用場協(xié)同原理強(qiáng)化換熱器傳熱性能的分析與計算

張 寧（遼寧建筑職業(yè)學(xué)院，遼寧 遼陽 111000）

用場協(xié)同原理強(qiáng)化換熱器傳熱性能的分析與計算

張 寧
（遼寧建筑職業(yè)學(xué)院，遼寧 遼陽 111000）

以翅片管式換熱器的換熱性能的提高作為研究重點(diǎn)，通過場協(xié)同原理（即在同速度和溫度邊界條件下，對流換熱的性能取決于流體速度場與熱流場協(xié)同的程度）的運(yùn)用，以橢圓管來替代圓管來作為將換熱器的基管可實現(xiàn)換熱器換熱性能的提高。經(jīng)數(shù)據(jù)測算得，其換熱系數(shù)有所提升，且阻力系數(shù)也發(fā)生部分降低。這為強(qiáng)化換熱器的熱力性能提供了一種較實用的方法。

翅片管式換熱器；場協(xié)同原理；傳熱系數(shù)；熱力計算；對流換熱

傳熱強(qiáng)化技術(shù)的采用所帶來的各種換熱設(shè)備的功率及效率提高，及重量和體積的減少，故其在科技界和工業(yè)界一直獲得高度認(rèn)可。上世紀(jì)出現(xiàn)的世界性能源危機(jī)，推動了人們對傳熱強(qiáng)化技術(shù)的探討和研究。世界各國對其的科學(xué)研究的重視，在近二十多年的時間里，形成的與傳熱強(qiáng)化相關(guān)的研究文獻(xiàn)不勝枚舉［1-3］。在國民生產(chǎn)的各部門中換熱器扮演著極其重要的角色，特別在制冷空調(diào)應(yīng)用領(lǐng)域更是翹楚。

從傳熱的基本公式Q=KF△t可看出，換熱量Q的增大可借助與之成正比的傳熱系數(shù)K的提高，傳熱面積F的擴(kuò)大及傳熱溫差△t的提高這三個方式來完成［4］。可采取具有針對性的相關(guān)技術(shù)措施，來提升上述3條基本途徑的傳熱效率的方法主要有5-6］：1）流體的流動情況產(chǎn)生改變；2）流體物性發(fā)生改變；3）換熱表面情況產(chǎn)生改變。借助粗糙度在傳熱壁面上的增加，及形狀、大小、表面結(jié)構(gòu)于換熱面發(fā)生相變并在表面增加涂層可促進(jìn)第3種方法的完成。本文中，作者基于場協(xié)同原理并綜合運(yùn)用第3種方法進(jìn)行了換熱器換熱性能的強(qiáng)化性針對翅片式管式的專門研究。

1　物理機(jī)制及場協(xié)同原理在對流強(qiáng)化上的體現(xiàn)

1.1對流強(qiáng)化所體現(xiàn)的物理機(jī)制

熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射可以歸結(jié)為熱量傳遞常運(yùn)用的3種模式。而翅片管式換熱器在運(yùn)行中，對流換熱占主導(dǎo)的同時三種換熱形式共同運(yùn)轉(zhuǎn)作用。能攜帶熱量的流體宏觀運(yùn)動作為對流換熱（熱對流）的物理機(jī)制，形成了熱量傳遞速率上的對流換熱高于純導(dǎo)熱。

從另一方面可知，內(nèi)熱源的導(dǎo)熱在對流換熱本質(zhì)上是存在的，發(fā)揮當(dāng)量熱源作用的即流體的運(yùn)動。在強(qiáng)度層面，對流換熱與當(dāng)量熱源密切相關(guān)，流體與壁面溫差、流速和流體熱物理特性及運(yùn)輸性質(zhì)在發(fā)揮決定作用的同時流體速度矢量與熱流矢量的夾角也發(fā)揮重要決定作用。速度矢量與熱流矢量在流體中處于平行時，即達(dá)最大的熱源強(qiáng)度，且形成換熱的強(qiáng)化大幅度提升；而遵循等溫線進(jìn)行的流體運(yùn)動，其無貢獻(xiàn)于熱量的運(yùn)輸，與純導(dǎo)熱模式無異［7］。故實際中存在這種對流換熱強(qiáng)度高于純導(dǎo)熱的錯誤認(rèn)識。其實熱量傳遞基本的運(yùn)行方式并不是對流換熱，這僅是流體處于運(yùn)動情況存在的導(dǎo)熱問題。純導(dǎo)熱模式若不依靠流動仍可存在，但對流換熱的模式若離開導(dǎo)熱則無法存在。

