化学热力学的研究方法范文

关键词：板式换热器人字形板片数值模拟传热流动

中图分类号：TK172文献标识码：A文章编号：1674-098X（2015）08（c）-0094-02

板式换热器是一种高效、紧凑的换热设备，与其他换热器相比具有较高的传热系数，由于板式换热器自身所具备的诸多优势加之优良的传热性能，使其在化工、空调、生活热水、采暖等领域得到广泛应用，但其存在一个致命缺点-流动阻力大，这一缺陷严重阻碍了板式换热器的进一步推广应用。板式换热器各板片之间有许多流道，通过板片进行热量交换，与常规换热器相比，在相同的流动阻力下，其传热系数要高出一倍甚至更多。针对板式换热器的内部结构特点，可以采用数值模拟分析方法研究其换热器通道内的换热与流动特性。

1板式换热器的构造与应用现状概述

在进行数值模拟实验分析之前，需要了解板式换热器的构造与工作原理，便于实验研究，促使方程模型的建立更加符合板式换热器特点。板式换热器由互相平行的薄金属板组成，金属板表面为波纹表面，流道内有各自流动的冷、热流体，通过换热面-金属板片进行换热[1]。板式换热器的主要结构为金属板片，此外还有压紧装置、密封垫圈等附属构件，其中，密封垫圈的作用是防止流体之间的内漏，其在运行过程中需承受温度和压力，常常受到工作流体的侵蚀，因此，密封垫圈的性能直接决定着板式换热器的承温承压能力和使用寿命。金属波纹板片是板式换热器的主要换热元件，按照表面波纹形状不同，可以分为人字形波纹、水平波纹、斜波纹等金属板片，当下应用最广泛的金属板片是人字形波纹板片。传热效率、承压能力、流体阻力是衡量波纹板片性能的主要参考指标，人字形波纹板片之所以得到广泛应用，是因为其具有传热效率高、承压能力高等优点，这与其金属板间流道截面结构有关，总之，人字形波纹板片是当前板片中性能最好的一种。

与其他换热器相比，板式换热器主要存在以下优势：（1）结构紧凑。在传热面积相同的条件下，板式换热器所需空间最小，单位体积内的换热面积是管壳式换热器的3～5倍[2]。（2）传热效果好。由于板式换热器的流体通道形式错综复杂，致使流体在狭窄的板间空间可自由流动，压力损失几乎全部用作有效流动，使得板式换热器的传热效果较好，传热系数是管壳式换热器的2～4倍。（3）运行成本低。由于板式换热器的传热效率更高，因此介质流量较少，可减少泵功的损失，从而降低运行成本。（4）造价低。在热负荷相同的情况下，板式换热器的造价要远远低于其他换热器的造价成本。（5）污垢系数低。流体在板式换热器内部流动剧烈，导致污物不易沉淀，通道内的流动死区少，加之换热器面光滑，附着物较少，因此，板式换热器的污垢系数更低[3-4]。正是由于其污垢系数低，不易产生污物，因此清洗起来更加方便，只需拆卸换热器的螺栓即可。

板式换热器在应用过程中出现的问题集中在传热系数与压降方面。增加传热系数可提升传热效果，但同时流动阻力也随之增加，导致运行效率降低，增加运行成本，可见，传热系数与压降之间的矛盾尚需进一步优化解决。在集中供热领域，板式换热器的实际出力与设计值常常出现偏差，在长期使用后，受到污垢的影响，无法达到设计标准所要求的热水参数，造成这个问题的原因与工程设计没有考虑到实际运行环境有关，在缺乏充足设计资料的条件下，设计人员只能根据实验条件进行设计研究，从而出现计算数据与实际设备选型不符的情况。

