论文部分内容阅读
摘要：换热器工作原理为把某种流体的热量以某种方式传到另外一种流体的热学设备。换热器在工业中得到极其广泛的应用，常见的如动力工业中锅炉设备的空气预热器和过热器，电厂中给水加热器和凝汽器在热力系统中的应用等。合适的选取运行参数和结构对应于换热器，换热器的热性能可以得到提高。考量热力学第一定律，换热器热性能可以用换热量或有效度等指标来评价。从热力学第二定律的角度，换热器热性能可以用换热器不可逆性的大小来评价。换热器的不可逆性越小，表明实际换热过程与理想换热过程之间的差别就越小，这是换热器散热的研究机理。
关键词：散热场；换热器；参数和结构优化
中图分类号：TU832文献标识码： A
一、引言
根据不可逆过程热力学，换热器的不可逆性用熵产率来度量。前人普遍认为换热器的总熵产率包括两个部分，一部分是冷、热流体间有限温差传热产生的熵产率，另一部分是粘性流体有摩阻流动产生的熵产率。熵产率最小对应于换热设备最优，这一优化准则被称为换热过程（设备）优化的最小熵产原理，也被称为热力学优化。
二、换热器散热场
针对以导热或对流方式冷却电子器件的散热通道网络，给出了散热通道网络的等效热阻和等效流阻的定义，并把它们作为散热通道网络导热和流动不可逆性的度量。以等效热阻或等效流阻最小为目标优化了散热通道网络的结构参数。以下是网络优化常用数学模型：
多股流温差场均匀性因子为：
该多股流换热器温差场均匀性因子，考虑多股流温差性造成的均匀性因子与换热性能的不统一性，而将冷热流体间的不同温度采用了无量纲温差。通过对多股流换热器温差场均匀性因子的温度无量纲形式，使得冷热流体间的温差都处于0~1的范围内。该因子能够有效地反映热交换流体沿程(换热器纵向)的温度均匀分布特性，而不会将不同组(换热器横向)温差不均匀造成的影响误差引入，更能较为有效的反映多股流换热器的热交换性能。
三、散热网络优化
针对网络多流的换热器综合与优化，在两股流网络换热器综合与优化的概念中，本文提出了多股流网络换热器优化与综合的方案，这种方法可以直接使用常规的两股流换热器网络综合及优化的理论成果。具体研究方案为：
四、多股流优化方案
获得整体网络初始优化构型，再依据合并法则将多个两股流换热器进行有机组合成换热器的多股流，得到换热器多股流的伊始出入口温差和其它相关匹配数据。换热器的多股流形成以后，从多股流换热器的绝对优选设计着手，利用多股流换热器温差场的均匀性因子作为评价主要目标和指标函数，在特定数据的优化多股流换热器条件下，得到多股流换热器本身的最佳流体结构和并行通道排组列方式。
多股流换热器的设计方案多是在某一局部的工况下进行的，并且采用入口参数在其柔性变化范围内不会对多股流换热器性能产生影响。在换热器多股流优化网络中，可加入多股流换热器的柔性方案，将换热器多股流的进口区间处进行优化变量约束，即在寻求多股流换热器的最佳进口温度的柔性区间范围内。以上概述相应的推导过程：
对平均配置冷却流体的网络流动通道规定它的流阻等效为网络流动通道的耗散率粘性除以流量总体积的二次方。以流阻等效最小值做为网络流动通道的优化方向，讨论了其对影响最优网络流动通道结构的三个因素，第一因素是结构维数（又分为一维、二维和三维），第二因素是通道直径分布（可以是不规则或规则），以及第三因素的几何限制因素（散热表面积一定或两者均一定、散热通道总体积一定）。可以总结三个因素的影响为：随节点数目的增长，流阻等效最小的网络结构通道会向单维（几字形）向二维（并行通道）、进而向多维（多分道）转变。
在平均配置的前提下，散热率均分可表示为：即将打造某一通道网络采取耗费某种限制的“源泉”，则最先的通道网络则会使单位“源”所发出的散热率在整个网络通道上呈现均匀。
