冷水表面式冷却器的熵增分析与换热器强化传热评价准则研究.doc

冷水表面式冷却器的熵增分析与换热器强化传热评价准则研究清华大学彭雄兵彦启森提要提出并采用了换热器强化传热性能评价准则即强化换热器单位换热量的熵增应小于原来换热器单位换热量的熵增这一准则试图从热力学第一定律与第二定律结合的角度对强化传热效果进行质和量两方面的综合评价基于该评判准则选用了一种冷水表面式冷却器对于不同翅片结构的两种换热器方案进行了流动传热及热力学特性的计算通过对计算结果的比较分析确定了一种较优的冷却器翅片结构并认为所采用的换热器强化传热评价准则是合理可行的可以在换热器的优化设计中应用关键词熵增强化传热评价准则冷水表面式冷却器引言强化传热是传热学研究的重要方向被称为第二代传热技术换热器强化传热性能的方法较多见于报道的已有几十种对单相对流换热沸腾换热和凝结换热许多强化措施在传热增强的同时也引起了流动阻力增加从而导致换热器强化传热综合效果可能降低因此对换热器强化传热性能评价准则的研究是十分重要且必要的传热增强与阻力增加是一对较难完全解决的矛盾一个好的换热器设计优化工作往往是在双方之间取得了较好的折衷以往的换热器强化性能评价准则大多是从能量数量角度衡量如的传热因子摩擦因子因子分析法的纵向比较法等这些评价准则虽然反映了换热器一些重要的流动与传热特性但随着强化传热与节能研究的深入也需要从热力学第二定律的角度对能量质量进行衡量在用热力学第二定律评价换热器强化性能方面已经开展了一些初期工作如的熵产单元数法火用分析法等但对换热器的换热量却没有考虑本文试图从传热过程中能量的数量质量两方面来对换热器的强化传热进行评价提出并采用的评价准则为强化后换热器单位换热量引起的熵增值应该是减小的减小的程度即表明了性能提高的程度计算时将综合采用热力学传热学和液体力学的研究结果评价准则换热器强化前后的模型见图图原来换热器图强化换热器对换热器强化的假设冷热流体的质量流量分别不变冷热流体进入换热器的状态参数分别不变换热器体积不变环境温度为按热力学第一定律进行能量平衡分析按热力学第二定律进行熵增分析原来换热器的有效能损失这里分别代表比焓比熵比火用将式代入式强化换热器的有效能损失将式代入式得到本文制订评价准则的根据是换热器强化传热后强化换热器单位传热量的有效能损失应该小于原来换热器单位传热量的有效能损失即将两式代入得到式即为本文采用的换热器强化传热性能评价准则其左右两边的相差程度也就表明了换热器性能改善程度上式说明在传热量保持不变时强化传热应向换热器熵增量减小的方向进行在传热过程中由于存在传热温差流动摩擦等不可逆过程因而整个换热器的熵是增大的强化传热措施的采用应该在换热量不变时使整个换热器的熵增程度降低愈是有效的强化措施换热器的熵增降低程度也应愈大在利用评价准则式时可以采用以下两种方式图表法在换热器优化实验过程中对于强化换热器与原来换热器先从测量得到冷热流体的进出口温度压力与流量等参数再查关于焓熵等参数的热力性质图表来判断式是否成立现在常用工质的热力性质图表已相当齐全故这种方法简单易行宜于工程使用计算法在换热器的计算机模拟过程中若以式评价准则作为目标函数通过对换热器有关敏感参数调节比较即可完成该换热器的优化计算本文采用语言针对冷水表面式冷却器进行了两种方案的比较计算冷水表面式冷却器计算选用某种常见的冷水表面式冷却器结构对空气侧采用平直翅片与百叶窗式翅片的不同情况进行关于评价准则的分析计算表冷器主要结构特点如下翅片片厚片高片距管外径内径表面根数排数散热面积迎风面积空气侧热阻一般为气液换热器的控制热阻百叶窗式翅片因可以不断地切断空气层流边界层的连续生成增强空气流动的紊流度而比平直翅片具有明显的传热强化作用本文采用了文献推荐的一种百叶窗翅片结构利用换热器强化传热评价准则式完成了两种方案的比较计算湿空气入口参数干球温度相对湿度湿球温度迎面风速冷冻水入口参数进水温度水流速度干湿工况判断若表冷器表面温度低于空气的露点温度则为湿冷工况否则为干冷工况露点温度对应的饱和水蒸汽分压力即为空气的分压力即其中为常数管内侧流动传热计算光管传热采用公式流动阻力为沿程阻力损失与局部阻力损失之和沿程阻力系数局部阻力系数空气侧流动传热计算平直翅片紧凑式换热器表面基本数据往往用和来表示传热因子摩擦因子其中换热器流动长度翅片间距百叶窗式翅片传热因子摩擦因子其中翅片高度当量直径传热系数计算基于翅表面其中肋化系数管壁厚度管壁导热系数肋表面全效率与干湿工况有关空气侧换热系数管内侧换热系数传质系数计算为从含湿量来定义的传质系数在空气水系统的热质交换过程中空气侧换热系数与传质系数之间满足刘易斯关系式管束传热特性在气流横掠管束换热中由于前排对后排的扰动以及最后一排无来自管后气流的压缩使第一排与最后一排的换热系数较稳定值偏低这里取第一排换热系数修正值为最后一排换热系数修正值为冷冻水湿空气状态参数计算管内的过冷水与湿空气中的水蒸气的热力状态参数计算采用年国际公式化委员会推荐的公式包括比体积比焓比熵及蒸汽压按要求采用双精度笔者就湿空气编写了干球温度温球温度露点温度相对湿度含湿量比体积比焓比熵等参数的计算程序冷冻水湿空气物性计算对水湿空气的平衡物性与迁移物性如比热容导热系数及粘度等笔者分别编写了子程序以便调用在以上工作基础上即可应用换热器强化性能评价准则来进行方案的比较分析换热器方案方案空气与水逆向交叉流动水流分流数为采用平直翅片方案结构与方案类似但空气侧采用百叶窗式翅片分析与结果笔者编写了冷水表面式冷却器的模拟计算程序并对结果进行了分析图表明了两方案中冷冻水湿空气温度随管排的变化情况表为两方案的焓熵变化计算结果对于传热强化的方案则给出各管排焓熵变化的具体情况表两方案及方案各管排焓熵变化两方案与方案的各排冷冻水焓增湿空气焓减冷冻水熵增湿空气熵减净熵增单位焓变化的熵增方案方案第排第排第排第排图方案温度分布可以得知采用百叶窗翅片时温度分布焓差及所采用的评价准则等参数均有明显改善百叶窗具有扰动气流的作用使边界层的发展只能是生成一破坏这一过程的单调重复而难以连续发展变厚从而强化了空气侧传热结论采用强化换热器单位换热量的熵增应小于原来换热器单位换热量的熵增作为换热器性能评价准则是合理可行的这一准则不仅适用于单相换热也适用于相变换热采用这一评价准则可以对不同的换热器方案进行优化设计确定出各方案中的较优者这在实际工程设计中具有很大的应用价值参考文献顾维藻神家锐马重芳等强化传热北京科学出版社中国电子工程设计院主编空气调节设计手册第二版北京中国建筑工业出版社美罗森诺等传热学应用手册上册北京科学出版社共一页httpwwwhvacrcomcnresearchabclunwenntkt19970418htmtoptop清华大学版权所有不得转载本网站之所有作品