2板式换热器传热与流动研究成果

2.1人字形波纹倾斜角度对换热器性能的研究成果

最具市场前景和应用最广泛的一种板式换热器是人字形板式换热器，因此，针对板式换热器性能的研究大多数都是针对人字形换热器开展的。研究人员针对人字形板式倾斜角度对换热器性能进行了大量的实验研究，W.W.Focke在前人研究的基础上所开展的实验研究，数据更加权威，具有极高的引用价值。W.W.Focke的实验以不同波纹倾斜角度展开，采用类比关系估算法研究换热器内流态变化对传热过程的影响，结果发现，随着倾斜角度的增加，摩擦系数和传热系数均增加，当倾斜角度达到80°时，其对摩擦系数和传热系数的影响就开始减弱[5]。之后的研究学者在W.W.Focke研究成果的基础上总结了人字形板式换热器的传热和阻力关联式。但是由于换热器结构不同，因此关联式的使用价值有限，Muley为此进行了更加深入的研究，通过对比不同板式换热器，对传热系数进行了更正，并将波纹倾斜角度加入其中。

2.2其他几何参数对换热器性能影响的研究成果

关于板形其他几何参数对换热器性能的研究集中在波高、波距方面。最初的研究是基于水平波纹板流道高度展开的，研究发现随着流道高度的增加，换热器摩擦系数迅速变大，但整体传热性能下降。Dovic在研究中第一次将板片波纹高度与长度之比作为几何参数变量引入其中。有些学者在板片内部插入优化板片，以此来提高流体湍流度，增加换热效率，并分别研究横向距离、纵向距离及锥形角度对传热的影响[6-7]。

3现有研究缺陷与本论研究目的

当前有关板式换热器研究的缺陷集中在以下几点：（1）受实验条件的影响，板式换热器模型过于简单，与真实板式换热器的复杂结构存在较大差异，缺乏对整体流道换热器模型的考虑，计算结果也与实际换热器运行结果偏差较大。（2）没有考虑到换热器进出口段对传热性能的影响。（3）没有综合考虑板式换热器冷、热流体及换热器面，恒热流实验研究环境下的计算结果必然与实际情况存在较大误差。（4）现有的计算准则式通用性较差，只是针对某种特定板片适用，因此在使用过程中需要进行大量的计算和实验[8]。（5）鲜有换热器优化研究是针对热力学第二定律展开的，换热器作为一种换热元件，其在运行过程中的不可逆耗散较大，因此需要对换热器进行优化设计，借助热力学第二定律这一科学定律进行优化设计。（6）换热器的优化设计工作没有考虑到换热、阻力、介质流量三者之间的关系，当前所用板式换热器在传热系数增加的同时，流动阻力也往往随之增加，因此，需要对上述三种因素进行良好匹配设计。

影响板式换热器传热效果的因素众多，包括波纹角度、波高、波距等，这些因素都直接或间接影响着板片换热与流动阻力大小，因此，在寻求最佳换热阻力匹配的前提就是确定三者之间的相互关系。由于波纹板式换热器的流道结构复杂，方式多样，本次研究的首要任务就是将问题简化，通过构建数值模型定量描述换热器板间内流动与换热特性。这一过程需要借助数值模拟软件，并以板式换热器中应用最广泛的一种板片为研究对象进行分析，计算得出其槽道内流场、压力场、温度场的分布情况，将影响板式换热器换热与阻力特性的因素进行对比分析，这也为研究内部结构复杂的板式换热器的传热与流动特性提供了可行性，并可为换热板片的设计优化和新品开发提供参考资料。

4人字形板式换热器数值模拟研究

4.1数值模拟理论基础及建模方法

随着20世纪40年代计算机技术的出现，以及差分法和有限体积法理论的提出，数值模拟这种计算方法逐渐在物理、工程等多个学科领域开展起来，直至20世纪80年代，计算机硬件和各种商业软件的迅猛发展，使得CFX、PHONENIX等软件广泛应用于板式换热器的性能研究与优化设计中。数值模拟即计算机模拟，借助电子计算机，通过数值计算和图像显示来解决实际物理问题。实验流体力学研究近年来取得了极大的发展，实验研究也更加接近实际，但是对于较为复杂的物理运动，如本文所述板式换热器，其内部结构尤其复杂，要想获得清晰直观的流场、压力场、温度场，难度可想而知。数值模拟研究手段的出现大大降低了实验成本，缩短了研究时间[9]。

