一种回转窑余热回收用集热器的实验研究及其结构优化

减少回转窑表面的散热损失对冶金、化工等高耗能行业的节能减排具有重要意义。针对现有窑表面集热器回收效率较低的现状,提出了一种新型集热器,并通过实验测量与数值计算分析了其换热性能。建立了集热器换热量与管长、管径及管子数等结构参数的数学关系,分别以换热面积、进出口压降以及改进的熵产数为优化目标,利用遗传算法分别对其进行了结构设计,结果表明,优化后集热器的辐射换热所需的换热面积减小15%,对流换热所需的换热面积减少20%左右。优化后两种形式的换热面所消耗的泵功明显减少。优化后集热器的传热熵产数与优化前无明显变化,而流动熵产数得到明显降低。     

基于熵分析法和(火积)分析法的换热网络适应性比较

熵和(火积)是传热过程不可逆性的度量,可以通过分析不可逆损失来评价换热网络中能量的利用情况。针对换热网络存在不可逆性的问题,首先建立了基于熵分析法和(火积)分析法的换热网络能量利用效率的数学模型,然后以最大能量回收为目标,分别对某炼化企业的单段单程加氢裂化(SSOT)装置进行换热网络分析,比较了两种方法对该装置换热网络优化的适应性,并验证了熵分析法是否适用于分析复杂换热网络。结果表明,分别取最小传热温差?T_(min)=15K、20K、25K,熵分析法计算的热力学第二定律效率依次增大,分别为86.80%、88.59%、90.42%,违背了熵产最小原则。而分析法计算的传递效率依次降低,分别为76.45%、74.86%、73.41%,该趋势与"温差越大,(火积)传递热量的能力越低规律"相一致。最后由该结果说明了(火积)分析法比熵分析法更加适用于分析换热网络的能量利用效率,有利于评价换热网络的节能潜力。     

基于热力学第二定律的热交换器性能比较分析

针对热交换器换热过程,引入熵产单元数定量描述其不可逆程度,并建立熵平衡方程,利用Maple软件对比分析了两类熵产单元数与传热特性参数的关系。结果表明,传热效率、传热单元数、热容流量比、预热温度比、热端温度比是表征换热过程不可逆程度的主要参数,为基于热力学第二定律的热交换器的性能评价提供了理论依据,对节能工作具有重要参考价值。     

管内强化传热性能的熵产分析与性能评价

通过热力学第一、第二定律,对管内对流换热综合性能进行熵产分析和评价.建立了一种基于流动与传热过程熵增原理的统一分析方法,在等壁温边界条件下进行熵产分析.并以文献中内翅片管的强化传热作为应用,分别对相同流量、泵功、压降在等热负荷限制下进行强化传热性能评价.结果表明：对于给定的管道,量纲1熵产数只与流动Reynolds数和进口与壁面的温度差有关.利用该分析方法不仅可通过参数分析获得几种强化方式的能量综合利用效果,还可确定合理的流动工况参数、结构参数和合理的强化形式.     

钉肋肋列传热的最小熵产优化分析

应用热力学的熵产概念对钉肋肋列的传热问题进行了研究,从如何使各种不可逆损失最小着手,分析了肋列的肋间距,肋片的直径,换热介质与热负荷等不同参数对熵产的影响,发现在不同参数条件下,熵产数都会存在一个最小值以及与此对应的最优的Ｒｅｄｏｐｔ数,并对顺列和错列两种常用肋片布置方式作了对比,研究结果将有助于节能型钉肋的设计。     

换热网络的新设计方法—双温差法

本文从热力学原理、设计准则及优化方法等几方面介绍了换热网络的一种新设计法——双温差法的最新发展状况。由于该法采取了EMAT≤HRAT的设计准则,较传统的单温差法设计的网络具有较少的分枝、旁路及混合等物流数,这不仅减少了网络的单元数,降低了其复杂性,而且换热面积也可能随之降低。这是目前换热网络设计的一种较理想的方法。     

基于最小熵产的多股流换热器通道排列分析及设计

多股流换热器的通道排列一直是其优化设计的重点和难点,本文通过建立其熵产数学模型,分析了多股流换热器换热过程中的上产生机理,得到了熵产与不同通道排列对应性能之间的关系,探讨了基于最小熵产的多股流换热器通道排列的优化设计,同时应用场协同温差均匀性优化原则进行了比较。结果表明,单位换热量的熵产最小可以作为多股流换热器通道排列的优化指标。     

基于遗传算法的绕管式换热器结构参数优化研究

提出了一种基于遗传算法的绕管式换热器优化设计方法。采用单目标和多目标遗传算法,选取改进熵产数和换热器重量作为目标函数,对结构参数进行优化设计。结果表明,与工程设计值相比,换热器的改进熵产数和重量都得到了明显减小。多目标优化与单目标优化相比结果更优,可得到多组优化解,为绕管式换热器结构参数设计提供更多选择。     