1.2場協(xié)同原理在對流強(qiáng)化上的體現(xiàn)［7］

當(dāng)流速和流體物理性質(zhì)處于既定范疇中，流動當(dāng)量熱源強(qiáng)度主導(dǎo)著邊界上的熱流（界面上的換熱強(qiáng)度），或者Nu數(shù)在Re數(shù)、Pr數(shù)既定中，無因次流動當(dāng)量熱源是決定因素。速度場和熱流場本身是流動當(dāng)量熱源中的一個決定因素，同樣它們間的夾角也是重要因素，也就是說速度場、熱流場、夾角場的絕對值在起決定的同時，相互配合的這3個標(biāo)量值也起著同等決定作用。速度場與熱流場的配合在吐過對路換熱中能實現(xiàn)無因次流動當(dāng)量熱源強(qiáng)度的提升，進(jìn)而促進(jìn)換熱的強(qiáng)化性能，此說明速度場與熱流場的較佳協(xié)同。速度場與溫度梯度場可借助下面三個層面獲取協(xié)同：

夾角余弦值在速度矢量與溫度梯度矢量兩者中達(dá)到最大限度，即兩矢量的夾角β達(dá)到最小（β＜90°）或β達(dá)到最大（β＞90°）。

最大限度得讓流體速度剖面和溫度剖面達(dá)到均勻（流速最大化和溫差既定的狀態(tài)）。

最大限度讓3個標(biāo)量場（速度絕對值、溫度梯度絕對值、夾角余弦值）中的大值與大值相匹配，即要讓3個標(biāo)量場的大值在整個場上的某些域中最大限度呈現(xiàn)。

結(jié)合文中信息，場協(xié)同原理借助傳熱強(qiáng)化闡述為：速度和物性于流體中的表現(xiàn)及閉面與流體間的溫差在關(guān)乎著對流換熱的性能同時，協(xié)同程度在流體速度場與流體熱流場兩者間也不容忽視。速度和溫度邊界處于等同的狀態(tài)中，其換熱強(qiáng)度于協(xié)同程度兩者成正比。

1.3場協(xié)同原理具體應(yīng)用的表現(xiàn)

基于對流換熱中流場與溫度場（熱流場）的耦合狀況，故通過改善場的協(xié)同來獲取傳熱性能強(qiáng)化的確艱難異常，若從以下幾個層面來嘗試，也有達(dá)到目的的可能。（1）熱邊界條件產(chǎn)生變動。 原來的流場不會因熱邊界條件變動而發(fā)生改變，特別是在溫度變化對流體的物性影響較小之際。管理Nu的存在差別的原因即等壁溫與等熱流的充分發(fā)展，根由存在于他們的熱邊界條件相異。若達(dá)到一定邊界熱流，沿流向增加的分布邊其換熱得以強(qiáng)化；若達(dá)到一定溫度邊界條件，沿流向壁溫升高，其傳熱得以強(qiáng)化。（2）速度分布發(fā)生改變 。速度發(fā)生的改變勢必會帶來溫度場（熱流場）的變動，速度熱流矢量的夾角的縮減可借助速度邊界條件產(chǎn)生變動來完成，抑或是通過更好配合的3個標(biāo)量場，以期來實現(xiàn)強(qiáng)化換熱。基于管內(nèi)流動的常規(guī)換熱，孟繼安［8］等借助橢圓界面的放置發(fā)生周期性變動，來完成管內(nèi)流場的改變。（3）具備特殊屬性的肋或插入物［9］。與常規(guī)情況相異的肋和插入物是參照按照場協(xié)同原理而設(shè)計而得，它不是為了湍流度和傳熱面積的增加均不是它的目的。高導(dǎo)熱材料構(gòu)成了纖毛狀插入物，正因金屬絲相比于管徑更細(xì)，故有得纖毛狀之稱。纖毛肋因金屬絲與管壁的良好接觸而得名，不完全接觸即構(gòu)成纖毛狀插入物。管內(nèi)纖毛絲呈稀松狀分布，填充率也只有0.5%～1.0%［8］。

2　傳熱系數(shù)在強(qiáng)化翅片管式換熱器上的體現(xiàn)