流体在换热器内的流动与传热形式比较复杂，变量较多，方程也存在相互耦合问题，这就需要进行数值离散，迭代求解，当前常用的方法有有限差分法、有限体积法等。由于板式换热器的流道结构复杂，这就使得在不做任何假设的条件下对其几何特征进行数值模拟难度较大。现有的建模方法包括：（1）单个流道模型。这种建模方法基于波纹形式的周期性变化特点，建模方法比较简单，计算量少，适用于波纹几何参数对板式换热器性能的研究，但是由于模型过度简化，不能全面反映整个换热器的性能，也没有考虑到流体分配不均的情况。（2）两或三流道模型。这种建模方法考虑了多种流体间的耦合换热问题，可更加准确的反映流体在通道内的传热效果，但实际流体并非周期性变化。（3）完整双流道模型。完整双流道模型带有进出口设计，可反映流道内流体的传热情况，同时也考虑到了入口对流体分配产生的影响，但是与真实换热器相比，由于该模型仅包括一个中间换热面，因此实际上市两侧非对称换热。随着数值软件和计算机硬件的创新发展，板式换热器传热与流动性能研究的建模方法也更加贴近实际情况，本文所采用的模型为带有进出口的三通道板式换热器模型。

4.2研究对象及网格划分

文中以人字形板式换热器为具体研究对象，分析与换热、流动相关的三个影响因素：波纹角度、波高和波距，并在此基础上进行数值模拟研究。本次研究截取的人字形板式换热器板片参数为：长：50mm，宽：110mm，波纹角度（β）：30°～80°，波高（h）：3～6mm，波距（l）：10～25mm。不同波纹角度的板片参数见表1。

模型内部网格步长为1mm，网格数超过10万，网格密度可以满足模拟精度要求。

4.3数值计算结果分析

4.3.1角度对传热与流动的影响

倾斜角度决定着通道内的流动状态，是决定板片传热性能的重要参数，本文对30～80°的人字形波纹板片进行了数值模拟研究，可看到通道内流场分布情况。板间内温度分布与介质流速有关，流速较高的地方吸热也更加充分，流动介质分布越均匀的地方，其换热效果也更好，随着β数值的增大，流动介质分布也更加均匀，换热效果也趋于良好，但是流动损失也随之增加。

4.3.2波高对传热与流动的影响

波高对流场的影响并不大，但是板间内介质的分布随波高的增加逐渐变得更加均匀，死区面积也越来越少，波高增加，换热效果增强，由于板间槽道内的空间变大，流动阻力也越来越小。

4.3.3波距对传热与流动的影响

随着波距的增加，板间内高速流动介质的分布也就更多，扰流程度越高，换热效果就越好。从流道内压力场分布情况来看，波距越小，压力梯度的变化就越强烈，波距与角度相同，对压力场的影响要明显高于波高。

通过上面的结果分析可以得出结论：选择传热与流动阻力板片结构参数时，需综合考虑角度、波高、波距的影响作用。

5结语

该文主要阐述了板式换热器传热与流动的研究情况，并以人字形板式换热器为研究对象进行数值模拟计算分析。数值模拟计算方法为板式换热器这种内部结构极为复杂的研究对象提供了有效研究路径，对于换热器传热与流动性能来讲，波纹倾斜角度、波高、波距等都会影响其换热和流动特性，这也为开发新一代板片提供了参考资料，对于一种全新的换热板片来讲，除了需在波纹倾斜角度、波高、波距方面深入计算之外，还要综合其他因素模拟分析新板片的定型及换热、流动特性，接下来的研究工作应当需要通过实验进一步验证其他板型的换热效率，并对文中提及之外的其他因素进行模拟分析和验证。

参考文献

[1]王东杰，姜周曙，丁强.板式换热器性能实验台的研制与性能分析[J].实验室研究与探索，2013（11）：60-64.

[2]栾辉宝，陈斌，郑伟业，等.板壳式换热器传热与流动特性研究[J].热能动力工程，2014（5）：503-508，593-594.

