熵分析法：以热性能指标Ns为统一变量的热交换器评价方法

从热力学第二定律知，对于热交换器中的传热过程，由于存在着冷、热流体间的温度差以及流体流动中的压力损失，必然是一个不可逆过程，也就是熵增过程。这样，虽然热量与阻力是两种不同的能量形态，但是都可以通过熵的产生来分析它们的损失情况。本杰（BejanA）提出使用熵产单元数Ns（NumberofEntropyProductionUnits）作为评定热交换器热性能的指标[18-19]。他定义Ns为热交换器系统由于过程不可逆性而产生的熵增ΔS与两种传热流体中热容量较大流体的热容量Cmax之比，即

通过一个简单的传热模型，他把Ns表达为

通过一个简单的传热模型，他把Ns表达为

式中 ——质量流率；

ρ——流体密度；

q′——单位长度上传热量；

p——流体压力；

T——流体绝对温度；(www.xing528.com)

ΔT——壁温与流体温度差。等式右边第一项表示因摩阻产生熵增而造成对Ns的影响，第二项则表示因传热温差（热阻）产生熵增而造成对Ns的影响。显然，ΔT或Δp愈大，则Ns愈大，说明传热过程中的不可逆程度愈大。如果Ns➝0，则表示这是一个接近于理想情况的热交换器。因此，使用熵产单元数，一方面可以用来指导热交换器设计，使它更接近于热力学上的理想情况；另一方面可以从能源合理利用角度来比较不同型式热交换器传热和流动性能的优劣。本杰还利用所建立的模型，通过优化计算论证了在Q/N之值为最小值时，Ns并不最小[19]。由此表明，利用上述方法二（Q/N指标）评价或设计热交换器时不能充分反映能源利用的合理性。通过熵分析法，采用热性能指标Ns，把ΔT及Δp所造成的影响都统一到系统熵的变化这一个参数上来考虑，无疑地这在热交换器的性能评价方面是一个重要进展，因为它将热交换器的热性能评价指标从以往的能量数量上的衡量提高到能量质量上评价，这对于接入热力系统中的一台热交换器来说更具有实际意义。一些研究者发现，本杰提出的熵产单元数的定义式（6.24）不够完善，因传热量小也可导致总熵产小，使得在确定换热器的性能和比较不同的换热器性能时存在一定的局限性，故对该定义式提出了修正的表达式，读者可参阅参考文献[23]。

式中 ——质量流率；

ρ——流体密度；

q′——单位长度上传热量；

p——流体压力；

T——流体绝对温度；

ΔT——壁温与流体温度差。等式右边第一项表示因摩阻产生熵增而造成对Ns的影响，第二项则表示因传热温差（热阻）产生熵增而造成对Ns的影响。显然，ΔT或Δp愈大，则Ns愈大，说明传热过程中的不可逆程度愈大。如果Ns➝0，则表示这是一个接近于理想情况的热交换器。因此，使用熵产单元数，一方面可以用来指导热交换器设计，使它更接近于热力学上的理想情况；另一方面可以从能源合理利用角度来比较不同型式热交换器传热和流动性能的优劣。本杰还利用所建立的模型，通过优化计算论证了在Q/N之值为最小值时，Ns并不最小[19]。由此表明，利用上述方法二（Q/N指标）评价或设计热交换器时不能充分反映能源利用的合理性。通过熵分析法，采用热性能指标Ns，把ΔT及Δp所造成的影响都统一到系统熵的变化这一个参数上来考虑，无疑地这在热交换器的性能评价方面是一个重要进展，因为它将热交换器的热性能评价指标从以往的能量数量上的衡量提高到能量质量上评价，这对于接入热力系统中的一台热交换器来说更具有实际意义。一些研究者发现，本杰提出的熵产单元数的定义式（6.24）不够完善，因传热量小也可导致总熵产小，使得在确定换热器的性能和比较不同的换热器性能时存在一定的局限性，故对该定义式提出了修正的表达式，读者可参阅参考文献[23]。