2.1換熱器中所體現(xiàn)的場協(xié)同原理

場協(xié)同原理在強(qiáng)化的換熱器中可理解為：冷熱流體溫度場間的協(xié)同在換熱器中與換熱性成正比關(guān)系［7］。借助兩種方式可使得換熱器在性能上獲得的提升：其一為對流換熱系數(shù)在流體與壁面間的提升，其中涵蓋各種肋片、紊流發(fā)生器、插入物等；其二為處于同等的對流換熱系數(shù)條件，換熱器性能的提高借助別的方式，譬如熱邊界條件的改變等。

此文中闡述的借助場協(xié)同原理來實現(xiàn)換熱性能的提高即是遵循第二方式，管截面形狀產(chǎn)生改變，即翅片管式換熱器管截面形狀以橢圓形來代替圓形。對于叉流換熱器換熱性能的提高可借助換熱面積的重新布局，來實現(xiàn)溫差場均勻性的增高，進(jìn)而實現(xiàn)冷熱流體溫度的協(xié)同的改善。叉流換熱器的效能在換熱面積處于最優(yōu)分布時可獲取與同等的逆流換熱器的效能，因其本身逆流換熱器的換熱性較順流式和叉流式而言更優(yōu)。

2.2傳熱系數(shù)在矩形翅片橢圓管束換熱器中的運(yùn)算

經(jīng)實驗所得經(jīng)驗公式相對于換熱系數(shù)而言可表述為

對流動阻力，其準(zhǔn)則關(guān)系式為

式（1）、（2）中，Nu和Re中的特征尺寸De按下式計算：

來流的平均溫度可作為定性溫度，它的應(yīng)用范疇為：

公式里：Ar表示每米管長光管的面積（m2/m）；Af表示每米管長總翅片面積（m2/m）；nf每米管上的翅片數(shù)用nf；橢圓管的當(dāng)量直徑（m）用D表示，由下面公式計算其值：

值得表述說明的是：按式（1）計算的管束換熱系數(shù)可根據(jù)翅片管的特征尺寸De計算而得。故需得到整個管束的換熱量Q數(shù)值時，計算公式（4）應(yīng)被遵循，即

上述公式中：h表示遵循式（1）算的換熱系數(shù)（W/m2·℃）；管長（m）用l所示；管子數(shù)目用n所示。

表1詳細(xì)列出了帶外翅叉排中橢圓管管束及圓管管束的各項幾何參數(shù)。從表2可見，換熱量比值中可見橢圓管管束較圓管管束而言有了15%的提升，且阻力發(fā)生了18%的降低。故處于場協(xié)同原理滿足的狀況中，在基管的選用中以橢圓管束代替圓管管束可達(dá)到換熱器的傳熱性能更佳，同時實現(xiàn)其阻力系數(shù)的降低。不過問題也隨之而生，承壓能力小是橢圓管的弊端且制造工藝繁雜，故為防止橢圓形變，管子內(nèi)外的壓力差在橢圓管應(yīng)用中不宜過高，實際應(yīng)用中此處應(yīng)當(dāng)引起重視。

［1］BERGLES A E. Application of heat transfer augmentation ［M］. New York： Hemisphere Pub， Co. ，1981.

表1　試驗管束的幾何參數(shù)

［2］BERGLES A E. Heat transfer enhancement-Encouragement and accommodation of high heat fluxes ［J］. Journals of heat transfer， 1995， 119：8-19.

［3］WEBB R L. Principle of enhanced heat transfer ［M］. New York：Wiley USA，1994.

［4］史美中，王中錚.熱交換器原理與設(shè)計［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2003.

［5］BERGLES A E. Heat transfer Enhancement of heat transfer， a keynote lecture at 6thInt［C］. tronto： Heat Transfer Conf， 1978.

［6］ZUKAUSKAS A. Heat transfer augmentation in single-phase Proc. of 8thInt［C］. San Francisco： Heat Transfer Conf， 1986.

［7］過增元，黃素逸.場協(xié)同原理與強(qiáng)化換熱新技術(shù)［M］. 北京：中國電力出版社，2004.

［8］孟繼安，陳澤敏，李志信，過增元.管內(nèi)對流換熱的場協(xié)同分析及換熱優(yōu)化［J］.工程熱物理學(xué)報，2003，24（04）：652-654.

［9］WANG S，GUO Z Y. Heat transfer enhancement by using metallic filament insert in channel flow ［J］.International Journal of Heat Mass Transfer，2001（44）：1373-1378.

表2　叉排橢圓管管束和叉排圓管管束的傳熱性能及阻力系數(shù)的比較

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.054