[3]聂泽森，毕勤成，高彬.新型板式换热器的传热与流动特性[J].工程热物理学报，2014（10）：2041-2044.

[4]刘佳驹，刘伟.采用深槽螺旋波纹管的折流杆换热器传热与流动数值模拟[J].工程热物理学报，2015（1）：151-153.

[5]王寒栋.扩散吸收式制冷系统中板式换热器综合传热性能分析[J].深圳职业技术学院学报，2012（5）：3-10.

[6]晁攸明，程聪，张铱p.铁镍泡沫填充板式换热器传热特性数值模拟[J].太原理工大学学报，2012（6）：651-654.

[7]魏文建，李华.点波板式换热器内流体流动换热及压降特性的实验研究[J].制冷技术，2012（4）：36-41.

化学热力学的研究方法范文

竹材在工业与生活中的应用价值

首先，在将竹材经过机械加工后制成各种竹质人造板和竹材制品替代木材的领域内，先后开发了竹材胶合板、竹材胶合水泥模板、竹材地板、竹木复合胶合板、竹材集成材、竹家具和各种竹质生活用品等产品，为产竹区经济的发展和增加竹农收入做出了重要的贡献。在当前中国木材价格高于国际市场、工资水平大大低于欧美等发达国家的情况下，竹材工业化利用的产品尚有一定的竞争能力。利用竹材优良的生物学特性和特殊的微观结构，重视和开发竹材的化学利用，进行深入的研究，开发新的竹产品，寻找合理的生产工艺，增加产品附加值，也是当前竹材产业发展的必由之路。

特别是全竹的家具，业内专家预测在全球木材资源缺乏的情况下全竹家具将成为未来家具的一个重要分支。处理后的竹材板材防虫蛀，不会开裂、变形、脱胶。由于竹子的天然特性，其吸湿、吸热性能高于其它木材，竹质家具具有冬暖夏凉，纯竹质高档家具还具有相当的观赏性。可以预见，全竹家具在国际市场也是大有可为的。

竹材热解过程国外研究动态

生物质的热解已然成为一个新兴的热门研究领域，国外关于生物质热解过程的研究报道大量涌现，相关理论体系逐渐完善起来，现将其中较有代表性的研究成果综述如下：

XiaoGang等利用热分析仪对竹子进行了热解研究，指出在竹子的热解过程有三个阶段：竹子外边面的裂解，竹子内部的裂解和二次裂解重焦油。

Rajulu等把巨龙竹在惰性气氛下利用热分析仪在加热速率为10℃/min做了热解的实验，并利用FreemanandCarrollmethod法计算动力学参数。

MingliangDU等对有老化行为的聚丙烯（PP）和埃洛碳纳米管（HNT）等纳米复合材料进行了热解特性分析。

MartaKrzesinska等运用元素分析，差示扫描量热法（DSC）等方法，以铁竹为例，研究了热解温度对单片多孔碳材料物理性能的影响。

WGWeng等人提出了一种一维综合模型，用来测试碳化材料受到恒定辐射热通量而被热解的过程。测试到了整体碳层厚度，热穿透深度，表面温度和质量损失率之间的关系。

上世纪90年代日本掀起一场“竹炭热”引发日本各地关于竹材热解炭化过程的研究，田岛次郎等用炭化炉进行竹材热解炭化试验，发现竹炭产率与排烟温度110—150℃之间的温升有关；岩田磨治对不同竹材炭化品质进行了研究，认为炭化指标精炼度与表面积、比表面积、亚甲基蓝吸附率等因素有关。

竹材热解过程国内研究动态

由于国内竹材分布广泛，种类众多，且我国对竹材的加工运用水平较高，因而国内关于竹材热解过程的研究成果较为丰富，现将其中较有代表性的研究成果综述如下：

邓天异采用高精度热重分析仪（TG，DTG和DSC），在高纯氮的气氛下，在40—500℃温度范围内，考查了不同部位的竹材样品（分为外、中、里三层）的热解过程，进行了小样品竹材在不同加热速率和样品状态下的热解动力学分析、产率分析及热解过程中的焙变分析。

