傳熱強化評價依據及其進展研究

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傳熱強化評價依據及其進展研究

李麗君

（河南省電力勘測設計院，河南鄭州450007）

【摘要】對傳熱強化性能評價的各種方法進行分析比較，提出了以熱力學定律為依據的傳熱強化評價指標的分類：（1）基于熱力學第一定律的換熱準則數法、Webb縱向比較法、j/f因子法以及傳熱強化綜合評價方法；（2）基于熱力學第二定律的熵產分析的評價方法；（3）基于火用評價的火用分析方法和能級分析方法；（4）熱力學分析與經濟分析結合的熱經濟學方法。針對上述四類評價依據作了詳細的分析研究，結果表明此種分類方法是以熱力學定律的演化為主線，分類依據明確，因此可為工程上強化傳熱評價依據的標準化提供參考。

【關鍵詞】傳熱強化；性能評價；熱力學定律；火用分析方法；熱經濟學

1　基于能量平衡法的性能評價

1.1換熱準則數的評價

強化換熱的研究一直以來都是一個很熱門的課題，為了引導換熱器的研究，一定要有換熱性能的綜合評價方法。人們在對強化換熱進行評價時，往往會考慮流動和傳熱這兩個主要方面，采用單一參數評價傳熱強化性能，如總傳熱系數k和壓降駐p。在早期強化換熱研究過程中，學著只注重換熱器的換熱方面，即換熱系數越高越高效，因此，Nu數的比值Nu/Nu0成為了當時強化換熱的評價標準。

1.2 Webb縱向比較法

隨著傳熱技術研究的深入，換熱器發展方向為體積小、重量輕，在提高傳熱效率的同時，需要降低操作費用。Webb等綜合分析粗糙管流動傳熱特性，提出了Webb縱向比較法比較評估強化傳熱性能，即維持換熱功率、換熱面積、換熱負荷三個因素中的兩因素不變，比較第三因素的變化趨勢以評價傳熱性能的優劣。該方法可根據強化目的進行分類，對各項性能進行分析研究，對研究重點方面求出結果，由此評價換熱器的幾何結構。Webb縱向比較法的具體比較方案為：（1）相同換熱面積（F/FS=1）和泵功（P/ PS=1）條件下，強化換熱元件與光管的換熱量的比值（Q/QS）；（2）在一樣的換熱面積（F/FS=1）和換熱量（Q/ QS=1）前提下，強化換熱元件與光管所耗的有用功之比（P/PS）；（3）相同有用功（P/PS=1）和換熱量（Q/ QS=1）條件下，強化元件與光管所需的換熱面積之比（F/FS）。

1.3 j/f對強化換熱的分析

隨著對強化換熱的研究，Kayes和London提出了j-f因子分析方法，其中傳熱因子j表示換熱能力的大小，阻力系數f表示流動阻力的大小。隨后很多學者都在使用j/f（整體因子比較法）作為評判強化換熱的標準。最近，Yun和Lee從相同輸送功率下傳遞熱量大小的觀點提出了一種新的評價方法，引入了綜合性能系數JF=（j/j0）/（f/f0）1/3。從實際的工程應用方面，此評估方案更具有指導意義，JF為無量綱量，其值大于1時，表明功率一定時綜合換熱性能越好，并且隨著JF的增大，強化換熱能力增加。

（1）整體因子比較法

傳熱因子j反映了傳熱能力的大小，摩擦因子f反映了阻力的大小，其表達式如下：

整體性能因子j/f常用來綜合評價強化傳熱措施的優劣。相對量j/f的值越大，換熱面的性能越好。

即：

因此可得j/f的表達式為：

式中，NTU——傳熱單元數，NTU=（hA）/（WCp）；

W——質量流量A籽u；

A0——最小流通截面積。

對于百葉窗翅片和多區域開縫翅片，它們的摩擦因子f一般采用凱斯和倫敦給出的計算公式進行計算。當工質流過試件前后，密度變化很小時，可以按不可壓縮進行處理。摩擦因子f簡化后為：

