傳熱過程的效率分析

傳熱過程的效率分析

0基于企業(yè)創(chuàng)新能力的耗散準(zhǔn)則近年來，越來越多的科學(xué)家致力于對(duì)加熱優(yōu)化的研究。然而，許多科學(xué)家使用了加熱優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)，而不是從加熱研究的角度進(jìn)行分析。對(duì)照其他傳遞過程可以發(fā)現(xiàn),傳熱過程缺少效率的概念,而這其中最重要的原因就是傳熱過程中熱量守恒,但現(xiàn)有理論中卻缺少既具有勢(shì)能意義又發(fā)生耗散的量。過增元等從熱電比擬出發(fā)提出了一個(gè)新的物理量—,它具有勢(shì)能的含義,并且,伴隨熱量的不可逆?zhèn)鬟f,發(fā)生耗散。已有一系列的文獻(xiàn)探討基于的優(yōu)化準(zhǔn)則,如耗散極值原理。不過,耗散準(zhǔn)則僅從不可逆的角度分析,還沒有全面探討影響換熱過程性能的各種因素。本文則基于的概念定義了反映傳熱過程性能的傳效率,并且引入熱量傳遞不可用的概念將“不可逆”與“不可用”分開,討論影響傳效率的各種因素。1效率概念在物理過程中1.1熱功能重建過程的效率熱力循環(huán)中的熱功轉(zhuǎn)換效率,也稱為熱力學(xué)第一定律效率,它是輸出功與輸入熱量之比,可表示為,1.2流體輸運(yùn)所承擔(dān)的代價(jià)如圖1所示的水容器,向低水位處輸運(yùn)流體,流動(dòng)過程中流體質(zhì)量守恒,為流體輸運(yùn)所付出的代價(jià)就是壓力勢(shì)能的耗散。在等截面通道中質(zhì)量輸運(yùn)的效率可定義為輸出壓力勢(shì)能與輸入壓力勢(shì)能之比,表示為,其中,V為管道中的體積流量,這里考慮不可壓流體的情況;p1和p2分別為進(jìn)出口壓強(qiáng)。1.3電源輸入電氣系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)輸電過程中電量守恒,為電荷輸運(yùn)所付出的代價(jià)是電能的耗散,其效率定義為輸出電能與輸入電能之比。圖2為一個(gè)簡單輸電過程的示意圖?？梢钥吹?電源輸入的電能在輸運(yùn)到電容的過程中在電阻上有耗散,其效率為輸入到電容的電能與從電源可輸入電能之比,可表示為,其中,I為電路中的電流;V1和V2分別為電源輸出電壓和電容電壓。1.4效率的定義可以看出不管是簡單的流動(dòng)過程、輸電過程還是熱功轉(zhuǎn)換過程,效率均是用同量綱且過程中有耗散的物理量之比來定義的。需要補(bǔ)充的是,在這些過程中伴隨著守恒量的傳遞,也總有某種具有勢(shì)能意義的物理量發(fā)生耗散或損失。2沒有效率概念的現(xiàn)有加熱理論的原因2.1出和輸入值之比對(duì)于傳熱過程,熱量守恒,因此無法用熱量的輸出和輸入值之比來定義效率。對(duì)照前面的分析,傳熱過程相對(duì)流動(dòng)、輸電過程缺少的是有耗散的具有勢(shì)能意義的物理量,有了這樣的量就能定義效率。2.2效率歸一化效率傳熱強(qiáng)化是提高傳熱的速率,其中討論的投入一般為增加換熱面積、提高流速等,而產(chǎn)出一般為換熱量,其投入(或輸入量)與產(chǎn)出(或輸出量)的量綱不同,無法定義歸一化的效率。2.3熱器效能等現(xiàn)有傳熱學(xué)對(duì)傳熱過程定義了肋效率、換熱器效能等概念,但它們關(guān)注的都是實(shí)際輸出與最大可能輸出之比,而并不是輸出與輸入之比,都不能反映真實(shí)的換熱效率。3新用途3.1能量能量根據(jù)前文的分析,無法用效率來描述傳熱性能的原因是熱學(xué)中缺乏與勢(shì)能對(duì)應(yīng)的物理量。過增元等人通過熱量傳遞與電荷、流體傳遞現(xiàn)象之間的比擬,引入了一個(gè)新的物理量—,它與電容器中的電能相對(duì)應(yīng),具有物體熱量的“能量”的性質(zhì)。