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:123074
辐射对流耦合换热过程性能优化准则分析*资助项目:南京航空航天大学基本科研业务费专项科研项目(No. NS2012142),传热与能源利用北京市重点实验室开放基金项目(No. SYS100030406)
吴晶
(南京航空航天大学能源与动力学院,南京 210016)
(Tel: 025-84892614, Email:jingwunuaa@)
摘要火积耗散极值原理和热阻最小原理在传热过程优化中有着广泛应用,但在多种传热方式耦合传热过程中的应用尚未见报道。本文针对一典型的辐射对流耦合传热问题,定义了耦合传热过程的总火积耗散和总热阻,并用数值方法验证了在给定总发射率、辐射热端温度、冷却流体温度和对流换热系数的前提下,当火积耗散取极大值和热阻取极小值时,对应着用最小的辐射换热温差获得最大的换热热流,从而验证了火积耗散极值原理和热阻最小原理在该耦合传热过程分析与优化中的适用性,而此时熵产最小原理并不适用。
关键词耦合换热;优化准则;火积耗散;热阻;熵产
0 前言
目前,能源消耗速度的增长使得提高能源利用率显得尤为重要。由于实际应用的多样性和复杂性,研究人员提出了许多不同的传热强化技术,如使用肋片、翅片等,并在各种不同工况下对各种技术的传热性能、强化机理以及适用场合进行分析。同时,人们注意到,强化传热的同时,付出的代价(如高导热材料、消耗的泵功、高发射率材料等)也相应增加,因而提出了传热优化的概念。
为了从理论上分析和优化传热过程,Bejan[1, 2]导出了流动和传热过程中的熵产表达式,将最小熵产原理引入到了传热过程中,认为熵产最小时系统的性能最优[3, 4]。随后,研究人员采用最小熵产原理开展了大量的传热优化研究工作[5-7],并且这类分析方法也通常被称为热力学优化方法。然而,随着研究的深入,最小熵产原理的适用性受到质疑[8, 9],究其原因可以发现,熵是反映热功转换过程中能量损失的物理量,熵产最小对应着做功能力损失最小,而传热过程中,往往更加关心热量的传递速率。
为了分析和优化不涉及热功转换的传热过程,Guo等[10]引入了一个描述物体(系统)向其它物体(系统)传递热量能力的物理量——火积,利用火积耗散来衡量与热功转换无关的传热过程的不可逆性,并提出了用于传热过程优化的火积耗散极值原理和基于火积耗散的最小热阻原理,并在导热、对流等传热过程优化[11, 12]中得到广泛应用,包括相变传热过程[13]、含化学反应过程的多组分黏性流动体系[14]等的分析。在辐射换热方面,Wu和Liang[15]将火积的概念引入辐射换热过程的分析中,沿用热传导、热对流中火积
流的定义,采用火积耗散极值原理对辐射换热过程进行了优化,但文献[15]中并未提出基于火积耗散的热阻概念。Cheng和Liang[16]考虑到辐射传热过程的换热量与冷、热物体温度的四次方之差成正比,因此改进了辐射传热中火积流的定义,并基于这一改进定义推导了辐射火积耗散极值原理以及最小辐射热阻原理,进而将其应用到辐射传热过程的优化之中。但基于文献[16]对辐射传热中火积流的新定义可以发现,其量纲与热传导、热对流中火积流的量纲[10-12]不一致,从而使得基于火积流定义得到的火积耗散、热阻等物理量与热传导、热对流中的相应物理量的量纲