五、方案的实例应用
针对发动机内舱散热场区域，如发动机本身、车轮内径、车身内柱、变速箱传动面等表面形状十分复杂，采用平均配置结构化并行生成网络流动通道；对于发动机舱外部网络流动通道，以及在车体表面附近的网络流动通道计算区域，也可采用多股流优化生成流场网格；同时，在距离汽车较远的流场计算区域，采用结构化多股流。因此，对于整个流场计算区域，生成了结构化、多股流优化等组成的网格，全流场流体单元网络得到有效整合。
多股流换热器也可应用于低温情况，但是低温纵向温度呈现与热负荷分布情况具有其独特性，這也是因为换热器中多元并行工做介质组分及系统运行高低压等热力学因素、多股流换热器本身换热性能以及混合工质沿程不均匀的相变传热特性共同决定的。需要注意多股流作用下的特殊条件，其他的均相同即可。
五、结论
在网络换热器两股流基础上，对优化网络换热器多股流的综合方案可以直接采用还算捷径的常规网络流换热器两股优化与综合的技术，在换热器多股流的引导下，较为方便的简化网络优化资源配置。
六、参考文献
[1] 过增元，胡桅林，张朝民，变分原理在叉流换热器优化中的应用，高等学校第三届工程热物理全国学术会议论文集，1990
[2陆 贞. 多股流换热器网络衍生约束法研究及应用，石油机械
[3] 柳雄斌，换热器及散热通道网络热性能的火积分析，航空航天学院
[4] 崔国民,陆 贞,张 勤等.多股流换热器网络及其衍生约束法综合优化研究1见:中国工程热物理学会传热传质学术会议论文集.南京： 2006，编号063176:：1
604~1 607 [5]Landau，H.G.andHlinka，J.W.，SteadyState Temperature Distributionina Counterflow Heat Exehanger Including Longitudinal Conductioninhte Wall，ASMEPaper，1960
[6] 过增元,热流体学，清华大学出版社，1992
作者简介：周茁（1984—）女，辽宁省葫芦岛兴城市人，研究方向：过程装备与控制工程
代金龙（1988—）男，浙江宁波人，研究方向：过程装备与控制工程
关键词：散热场；换热器；参数和结构优化
中图分类号：TU832文献标识码： A
一、引言
根据不可逆过程热力学，换热器的不可逆性用熵产率来度量。前人普遍认为换热器的总熵产率包括两个部分，一部分是冷、热流体间有限温差传热产生的熵产率，另一部分是粘性流体有摩阻流动产生的熵产率。熵产率最小对应于换热设备最优，这一优化准则被称为换热过程（设备）优化的最小熵产原理，也被称为热力学优化。
二、换热器散热场
针对以导热或对流方式冷却电子器件的散热通道网络，给出了散热通道网络的等效热阻和等效流阻的定义，并把它们作为散热通道网络导热和流动不可逆性的度量。以等效热阻或等效流阻最小为目标优化了散热通道网络的结构参数。以下是网络优化常用数学模型：
多股流温差场均匀性因子为：
该多股流换热器温差场均匀性因子，考虑多股流温差性造成的均匀性因子与换热性能的不统一性，而将冷热流体间的不同温度采用了无量纲温差。通过对多股流换热器温差场均匀性因子的温度无量纲形式，使得冷热流体间的温差都处于0~1的范围内。该因子能够有效地反映热交换流体沿程(换热器纵向)的温度均匀分布特性，而不会将不同组(换热器横向)温差不均匀造成的影响误差引入，更能较为有效的反映多股流换热器的热交换性能。
三、散热网络优化
针对网络多流的换热器综合与优化，在两股流网络换热器综合与优化的概念中，本文提出了多股流网络换热器优化与综合的方案，这种方法可以直接使用常规的两股流换热器网络综合及优化的理论成果。具体研究方案为：
四、多股流优化方案
