耗,但是在理论同的换热流体的流动布置方式下,换热器效能可能研究方面,其中所蕴含的一些基本物理现象仍需进处于最大值或最小值甚至是在两者之间,这就意味一步明晰.传热是一个不可逆过程,因此有必要分着熵产最小原理并不适用于对所有应用场合的换热析换热器的传热性能与传热不可逆性之间的关系[4],器进行优化.并以此解释在相同约束条件下换热器流动布置方式近年来,过增元等人[17]提出了一个新物理量——影响换热器组的传热性能的本质原因.火积,(UT)/2,来描述系统/物体向外界传递热量的能熵产被认为是任意不可逆过程不可逆性的度量.力,并且推出了火积耗散的表达式来衡量传热过程的Bejan[5,6]导出了换热过程中由于有限温差及流体黏不可逆性.在此基础上,过增元等人[17]提出了用于性所引起的熵产的表达式,以此来衡量换热过程的传热过程优化的另一个原理:对于不涉及热功转换不可逆性,并对布雷顿循环中的回热器进行了熵产的传热过程,当火积耗散取极值时,传热过程的性能最小优化.此后,Poulikakos等人[7~14]分别研究了不最优(在前期文献中,火积被称为热量传递势容[18]).目英文版见:ChenQ,WuJ,WangMR,etal.Acomparisonofoptimizationtheoriesforenergyconservationinheatexchangergroups.ChineseSciBull,2011,56,doi:10.1007/s11434-010-4297-72011年1月第56卷第1期前,火积理论已成功应用于优化导热[17,19,20],对流换起的熵产率为热[21~24],辐射换热[25]以及单个换热器的传热性⎛⎞⎛⎞TQTQ[26~28]out1hh122out能.并且,基于火积理论也开发了一系列新的传SCgh11=+++⎜⎟⎜⎟lnCh2ln.(4)⎝⎠⎝⎠TTinhh12TTin热优化技术,如交叉椭圆管[29]和不连续双斜内肋管[23]等.另一方面,通过将导热和导电过