一個(gè)物體的代表了該物體傳遞熱量的能力。文獻(xiàn)中給出導(dǎo)熱過程的的定義是物體熱容量(熱力學(xué)能)與絕對(duì)溫度乘積的一半:其中,U為系統(tǒng)的熱力學(xué)能(即內(nèi)能)。因此,可以看出是以0K為溫度基準(zhǔn)得到的。3.2傳效率的計(jì)算傳熱過程中熱量守恒,不守恒,耗散是傳遞熱量付出的代價(jià)。以一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱為例,如圖3所示,左端溫度大于右端,即T1>T2;輸入流,輸出流,傳熱過程中發(fā)生耗散,流的耗散量,可以看到耗散量只與溫度差有關(guān),與溫度本身無關(guān)?；诘母拍羁梢远x傳效率為,其中,ΔT=T1-T2。這里效率表達(dá)式顯然也是以0K為溫度基準(zhǔn)得到的,因此效率不僅與溫度差有關(guān)還與溫度的絕對(duì)值有關(guān)。4在換熱器中的換熱和分析4.1熱源出的熱量q熱力學(xué)討論熱量最大做功能力時(shí)引進(jìn)了。由溫度為T的恒溫?zé)嵩慈〕龅臒崃縌的為其中,T0是環(huán)境溫度。Ex,Q稱為熱量,它是熱量與卡諾循環(huán)效率的乘積。是熱量不能做功的部分,稱轉(zhuǎn)換不可用能,它是基準(zhǔn)點(diǎn)選在T=T0引起的。4.2基于有用概念的傳播效謝4.2.1冷、熱流體的產(chǎn)生平衡逆流是換熱的最優(yōu)布置。對(duì)平衡逆流,面積無窮大時(shí)溫差無限小,傳熱過程可逆,即有Th1=Tc2,Th2=Tc1,其中,Tc1、Tc2、Th1、Th2分別為冷、熱流體的進(jìn)出口溫度。則熱流體進(jìn)口攜帶的熱量為,冷流體從熱流體得到的熱量為,則換熱器中熱量傳遞的效率并不總是100%,而是這是換熱器中熱量傳遞的最高效率,而且可以看到此效率與卡諾循環(huán)效率類似。因此換熱器中輸入熱量的可用部分為,稱為熱量的傳遞可用能。其中,是傳遞給冷流體的最大熱量;是換熱器中熱量的傳遞不可用能,這是由于冷流體已具備的熱量,不可能全部輸入冷流體,而只能輸入的熱量,這就是基準(zhǔn)點(diǎn)選為T=Tc1時(shí)引起的不可用能。4.2.2差有限傳熱過程不可逆此時(shí)布置仍然最優(yōu),但面積有限時(shí)溫差有限,即傳熱過程不可逆。因此有傳熱效率為,記是因耗散引起的效率降低,則此時(shí)換熱器的傳熱效率可表示為,4.2.3一般情況下，這方面的換熱器此時(shí)為非最優(yōu)換熱布置且不可逆,傳熱效率為,其中,是由于耗散和非平衡逆流引起的不可用能共同造成的效率降低。4.2.4熱傳效率的計(jì)算如果將溫度基準(zhǔn)選在Tc1,即以溫度Tc1的冷流體為基準(zhǔn)取熱流體的輸出熱量值,則傳熱效率為,此時(shí),換熱效率也就是現(xiàn)在文獻(xiàn)中的換熱器效能表達(dá)式。因此,換熱器效能的物理意義為:把冷流體溫度作為溫度基準(zhǔn)的傳熱效率。4.3能量形式的耗散傳熱是不可逆過程,伴隨著熱量的傳遞必然有某種能量形式的耗散,而可用能不是獨(dú)立的能量形式。由于具有熱量勢(shì)能的含義,所以傳熱的不可逆性應(yīng)以耗散來度量,因此應(yīng)以的變化來定義換熱器的效率。4.3.1無窮大的平衡傳遞器的熱流進(jìn)口為冷流體得到的為,則換熱器的傳效率為,4.3.2有限面積的平衡流處理器此時(shí)傳熱過程不可逆,有耗散,傳效率可表示為,其中,是因耗散引起的效率降低。4.3.3一般情況下，這方面的換熱器影響傳熱過程的因素不僅有不可逆還有非最優(yōu)換熱布置,其傳效率可表示為,其中,是由于耗散和非平衡逆流引起的不可用造成的效率降低。5冷流體溫度基準(zhǔn)取液傳采用(1)基于輸入與輸出流之比可以定義傳熱過程的效率。(2)類似熱功轉(zhuǎn)換,可以定義換熱器中的傳熱效率,并引入了熱量傳遞可用能的概念。當(dāng)溫度基準(zhǔn)取為冷流體溫度時(shí),傳熱效率退化為換熱器的