巖土工程師輔導(dǎo)：冷水表面式冷卻器的熵增分析

　　摘要：提出并采用了換熱器強(qiáng)化傳熱性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，即強(qiáng)化換熱器單位換熱量的熵增應(yīng)小于原來?yè)Q熱器單位換熱量的熵增。這一準(zhǔn)則，試圖從熱力學(xué)第一定律與第二定律結(jié)合的角度，對(duì)強(qiáng)化傳熱效果進(jìn)行質(zhì)和量?jī)煞矫娴木C合評(píng)價(jià)?；谠撛u(píng)判準(zhǔn)則，選用了一種冷水表面式冷卻器，對(duì)于不同翅片結(jié)構(gòu)的兩種換熱器方案進(jìn)行了流動(dòng)、傳熱及熱力學(xué)特性的計(jì)算;通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的比較分析，確定了一種較優(yōu)的冷卻器翅片結(jié)構(gòu)，并認(rèn)為所采用的換熱器強(qiáng)化傳熱評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是合理可行的，可以在換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：熵增 強(qiáng)化傳熱 冷水表面式冷卻器

　　1、引言

　　強(qiáng)化傳熱是傳熱學(xué)研究的重要方向，被稱為第二代傳熱技術(shù)。換熱器強(qiáng)化傳熱性能的方法較多，見于報(bào)道的已有幾十種。對(duì)單相對(duì)流換熱、沸騰換熱和凝結(jié)換熱，許多強(qiáng)化措施在傳熱增強(qiáng)的同時(shí)也引起了流動(dòng)阻力增加，從而導(dǎo)致?lián)Q熱器強(qiáng)化傳熱綜合效果可能降低。因此，對(duì)換熱器強(qiáng)化傳熱性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的研究是十分重要且必要的。傳熱增強(qiáng)與阻力增加是一對(duì)較難完全解決的矛盾，一個(gè)好的換熱器設(shè)計(jì)、優(yōu)化工作往往是在雙方之間取得了較好的折衷。以往的換熱器強(qiáng)化性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則大多是從能量數(shù)量角度衡量，如Nu/Nu0、(Nu/Nu0)/(ξ/ξ0)、(Nu/Nu0)/(ξ/ξ0)1/3、Kay-London的j(傳熱因子)-f(摩擦因子)因子分析法，R.L.Webb的縱向比較法等[1]，這些評(píng)價(jià)準(zhǔn)則雖然反映了換熱器一些重要的流動(dòng)與傳熱特性;但隨著強(qiáng)化傳熱與節(jié)能研究的深入，也需要從熱力學(xué)第二定律的角度對(duì)能量質(zhì)量進(jìn)行衡量。在用熱力學(xué)第二定律評(píng)價(jià)換熱器強(qiáng)化性能方面，已經(jīng)開展了一些初期工作，如A.Bejan的熵產(chǎn)單元數(shù)法、火用分析法等，但對(duì)換熱器的換熱量卻沒有考慮。本文試圖從傳熱過程中能量的數(shù)量、質(zhì)量?jī)煞矫鎭韺?duì)換熱器的強(qiáng)化傳熱進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出并采用的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則為;強(qiáng)化后換熱器單位換熱量引起的熵增值應(yīng)該是減小的，減小的程度即表明了性能提高的程度。計(jì)算時(shí)，將綜合采用熱力學(xué)、傳熱學(xué)和液體力學(xué)的研究結(jié)果。

　　2、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

　　圖表法 在換熱器優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)于強(qiáng)化換熱器與原來?yè)Q熱器，先從測(cè)量得到冷熱流體的進(jìn)出口溫度、壓力與流量等參數(shù)，再查關(guān)于焓、熵等參數(shù)的熱力性質(zhì)圖表，來判斷式(8)是否成立。現(xiàn)在常用工質(zhì)的熱力性質(zhì)圖表已相當(dāng)齊全，故這種方法簡(jiǎn)單易行，宜于工程使用。

