文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123284
基于火积耗散最小的超临界二氧化碳
传热优化研究
杨凤叶,刘敏珊,刘彤
(郑州大学河南省过程传热与节能重点实验室,郑州 450002)
(Tel:0371-63887312,Email:yangfengye101@)
摘要:本文通过编程迭代的方法,对文献7中的火积耗散均匀分布原则(EoED)和温差均匀分布原则(EoTD)略做改进,使改进后的两种优化原则更好地与实际应用相结合。基于改进后的两种优化原则,分析比较了二氧化碳在不同进口质量流量下,两种原则优化的效果。结果表明,从有效度、火积耗散数等沿管长Z方向的大小变化,显示火积耗散均匀分布原则优化结果明显优于温差均匀分布原则,表明火积耗散均匀分布原则的传热效率高于温差均匀分布原则。
关键词:超临界二氧化碳;火积耗散均匀分布原则;温差均匀分布原则
0 前言
换热器性能的优化,不仅能够强化传热减小阻力,还能节约能源和减少环境污染,在能源日益短缺的今天具有重要的经济价值和社会效益。近些年,随着科研人员对传热现象认识的不断深入,传热强化理论取得了较快的发展[1],其在换热器中的应用得到了广泛的关注。
过增元火积[2]及温差场均匀性原则(EoTD)[3][4]的提出,为评价、优化换热器性能开辟了新的途径。李孟寻等[5]基于遗传算法,以火积耗散数为目标函数对管壳式换热器进行优化,结果表明,换热器的性能的提高是以增加换热面积为代价,和传统的以总成本最小为目标函数的优化设计方法相比较具有明显优势。陈宏瑜等[6]采用最小火积耗散原理对弯管内层流流动的流场进行模拟优化,结果表明,管内优化流场的传热系数和流动阻力比原型流场均较优。郭江峰[7]通过对理想逆流换热器模型的理论分析,建立了在换热系数变化下的火积耗散均匀分布原则(EoED),优化原则仅考虑了单侧热阻,这在实际应用中具有一定的局限性,本文针对平板式逆流换热器的实际换热情况,在此基础上略做改进,使优化原则可以更好的与实际应用相结合。
1物理模型及计算方法
如图所示的换热过程,冷热流体在Z方向有温度的变化,Y方向混合均匀,热量沿X方向传递,其他方向的传热忽略不计。热流体采用变物性,固定热流体相关参数,按照火积耗散均匀分布原则(EoED)、温差场均匀分布原则(EoTD),分别对冷流体侧相关参数进行优化。
资助项目板式逆流换热器示意图
经过对流道内流体的Re计算,冷、热流体换热系数可以采用Dittus-Boelter公式[8]计算:
(1)
式中加:加热流体时,n=;冷却流体时,n=,实验验证范围:Ref=104~×105。
为了使火积耗散均匀分布原则(EoED)和温差均匀分布原则(EoTD)原则更好地与实际应用相结合,本文对文献7中两种优化原则相关参数的计算方法略做改进,主要体现在换热器冷侧流体热阻和换热系数的计算方面。冷侧换热系数的计算采用编程迭代的方法,即首先假定一个冷流体换热系数的数值,按照火积耗散分布均匀原则和温差均匀分布原则,计算得出冷流体的温度分布及冷却水量,由公式(1)得出冷流体的换热系数,逐步假定迭代冷流体换热系数,直到假定值与计算值基本相等,误差不大于10-3,表明假定冷流体侧换热系数合理