式中，A0和A分別為自由流通最小面積和總換熱面積；

kc和ke為冷工質進出試件由于面積突縮和突擴而產生的壓力損失系數。

（2）JF準則數比較法

換熱器在用j因子和f因子來評價其性能時，往往會出現一些問題，比如用j/f方法分析的結果與能量平衡分析的結果是相反的。這主要是因為換熱器的換熱因子j增大時，流體流動阻力系數f也隨之增大，它們增加的幅度一般是不相同的。因此，Yun和Lee提出了一個無量綱準則數來反映換熱器強化換熱技術的好壞。JF準則數通過換熱系數（h）的比值和單位面積（A）的耗功（P）來反映。

（3）j-f因子分析法

j-f因子分析法是一種比較直觀的分析方法，它通過將換熱系數j和阻力系數f直接畫于圖中或者列于表中，通過對圖中j和f的變化趨勢來分析換熱器強化換熱的能力。相關文獻研究了三組開縫翅片管及平翅片管的層流流動與換熱特性，并運用j-f因子分析法比較了不同組翅片管之間的強化傳熱效果。通過計算得出了三組開縫翅片管及平翅片管在相同工況下j因子和f因子比較結果。j隨Re數的增大而減小，同時f也減小，但j的減小梯度大于f的減小梯度。從比較結果可知翅片開縫能強化傳熱，這只要是由于翅片上開縫可以破壞翅片上的邊界層，減小邊界層的厚度，從而強化空氣側的對流換熱。顯然，用j和f的變化圖來說明問題，一般都比較直觀，但是不便于定量的分析。

1.4總結

本文針對工程上普遍應用的換熱準則數法、Webb縱向比較法、j/f因子法以及傳熱強化綜合評價方法作了詳細的介紹，這些指標基于熱力學第一定律，從能量的數量角度進行理論研究，表征能量轉換和傳遞過程中的數量關系，能直觀地表現采用傳熱強化技術后換熱性能的提升程度，但從能量利用率的層次上難以將流動與傳熱有機融合在一起，不能很好解決能量利用效率的綜合評價。隨著傳熱強化技術與節能減排研究的深入，應該采用熱力學第二定律對其傳熱和流動過程進行性能分析，從能量的品質和數量綜合進行技術評價。

2　基于熵分析法的性能評價

采用熵產分析方法對傳熱、混合等不可逆現象進行理論分析，有益于反映換熱現象的熱力學實質，另外通過進行過程傳熱優化以減少耗散損失。Bejan等提出以熵產單元數Ns，Ns定義為換熱器由于不可逆性熵增與兩種流體熱容量的比值，即：

在換熱器中存在熱損失和機械損失，從熱力學角度均可用熵產表示，上式變換為：

式中，駐T——流體與壁面的溫差；qe——單位長度的傳熱量；T——流體絕對溫度。

式（6）第一項為因壓降引起的熵產，第二項為因溫差引起的熵增。顯然駐T與駐p的升高，均會引起Ns加大，若Ns為0，即為理想的可逆過程。利用Ns評價換熱元件不僅立足與能量的數量，還立足于能量的品質，因此采用Ns來評價換熱器的強化換熱性能較為合理。

3　基于火用的分析評價

3.1火用分析方法

由于熱力學第一定律與熱力學第二定律這兩種方法各自的局限性，Z.Rant等以熱力學第二定律為依據，考慮熱力學第一定律提出了火用分析法，由于火用擁有能的量綱和質的屬性，使能量的量、質得到了較好的統一，因此火用分析方法比有效能分析法較科學、較深入，比熵分析方法較全面、較易于理解。因此，火用分析法受到熱工界較大的重視，較廣泛地被用于工程應用實際，并取得了可喜的經濟效益。采用火用分析法進行換熱器性能評價時，從能量質和量上綜合分析傳熱及流動特性，旨在計算、分析系統內外部的不可逆火用損失，尋求能源使用過程的薄弱環節，以求改進；在換熱器設計過程中以火用效率等為目標函數需求最優化解，評定換熱器性能，作為改善換熱性能的依據，達到節能效果。