徐明综述了几类（非）木质植物原料热解及液化的研究进展，在此基础上以小型同竹龄毛竹材为样品，对其在不同升温速率下进行热分析，并计算了表观活化能。为便于分析还应用综合热分析仪等，研究了毛竹材的微观构造及小型同竹龄毛竹材的化学特性差异。

曾凯斌，蒋斌波，陈纪忠在不同升温速率（5、10、20、30K·min-1）下，对竹材进行TG分析。在313—650K的温度范围内，试样经历了水分析出、第一步热解和第二步热解过程。用Lev-enberg-Marquardt方法对非等温动力学过程求解热解动力学参数。

邵千钩，彭锦等人在研究竹质材料热解失重行为及其动力学研究中利用热重分析仪在氮气气氛下对两种竹质材料（毛竹和孝顺竹）的热解失重行为进行了研究。实验结果表明竹质材料在热解过程中可分为失水干燥、预热解、快速热解和残余物缓慢分解等4个阶段。

王威岗等研究了木质纤维素的热解特性，并对其热解过程进行了分析。结果表明，纤维素在不同升温速率下的热解分为3个阶段：水分的析出、挥发分的析出以及固定炭的生成。并根据积分法中的Coats和Redfem法求解反应的动力学参数（活化能E，频率因子A）。

文丽华等选取杉木、花梨木和水曲柳为样品，对其在不同升温速率下进行了热分析并将木材的热解过程分为四个阶段，分析了每个阶段的化学物理变化以及热效应的变化，研究了不同升温速率对热解过程的影Ⅱ向，并建立了试样的热解模型，求出其动力学参数。

齐国利等用综合热分析仪研究了在氮气或二氧化碳作为载气的条件下，生物质（稻壳、玉米秸秆和木屑）热解的TG/DTG曲线。依据热重曲线，将热解反应分为两个主导反应区，其拐点温度为Tf，并利用改良的Coats-Redfern法和常用的46种机理函数，计算出生物质热分解反应的表观活化能、反应级数及频率因子。并利用这些动力学参数，计算出生物质热解的动力学特征值——反应速率常数k，活化熵AS，活化焓AH，Gibbs自由能AG，以及空间位阻因子P。

施海云，方梦祥等对建筑装璜中几种常用板材的热解行为进行了热重分析。通过对TG和DTG曲线的分析，深入研究了影响样品热解过程的几个重要因素：升温速率、样品粒径和试样量对热解过程的影响。通过对十种模型的比较，发现热解过程符合两阶段一级反应模型。并得出了各阶段的动力学参数、表观活化能和频率因子。

崔亚兵，陈晓平等在常压热重分析仪和自行研制的加压热重分析仪上进行了生物质热解特性的系统研究，得到了升温速率、压力等因素对生物质热解过程的影响规律。对不同试验条件下的反应动力学参数进行了求解和比较，并作了机理分析。

化学热力学的研究方法范文篇3

数学方法的发展正改变着人们认识世界的方式.一直以来，人们习惯于将自然界的各种现象划分为清晰的学科领域进行研究.这种思维方式在很大程度上是由于人类研究物理现象的手段仍十分有限.要借助有限的数学方法对自然界的各种现象进行研究，必须进行简化，即“单物理场”分析的思路，如在连续介质力学计算中使用NavierStokes方程解决大部分流体问题；借助对流扩散方程解决物质运移或热量传递；借助麦克斯韦方程组解决电磁场问题.虽然可以用“简化”的方法建立单物理场的认知体系，然而自然界本身在客观上是以极其复杂的状态存在的――各种物理过程相互影响，错综复杂.在数学方法不够发达的时代，没有办法综合考虑这些复杂过程；但在数学方法已经极为丰富的今天，已可以联立偏微分方程组，从多物理场的角度重新认识世界.

