管内对流换热过程广泛应用于工程上的换热设备中,它是由有限温差下的对流传热和流体的粘性流动等过程组成,从而是一个典型的不可逆过程。本课题首先以工程上常见的管内对流换热的两种典型工况——恒壁温和恒热流为条件,采用数值模拟的方法,对管内层流换热的进口段的不可逆性进行研究。模拟结果表明,两种工况下的不可逆性规律是不同的;更重要的是,对于管内的层流换热,不管哪种工况,存在入口段时的不可逆性完全不同于全部由充分发展段组成的不可逆性,雷诺数对存在入口段的管内层流换热的不可逆性影响很大,同时由粘性流动引起的不可逆性相对于温差传热引起的不可逆性可忽略不计。因此工程上在追求管内对流换热的入口段效应时,应更加注意其不可逆性的变化。另一方面,考虑到目前对管内对流换热及其换热器在能量传递过程中的不可逆性的研究均忽略了在工程上被认为是影响换热设备传热和流动过程的重要因素之一——污垢,而污垢的存在会给换热设备带来一系列的经济损失,从而成为换热设备设计、运行维护的一个重要方面,而定量地分析污垢对传热和流阻性能的影响就显得尤其重要。本课题还利用熵产分析原理,在恒壁温和恒热流两种工况下探讨污垢对管内对流换热过程热力学性能的影响;同时还研究污垢对换热器传热过程不可逆性的影响;提出新的污垢对能量传递过程不可逆性影响的评价指标;探讨有关参数对其不可逆性的影响;并给出换热器冗余面积新的计算式,从而为定量分析污垢对传热和流阻性能的影响提供有效途径。最后作为管内单相对流换热性能热力学分析工程应用的一个重要方面就是强化传热性能的火用经济评价和管道及其保温层厚度的热经济学优化设计。本课题首先对一种新型的自激振荡脉冲射流强化传热技术进行了实验研究,然后对其强化传热性能进行火用经济评价,提出了一项新的强化传热性能评价指标——强化前后单位传热量的总费用比,该指标不仅能反映采用强化传热措施后传热能力的改善和流动阻力的增大,而且能反映出强化传热措施加工制造成本的增加;另一方面,在对保温节能进行热力学第二定律分析的基础上,从热经济学原理出发,提出了从收益的角度对热力管道及其保温层进行同步设计的思想,并在考虑管内对流换热的条件下,得到热力管道及其保温层的年净收益方程及其最佳管径和保温层厚度的计算式;通过数值求解,讨论经济环境对最佳管径和保温层厚度的影响,并把结果与传统设计法进行了比较,其结果可供工程设计参考。相变对流换热现象是工程上常常遇到的极为重要的物理现象,长期以来它吸引着研究者们广泛的关注。根据非平衡热力学理论,实际的相变过程是经历一系 I<WP=6>重庆大学博士学位论文列非平衡态的不可逆过程,它是在两相间化学势差 ?μ 驱动下实现的,在相变中,物质只可能从化学势高的一相向化学势低的一相转化。虽然,目前已有大量文献从传热和流体动力学等方面研究了相变问题,围绕着相变换热的物理机制和汽泡动力学等方面发表了大量有价值的研究论文。然而从非平衡热力学的角度对相变过程进行的分析却少见诸报道。更为重要的是由于缺乏对相变现象的热力学分析,在某些文献中甚至出现了与热力学原理相悖的情况。本课题以水和水蒸气为工质并结合 IFC 公式首先从非平衡热力学的角度对工程上常见的液体定压汽化、蒸汽定压凝结、液体定温降压自蒸发和蒸汽定温加压凝结等相变过程采用化学势-压力(μ-p)图进行描述和分析;然后采用可用能这个重要的功势函数,对汽液相变换热过程的可用能进行分析,并应用可用能分析来研究汽液相变换热过程的机理和相变换热过程中的有关参数等,从而为汽液相变换热过程的热力学研究提供一个重要的方法;并在对汽液相变换热进行可用能分析的基础上,又对相变过程中的唯象系数 L 进行计算,从而为汽液相变换热过程的定量分析和研究提供一个新的途径;然后采用可用能判据来分析汽液相变系统的稳定性,得到了汽液相变系统的相平衡条件、力学稳定性条件和热稳定性条件;并把结果与简单可压缩单相系统的稳定性条件进行了比较;最后以一个被广泛接受和应用的描写汽泡长大过程的微层蒸发模型为例,从非平衡热力学的角度对水的非均质沸腾换热时汽泡内的蒸汽温度的分布进行数值计算,结果表明,要完成微层蒸发模型中的蒸发和凝结两个相变过程,汽泡内部的蒸汽温度并非均匀的,在汽泡垂直方向上存在有极大的温度梯度,而这在实际过程中是很难实现的。上述结论为汽泡动力学行为和沸腾换热机理的研究提供参考。