火积耗散热阻法用于典型换热设备热传递过程的基础研究

本项目以典型换热器热传递过程为研究对象，通过对火积耗散热阻法的理论分析和研究，探讨该方法在换热器热力设计、性能校核及过程优化中的关键问题。.主要研究内容包括（1）理论分析：首先推导出换热器中由流动阻力引起的火积耗散分量，得到不同工质的流动阻力火积耗散及其热阻的计算公式；然后针对典型管壳式和板式换热器，推导出以流动布置方式、工质的物性、结构参数和流体热容量之比等所表示的换热器总火积耗散热阻的具体量化公式。重点探讨各变量影响热阻的物理机理，总结用该方法进行换热器设计和性能校核的规律。（2）数值模拟：首先设计出多种不同流道形状的换热器用板片，计算其传热和流动特性。然后采用多种目标函数，进行板片形状和尺寸的优化。分析不同目标函数对流动和传热性能的影响，总结规律，最终确定一种高效的板片结构。（3）实验分析：对最终确定的换热器进行实验研究，找出理论分析和实践应用的差别，完善相关量化公式。

热能是能源的主要表达形式之一。在初级能源消费中，约有80%的能源需要通过换热设备进行转化。换热设备是煤炭、化工、炼油、动力、航空及其他众多工业部门广泛使用的一种通用工艺设备，其节能特性直接影响到整个国家的能源利用效率。本项目以常规换热器的热传递过程为研究对象，通过对现有火积耗散极值原理和最小熵产原理的研究和发展，探讨了适用于换热设备传热过程优化的理论和方法。.本项目通过理论分析、数值模拟和实验测试，得到的主要研究成果如下：（1）理论推导了换热器中由流体流动阻力所引起的火积耗散分量表达式；定义了新的火积耗散均匀性系数，物理意义是表征换热器内火积耗散的分布情况，适用于评价热传递过程的优化程度，可用于换热器中节能减阻的机理分析。（2）理论分析和数值模拟了在典型导热过程优化中火积耗散极值原理和最小熵产原理的联系和差别。以体点散热过程为对象，研究了火积耗散极值原理和最小熵产原理为优化准则指导下的高导热材料布置。通过改变高导热材料的数量、边界条件以及内热源的布置，结果表明火积耗散极值原理指导下的高导热材料布置能够获取较低的基体温度，实现高效散热。本项目提出了一种新的离散热导率算法。与已有算法相比对，该算法具有全局寻优能力强，计算量小，耗时短等特征，可用于后续的热传递过程的优化计算中。（3）研发了一种新型复合波纹板片，可用于采暖、热水供应、余热回收等典型传热领域。分析了波纹比例系数、波高、波纹密度以及波纹倾斜角等几何参数对换热器性能的影响，得到了限定泵功条件下复合波纹板片的优化结构。实验验证了复合波纹板片换热器的流动和传热特性，相关准则方程为其实践应用奠定基础。.基于本项目所得研究成果，在国内外核心期刊发表论文8篇，其中英文期刊1篇，国际会议论文1篇；授权发明专利2项，实用新型专利1项；培养硕士研究生2名。