螺旋折流板换热器的熵产分析

通过CFD数值方法,从热力学第二定律的熵产数NS出发,对比研究折面折流板换热器与原始扇形折流板换热器的性能。以分析改进型换热器能量转换数量和质量的优化程度。研究结果发现:折面折流板换热器封闭了扇形折流板相邻直边之间的三角泄漏区,使换热器不仅保持了壳程流体较好的螺旋状流动,而且流动形成了更加明显的径向速度梯度。折面折流板换热器总传热系数增加30.4%—36.3%,壳程压降增加36.0%—36.5%。螺旋折流板换热器熵产数NS随着传热单元数NTU增加而减小。在相同的入口流量下,折面折流板换热器传热单元数NTU均大于扇形折流板换热器,而熵产数NS均小于扇形折流板换热器,减小了24.4%—28.4%。折面折流板换热器不仅在提高换热器能量转换数量方面具有明显的优势,而且在能量的转换质量,即热力完善程度,也有显著的提高。文中的研究结果对于进一步了解螺旋折流板换热器流动换热的机理、指导换热器优化设计具有重要的意义。     

流动换热强化的能量传递转换机制及其最小熵产原理

在线性非平衡区域,对熵产率方程进行了相位拓展,建立了流动换热熵流变化与体系总熵产之间的关系。结果表明,熵产越小时熵流越大,则换热强度越大。当传热与传质均为自发过程,质量流与热流之间同相位时,两者的相位差越小,流动换热的强度越大,它反映了两个正熵产率过程间能量传递的场协同机制;当传热与传质分别为非自发及自发过程,质量流与热流之间反相位时,两者的相位差越大,流动换热的强度越大,它反映了正熵产率过程与负熵产率过程间能量转换的热力学耦合机制。质量流与热流之间由同相位到反相位,分别对应着场协同时的能量传递机制及热力学耦合时的能量转换机制,共同反映了体系流动换热时能量传递转换的最小熵产原理。     

流动换热强化的能量传递转换机制及其最小熵产原理

在线性非平衡区域,对熵产率方程进行了相位拓展,建立了流动换热熵流变化与体系总熵产之间的关系。结果表明,熵产越小时熵流越大,则换热强度越大。当传热与传质均为自发过程,质量流与热流之间同相位时,两者的相位差越小,流动换热的强度越大,它反映了两个正熵产率过程间能量传递的场协同机制;当传热与传质分别为非自发及自发过程,质量流与热流之间反相位时,两者的相位差越大,流动换热的强度越大,它反映了正熵产率过程与负熵产率过程间能量转换的热力学耦合机制。质量流与热流之间由同相位到反相位,分别对应着场协同时的能量传递机制及热力学耦合时的能量转换机制,共同反映了体系流动换热时能量传递转换的最小熵产原理。     

太阳能真空管吸附集热器集热与制冷性能研究及其经济分析

以分子筛 -水为吸附工质对对真空管型太阳能吸附集热器的集热性能进行了详细的分析计算 ,其中包括真空管内、外玻璃间非均匀温度表面的辐射换热 ,两相邻管之间的辐射换热 ,真空管与背板间的辐射换热以及背板的反光等 .同时以制冷量、成本和集热器面积三要素构成新的评判指标 ,对吸附器的结构参数 (管径、管距和吸附剂厚度 )进行了分析 .计算结果表明 ,以大直径的真空管作吸附集热器时 ,可获得较好的综合性能 ;从评判指标来看 ,应用大管径吸附器且两相邻管的中心距离等于 2 .5倍的管径 ,吸附剂的最佳厚度大约为 10mm时经济效果最佳     

扭带结构影响管内传热与熵产的研究进展

随着工业技术不断发展,传统换热管的传热方式已经无法满足高热流密度下的热量输运要求。扭带插入物是一种能够有效提高换热管传热效率的强化传热元件,以其结构简单、加工容易的特点受到了很多学者的关注和研究。管内流体的传热性能及熵产往往作为评价换热管性能的重要参数,因此扭带结构与流动工质对这些参数的影响成为近年来研究的重点。本文主要综述了近十年来不同结构扭带对管内传热与熵产影响的研究进展。首先,将文献中研究的扭带按照几何结构进行分类,阐述和分析了不同类型扭带对换热管的传热、熵产以及综合性能的影响,试图找出几何结构与换热管传热性能以及熵产之间的联系。其次,介绍了扭带与纳米流体复合传热技术的研究进展。最后,归纳了研究人员为达到传热性能最大化以及熵产最小化而建立的传热和熵产模型,并对模型的优缺点进行了评价。     

纳米流体在板式换热器中传热特性的实验研究

实验使用平均粒径为50nm的Cu、Fe_2O_3和Al_2O_3纳米颗粒制备质量分数分别为0.1%、0.3%和0.5%的纳米流体,通过测量不同纳米流体的温度、流量及压力等相关参数,计算各流体在不同雷诺数下的对流换热系数和相应的熵产。实验结果表明:Cu-水纳米流体的对流换热系数相比去离子水增加的最多,Fe_2O_3-水次之,Al_2O_3-水最少;系统熵产与雷诺数的关系类似抛物线,存在最小熵产。     