3.2能級分析法

火用分析法對于揭露能量系統中的能源利用薄弱環節是相當有效的。但任何能量利用系統，包括設備、過程和循環等均存在著能量供應和能量使用的能量品質的匹配問題。在能量系統火用分析探討基礎上，發展起來了一種新的熱力學分析方法：能級分析法。它為能量系統優化匹配提供了有效的依據，對于能量系統用能匹配的研究具有重要的意義。為了反映能量品質的高低，提出能級的概念。

有了能級和能級平衡系統的概念，用戶可依據能量平衡與火用平衡理論，以能級匹配和減少能量損失為能源利用的指導方向，以供、用能方的能級差熱力學第一定律的熱效率濁t等作為能量利用合理性的質和量作為定量準則。能級分析法作為能量利用系統分析方法的新發展之一，已經并且將更多地在工程應用中發揮作用，但其作為一種發展中的分析方法，仍需繼續深入研究。

4　結論

（1）基于熱力學第一定律的換熱準則數法、Webb縱向比較法、j/f因子法以及傳熱強化綜合評價方法均從能量使用的數量角度進行理論分析，揭露能量使用過程中的數量，因此能直觀地反映采用強化傳熱技術后性能的改善程度，且易操作，因此在工程實際中得到了廣泛的應用。

（2）應用熵產分析的評價方法是比較流動和換熱不可逆損失的大小。該方法可以反映出強化傳熱的能量利用效果、能量的貶值程度，還可以確定合理的流動工況參數、結構參數等。

（3）基于火用評價的火用分析方法和能級分析方法可研究系統內外部的不可逆火用損失，反映能量使用過程的薄弱環節，為改進提供理論依據，而且還可以揭示供能與用能之間能量品質匹配問題，為換熱元件的優化設計提供了理論技術支持。

（4）熱經濟學適用于解決大型、復雜的能量系統的分析、設計、參數優化和系統改進，成為一門完美融合了熱力學分析與經濟分析為一體的新興學科。

（5）本文以熱力學的發展演進為線索，具體分析了傳熱強化評價指標的演化進程，將傳熱評價依據分為四類，其分類思路明確，可為工程上強化傳熱評價依據分類的標準化提供參考。

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A Study on the Evaluation Basis for Heat Transfer Enhancement and its Development

LI Lijun

(Henan Electric Power Survey & Design Institute, Zhengzhou, Henan 450007, China)

【Abstract】Various methods for heat transfer enhancement evaluation are analyzed and compared. A classification system for heat transfer enhancement evaluation index based on the laws of thermodynamics is brought forward, i.e. firstly, heat exchange standard number method, Webb longitudinal comparison method, j/f factor method and heat transfer enhancement comprehensive evaluation method based on the first law of thermodynamics; secondly, the entropy production analysis evaluation method based on the second law of thermodynamics; thirdly, the (exergy) analysis method and energy level analysis method based on exergy evaluation; and fourthly, thermoeconomics method combining thermodynamic analysis and economic analysis. Through detailed analysis and study of the above four evaluation basis it is demonstrated that the classification system is established on a sound basis with evolution of the thermodynamic laws as the principal line, thus to provide reference for standardization of heat transfer enhancement evaluation basis in projects.

【Keywords】heat transfer enhancement; performance evaluation; thermodynamic law; (exergy) analysis method; thermoeconomics

作者簡介：李麗君（1975－），女，1997年畢業于華北電力大學熱能工程專業，高級工程師，現從事電廠熱機專業設計工作。

收稿日期：2015－10－21

【文章編號】1006-6764(2015)12-0071-03

【文獻標識碼】A

【中圖分類號】TK12