换热器优化中的最小熵产原理和火积耗散极值原理.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号: 083409 换热器优化中的最小熵产原理和火积耗散极 值原理† 柳雄斌* 孟继安 过增元 清华大学航天航空学院，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京，100084 Tel ：010*Email：liu-xb04@mails.tsinghua.edu.cn 摘要：以逆流换热器为例，对于仅以传递热量为目的和参与不可逆布雷顿循环两种情况，研究了最小 熵产原理和火积耗散极值原理在换热器优化问题中的适用性。结果表明，对于参与热功转换的换热器， 以输出最大功为目标，换热器的优化准则应为最小熵产原理；而对于只参与热量传递的换热器，优化 目标为给定条件下换热量最大，换热器优化准则应为火积耗散极值原理。尽管对于流体温度变化不剧烈 的换热器，熵产与火积耗散近似线性关系，采用两种优化原理的优化结果趋于一致，但两优化原理所对 应的优化目标不同，适用范围不同。 关键词：换热器优化 熵产 火积耗散 布雷顿循环 换热器传热性能的优化对能源的高效利用有重要意义。换热器中传热过程的不可逆 性通常用熵产来度量，国内外不少学者讨论了换热器性能与其熵产的关系[1-11]，但最小 熵产与换热器效能最大并不完全对应。热力学分析告诉我们，熵产数越小，不可逆损失 越小，换热器的性能应越好，但 Bejan[1]对逆流换热器的分析表明，在一定范围内，逆 流换热器的效能随着熵产数的增大而增大，这一矛盾结论被称为换热器中的“熵产悖 论”。Shah[8] 的计算表明，当换热器的熵产数达到极值时，不同流动布置方式下的换热器 效能既可能是极大值或极小值，也可能是某一中间值。 过增元等[12,13]引入了表征物体热量传递能力的物理量“火积”，火积定义为物体的内能 与其温度乘积之半。火积在热量传递过程中被耗散，从热量传递能力损失的角度来看，火积 耗散是热量传递过程不可逆性的度量。 本文以逆流换热器为例，考虑仅以传递热量为目的和参与不可逆布雷顿循环两种情 况，研究了最小熵产原理和火积耗散极值原理在换热器优化中的适用性。 1. 以传递热量为目的的逆流换热器 工业中换热器的重要用途之一是通过热量交换加热或冷却一股流体，例如在用于空 气分离的换热器中，空气往往要被从室温冷却到-155~-165 ℃[11] 。换热器优化是指在一 定的流动泵功下，当冷热流体进口温度一定时，寻求最佳的冷热流体热容量流比，使换 热量达到最大。 考虑逆流换热器如图 1 所示。设换热器的冷、热流体为同种流体，传热系数与传热 面积的乘积UA 为定值，两股流体的入口温度Tin 、tin 已知。由于泵功的限制，可以设两 股流体的热容量流Chot 、Ccold 之和Ctotal 一定作为泵功一定的一种近似。当冷热流体的热 容量流比 变化时，换热器的换热速率Q、熵产 和火积耗散 存在极值。 Tin Tout tout tin 图1：逆流换热器示意图 † 国家重点基础研究发展规划项目(2007CB206901) 换热速率Q 可以用方程组(1)求解。其中Tout 、tout 为两股流体出口温度，Cmin 为冷热 流体热容量流的较小者，ε为效能，ε可以根据逆流换热器的ε-NTU 关系，由NTU= UA/Cmin 求出： (1) [1] 逆流换热器由于有限温差引起的传热不可逆性熵产 的表达式 是：