　　計(jì)算法 在換熱器的計(jì)算機(jī)模擬過程中，若以式(8)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則作為目標(biāo)函數(shù)，通過對(duì)換熱器有關(guān)敏感參數(shù)調(diào)節(jié)比較，即可完成該換熱器的優(yōu)化計(jì)算。本文采用FORTRAN 77語(yǔ)言，針對(duì)冷水表面式冷卻器，進(jìn)行了兩種方案的比較計(jì)算。

　　3、冷水表面式冷卻器計(jì)算選用某種常見的冷水表面式冷卻器結(jié)構(gòu)，對(duì)空氣側(cè)采用平直翅片與百葉窗式翅片的不同情況，進(jìn)行關(guān)于評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的分析計(jì)算。表冷器主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下[2].

　　翅片： 片厚δf=0.3mm 片高h(yuǎn)f=7 片距sf=2.5mm

　　管：外徑d0=16mm 內(nèi)徑di=12mm

　　表面根數(shù)：24

　　排數(shù)： 4

　　散熱面積： 57.6m2

　　迎風(fēng)面積： 0.97m2

　　空氣側(cè)熱阻一般為氣——液換熱器的控制熱阻。百葉窗式翅片因可以不斷地切斷空氣層流邊界層的連續(xù)生成，增強(qiáng)空氣流動(dòng)的紊流度，而比平直翅片具有明顯的傳熱強(qiáng)化作用。本文采用了文獻(xiàn)[3]推薦的一種百葉窗翅片結(jié)構(gòu)，利用換熱器強(qiáng)化傳熱評(píng)價(jià)準(zhǔn)則式(8)，完成了兩種方案的比較計(jì)算。

　　傳質(zhì)系數(shù)計(jì)算

　　β為從含濕量來定義的傳質(zhì)系數(shù)。在空氣——水系統(tǒng)的熱質(zhì)交換過程中，空氣側(cè)換熱系數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)之間滿足劉易斯關(guān)系式：

　　管束傳熱特性

　　在氣流橫掠管束換熱中，由于前排對(duì)后排的擾動(dòng)，以及最后一排無來自管后氣流的壓縮，使第一排與最后一排的換熱系數(shù)較穩(wěn)定值偏低。這里，取第一排換熱系數(shù)修正值為0.8，最后一排換熱系數(shù)修正值為0.95.

　　冷凍水、濕空氣狀態(tài)參數(shù)計(jì)算

　　管內(nèi)的過冷水與濕空氣中的水蒸氣的熱力狀態(tài)參數(shù)計(jì)算采用1967年國(guó)際公式化委員會(huì)(IFC)推薦的公式，包括比體積①、比焓、比熵及蒸汽壓;按要求采用雙精度。筆者就濕空氣編寫了干球溫度、溫球溫度、露點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度、含濕量、比體積、比焓、比熵等參數(shù)的計(jì)算程序。

　　冷凍水、濕空氣物性計(jì)算

　　對(duì)水、濕空氣的平衡物性與遷移物性，如比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)及粘度等，筆者分別編寫了子程序以便調(diào)用。

　　在以上工作基礎(chǔ)上，即可應(yīng)用換熱器強(qiáng)化性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則來進(jìn)行方案的比較分析。

　　4、換熱器方案方案

　　空氣與水逆向交叉流動(dòng)，水流分流數(shù)為24，采用平直翅片。

　　5、分析與結(jié)果筆者編寫了冷水表面式冷卻器的模擬計(jì)算程序，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。

　　6、結(jié)論

　　6.1 采用“強(qiáng)化換熱器單位換熱量的熵增應(yīng)小于原來?yè)Q熱器單位換熱量的熵增”作為換熱器性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是合理可行的，這一準(zhǔn)則不僅適用于單相換熱，也適用于相變換熱。

　　6.2 采用這一評(píng)價(jià)準(zhǔn)則可以對(duì)不同的換熱器方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定出各方案中的較優(yōu)者。這在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

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