获得整体网络初始优化构型，再依据合并法则将多个两股流换热器进行有机组合成换热器的多股流，得到换热器多股流的伊始出入口温差和其它相关匹配数据。换热器的多股流形成以后，从多股流换热器的绝对优选设计着手，利用多股流换热器温差场的均匀性因子作为评价主要目标和指标函数，在特定数据的优化多股流换热器条件下，得到多股流换热器本身的最佳流体结构和并行通道排组列方式。
多股流换热器的设计方案多是在某一局部的工况下进行的，并且采用入口参数在其柔性变化范围内不会对多股流换热器性能产生影响。在换热器多股流优化网络中，可加入多股流换热器的柔性方案，将换热器多股流的进口区间处进行优化变量约束，即在寻求多股流换热器的最佳进口温度的柔性区间范围内。以上概述相应的推导过程：
对平均配置冷却流体的网络流动通道规定它的流阻等效为网络流动通道的耗散率粘性除以流量总体积的二次方。以流阻等效最小值做为网络流动通道的优化方向，讨论了其对影响最优网络流动通道结构的三个因素，第一因素是结构维数（又分为一维、二维和三维），第二因素是通道直径分布（可以是不规则或规则），以及第三因素的几何限制因素（散热表面积一定或两者均一定、散热通道总体积一定）。可以总结三个因素的影响为：随节点数目的增长，流阻等效最小的网络结构通道会向单维（几字形）向二维（并行通道）、进而向多维（多分道）转变。
在平均配置的前提下，散热率均分可表示为：即将打造某一通道网络采取耗费某种限制的“源泉”，则最先的通道网络则会使单位“源”所发出的散热率在整个网络通道上呈现均匀。
五、方案的实例应用
针对发动机内舱散热场区域，如发动机本身、车轮内径、车身内柱、变速箱传动面等表面形状十分复杂，采用平均配置结构化并行生成网络流动通道；对于发动机舱外部网络流动通道，以及在车体表面附近的网络流动通道计算区域，也可采用多股流优化生成流场网格；同时，在距离汽车较远的流场计算区域，采用结构化多股流。因此，对于整个流场计算区域，生成了结构化、多股流优化等组成的网格，全流场流体单元网络得到有效整合。
多股流换热器也可应用于低温情况，但是低温纵向温度呈现与热负荷分布情况具有其独特性，這也是因为换热器中多元并行工做介质组分及系统运行高低压等热力学因素、多股流换热器本身换热性能以及混合工质沿程不均匀的相变传热特性共同决定的。需要注意多股流作用下的特殊条件，其他的均相同即可。
五、结论
在网络换热器两股流基础上，对优化网络换热器多股流的综合方案可以直接采用还算捷径的常规网络流换热器两股优化与综合的技术，在换热器多股流的引导下，较为方便的简化网络优化资源配置。
六、参考文献
[1] 过增元，胡桅林，张朝民，变分原理在叉流换热器优化中的应用，高等学校第三届工程热物理全国学术会议论文集，1990
[2陆 贞. 多股流换热器网络衍生约束法研究及应用，石油机械
[3] 柳雄斌，换热器及散热通道网络热性能的火积分析，航空航天学院
[4] 崔国民,陆 贞,张 勤等.多股流换热器网络及其衍生约束法综合优化研究1见:中国工程热物理学会传热传质学术会议论文集.南京： 2006，编号063176:：1
604~1 607 [5]Landau，H.G.andHlinka，J.W.，SteadyState Temperature Distributionina Counterflow Heat Exehanger Including Longitudinal Conductioninhte Wall，ASMEPaper，1960
[6] 过增元,热流体学，清华大学出版社，1992
作者简介：周茁（1984—）女，辽宁省葫芦岛兴城市人，研究方向：过程装备与控制工程
代金龙（1988—）男，浙江宁波人，研究方向：过程装备与控制工程