管道化溶出系统预热级数的模拟优化

通过对拜耳法氧化铝生产的管道化溶出过程热平衡的模拟计算,分析了不同预热级数对新蒸汽用量、换热面积及总设备费用的影响。建立了以年总费用（包括年设备折旧费、维修费、蒸汽费用及电费等）最小为优化目标、预热与闪蒸级数（n）为决策变量的优化计算模型。某典型条件下的计算结果表明,n从5增加至16,新蒸汽用量减少了20.4%,总换热面积增加近29.0%,年总费用先减小后增大,过程最经济级数为11。敏感性分析显示,新蒸汽的单价对优化结果影响显著,其变化±50%会引起年总费用变化±22%以上,同时最经济级数由8变至14。     

熵产方法在旋风分离器内部能耗分析中的应用

应用雷诺应力模型对壁面绝热的旋风分离器的流场进行数值分析,对模拟结果采用熵产分析法和(火用)分析法计算分离器的(火用)损,证实了热力学第二定律研究旋风分离器能量损失的可行性。分别计算了旋风分离器内湍流熵产、黏性熵产、壁面熵产和温差传热熵产。结果表明,壁面熵产和湍流熵产占总熵产的比例分别大于56%和38%,是影响旋风分离器能耗的主要因素。分析了旋风分离器内局部熵产,结果表明,芯管附近体积占旋风分离器体积的10%,其熵产占分离器总熵产的比例高于14%,灰斗入口附近体积仅为旋风分离器体积的5.8%,其熵产占总熵产的比例高于16%,因此芯管附近和排尘口附近是旋风分离器能耗的主要区域。     

一种考虑综合性能优化的换热器热设计方法(二)

给出一种换热器热设计的新方法。该方法综合应用了给定换热表面而使得换热量最大的最佳结构尺寸关系式、给定换热器结构材料而使得传热量最大的两侧换热表面的最佳匹配关系式以及使可用能损失率最小的换热过程最佳运行参数关系式等三个准则方程,同时利用换热器两侧流动换热过程的流动与换热的准则关系式,并在设定换热(传热)热流密度和选定换热器某个结构尺寸与组成方式的基础上采用迭代的方式完成换热器的优化设计。这样的设计方法能使换热器的设计达到材料省、换热效果好及运行费用低的目的,且能在设计阶段实现。这些都是传统的对数平均温差法(LMTD)和效能传热单元数法(ε-NTU)所不能做到的。由于设计变量数目的明显减少而给设计者带来极大方便,也有效地减少了人为干预的因数。     

基于肋片式集热板的直膨式太阳能热泵

将一种新型肋片式集热器/蒸发器应用于直膨式太阳能热泵热水器,对其进行实验研究,并提出一系列优化方案。由于集热器表面温度通常低于环境温度,集热器除了从太阳辐射中吸收热能,还能从空气中吸收部分热能,集热效率较高。相同外形尺寸条件下,新型集热器较吹胀板集热器有更大的换热面积。实验结果表明,在天气晴朗的秋季,将150L水从20℃左右加热至50℃,热泵的平均供热性能系数(COP)能达到5.37,即使在环境温度为18.6℃的小雨天气,系统平均COP依旧能够达到3.43。对实验样机建立仿真模型,并针对新型集热器提出一系列优化方案,计算机模拟结果表明,经过优化,在晴朗天气将150L水从20℃加热至50℃,系统的平均COP可达到6。     

一种考虑综合性能优化的换热器热设计方法(一)

给出一种换热器热设计的新方法。该方法综合应用了给定换热表面而使得换热量最大的最佳结构尺寸关系式、给定换热器结构材料而使得传热量最大的两侧换热表面的最佳匹配关系式以及使可用能损失率最小的换热过程最佳运行参数关系式等三个准则方程,同时利用换热器两侧流动换热过程的流动与换热的准则关系式,并在设定换热(传热)热流密度和选定换热器某个结构尺寸与组成方式的基础上采用迭代的方式完成换热器的优化设计。这样的设计方法能使换热器的设计达到材料省、换热效果好及运行费用低的目的,且能在设计阶段实现。这些都是传统的对数平均温差法(LMTD)和效能传热单元数法(ε-NTU)所不能做到的。由于设计变量数目的明显减少而给设计者带来极大方便,也有效地减少了人为干预的因数。     

一种考虑综合性能优化的换热器热设计方法(三)

给出一种换热器热设计的新方法。该方法综合应用了给定换热表面而使得换热量最大的最佳结构尺寸关系式、给定换热器结构材料而使得传热量最大的两侧换热表面的最佳匹配关系式以及使可用能损失率最小的换热过程最佳运行参数关系式等三个准则方程,同时利用换热器两侧流动换热过程的流动与换热的准则关系式,并在设定换热(传热)热流密度和选定换热器某个结构尺寸与组成方式的基础上采用迭代的方式完成换热器的优化设计。这样的设计方法能使换热器的设计达到材料省、换热效果好及运行费用低的目的,且能在设计阶段实现。这些都是传统的对数平均温差法(LMTD)和效能传热单元数法(ε-NTU)所不能做到的。由于设计变量数目的明显减少而给设计者带来极大方便,也有效地减少了人为干预的因数。