例如，人们知道流体的流动会导致热量的传递，流体的流动路径对热量传递有很大影响，动量传递会影响到能量传递.从简化的角度看，可先解决流体问题，然后预测流体中的热量传递，即所谓的单向耦合：从一个物理场单向影响另一个物理场而不受到反向影响.但是，如果流体的密度和黏度依赖于温度而变化，就必须同时求解热量传递和动量传递，这些物理过程相互影响，使得方程变成双向耦合的偏微分方程组，称这种耦合为强耦合.

流固耦合问题是另一种典型的例子.如人体心脏瓣膜是种弹性体，流体的压力会导致瓣膜运动，反过来瓣膜也会改变血液流动的区域；在气动弹性力学领域中，飞机机翼由于受到气流压力的波动产生振荡，而机翼的振荡又会导致周围气流的周期性压力波动.这些都是强耦合的情况.

在电磁场分析中，若采用单物理场分析，可用欧姆定律中的电压和电阻来定义电流；然而超导现象使人们认识到传统认识的局限，转而用磁场定义电流.今天，电磁相互依存早已成为共识，但实际的情况往往更复杂.如，在半导体仿真中考虑载流子在电场作用下的对流扩散，同时产生焦耳热.热膨胀导致的形变会对扩散过程产生影响.实际上，材料的电导率、热导率和扩散率等特性通常都具有热敏性.综合众多因素可以发现，半导体分析也表现为典型的多物理场强耦合问题.强耦合问题处处存在，如磁流体、电流体、光化学反应、电化学反应、等离子体以及地球科学等.

这些多物理场强耦合问题的发现说明人们正以更深刻、更贴近自然本质的方式重新认识这个世界.在牛顿和爱因斯坦将经典物理学的大厦描绘得无比辉煌的20世纪30年代，人们觉得物理学的所有基本问题都已解决，物理学不会再有大的发展，但是量子力学的诞生使人们意识到，它打开的不是一扇窗，而是进行了一次革命.今天的多物理场分析，也是重新认识这个世界的一次革命，人们正在经历又一次科研创新的大发展.

回顾物理学发展的最近100年，科研创新最为活跃的时间是在1930年以后的这几十年；而在量子力学带来的大发展之后，交叉学科的兴起又成为目前最为耀眼的创新增长点.交叉学科或跨学科研究是改变科研思维方式的体现，因此人们不再愿意受到学科领域的局限，转而从多物理场的视角重新认识、重新发现.

今天，化学与物理交叉而成的物理化学或化学物理学（PhysicalChemistry），研究化学热力学、催化、胶体与界面化学、光化学、电化学、有机固体、理论化学与化学信息学等；生物与化学融合而成的生物化学或化学生物学（Biochemistry），利用化学合成中的方法解答生物化学所发现的问题；物理与生物交叉而成的生物物理学（Biophysics），研究生物的物理特性，如光谱、成像、生物能、细胞、神经和信号传导、生物信息和生物统计等；化学、生物、医学、计算机、电子、物理、力学相互交叉融合而成生物医学工程（BiomedicalEngineering），研究生物信息学、医学图像、图像处理、生物信号处理、生物力学、生物材料、系统分析、假体、医疗设备、诊断设备、成像设备和医用药品等.今天，在Science和Nature上，几乎所有的论文都来自这些交叉学科领域.在美国，交叉学科领域的研究在加州大学伯克利分校、洛杉矶分校、圣地亚哥分校，伊利诺伊大学香槟分校，加州理工学院，麻省理工学院，斯坦福大学，威斯康辛大学麦迪逊分校，宾夕法尼亚州立大学，约翰・霍普金斯大学等著名院校都异常火爆.再翻看近年来美国科学院、美国工程院的院士增选名单以及近年来诺贝尔物理学奖、化学奖、生理学或医学奖的得奖名单，更会惊叹交叉学科的魅力.

人们正在经历新一轮物理大发展，正在用多物理场的方式重新认识这个世界.更激动人心的是，全球范围内交叉学科的兴起只是最近30年的事；如果局限在国内，那也只是最近15年的事.今天的科研环境充满了机会！但机会也意味着挑战！