提出并采用了換熱器強(qiáng)化傳熱性能評價準(zhǔn)則，即強(qiáng)化換熱器單位換熱量的熵增應(yīng)小于原來換熱器單位換熱量的熵增。這一準(zhǔn)則，試圖從熱力學(xué)******定律與第二定律結(jié)合的角度，對強(qiáng)化傳熱效果進(jìn)行質(zhì)和量兩方面的綜合評價?；谠撛u判準(zhǔn)則，選用了一種冷水表面式冷卻器，對于不同翅片結(jié)構(gòu)的兩種換熱器方案進(jìn)行了流動、傳熱及熱力學(xué)特性的計(jì)算；通過對計(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)化傳熱評價準(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，見于報道的已有幾十種。對單相對流換熱、沸騰換熱和凝結(jié)換熱，許多強(qiáng)化措施在傳熱增強(qiáng)的同時也引起了流動阻力增加，從而導(dǎo)致?lián)Q熱器強(qiáng)化傳熱綜合效果可能降低。因此，對換熱器強(qiáng)化傳熱性能評價準(zhǔn)則的研究是十分重要且必要的。傳熱增強(qiáng)與阻力增加是一對較難完全解決的矛盾，一個好的換熱器設(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)化性能評價準(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]，這些評價準(zhǔn)則雖然反映了換熱器一些重要的流動與傳熱特性；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)第二定律的角度對能量質(zhì)量進(jìn)行衡量。在用熱力學(xué)第二定律評價換熱器強(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)量兩方面來對換熱器的強(qiáng)化傳熱進(jìn)行評價，提出并采用的評價準(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，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 評價準(zhǔn)則
換熱器強(qiáng)化前后的模型見圖1、2。

 　　
圖1 原來換熱器圖 　　　　　　　　　　　圖2 強(qiáng)化換熱器 　　

對換熱器強(qiáng)化的假設(shè)：

(1) 冷熱流體的質(zhì)量流量（1、2）分別不變；

(2) 冷熱流體進(jìn)入換熱器的狀態(tài)參數(shù)分別不變；

(3) 換熱器體積不變；

(4)環(huán)境溫度為T0。

按熱力學(xué)******定律進(jìn)行能量平衡分析：

　　　　　　　　（1）

　1(h1-h1é)= =2(h2é-h2) 　　　　　　　　　　?。?）

按熱力學(xué)第二定律進(jìn)行熵增分析：

原來換熱器的有效能損失n1

n1=1(ex1-ex1e)+2(ex2-ex2e)

=1[(h1-h1e)-T0(s1-s1e)]+2[(h2-h2e)-T0(s2-s2e)]　　　　　　　　(3)

這里，h,s,ex分別代表比焓、比熵、比火用。將式（1）代入式（3）

n1=[1(s1e-s1)+2(s2e-s2)]T0 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(4)

強(qiáng)化換熱器的有效能損失n2

n2=1(ex1-ex1é)+2(ex2-ex2é)

=1[(h1-h1é)-T0(s1-s1é)]+2[(h2-h2é)-T0(s2-s2é)] 　　　　　　　　　(5)

將式（2）代入式（5），得到：

n2=[1(s1é-s1)+2(s2é-s2)]T0 　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?）

本文制訂評價準(zhǔn)則的根據(jù)是：換熱器強(qiáng)化傳熱后，強(qiáng)化換熱器單位傳熱量的有效能損失應(yīng)該小于原來換熱器單位傳熱量的有效能損失，即：

　 　　　?。?） 　　

將（4）、（6）兩式代入（7），得到：

　　　　　　（8）

式（8）即為本文采用的換熱器強(qiáng)化傳熱性能評價準(zhǔn)則，其左右兩邊的相差程度，也就表明了換熱器性能改善程度。上式說明在傳熱量保持不變時，強(qiáng)化傳熱應(yīng)向換熱器熵增量減小的方向進(jìn)行。在傳熱過程中，由于存在傳熱溫差、流動摩擦等不可逆過程，因而整個換熱器的熵是增大的。強(qiáng)化傳熱措施的采用，應(yīng)該在換熱量不變時，使整個換熱器的熵增程度降低；愈是有效的強(qiáng)化措施，換熱器的熵增降低程度也應(yīng)愈大。在利用評價準(zhǔn)則式（8）時，可以采用以下兩種方式。

(1) 圖表法 在換熱器優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過程中，對于強(qiáng)化換熱器與原來換熱器，先從測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?，F(xiàn)在常用工質(zhì)的熱力性質(zhì)圖表已相當(dāng)齊全，故這種方法簡單易行，宜于工程使用。

(2) 計(jì)算法 在換熱器的計(jì)算機(jī)模擬過程中，若以式（8）評價準(zhǔn)則作為目標(biāo)函數(shù)，通過對換熱器有關(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語言，針對冷水表面式冷卻器，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)于評價準(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)化傳熱評價準(zhǔn)則式（8），完成了兩種方案的比較計(jì)算。

濕空氣入口參數(shù)

干球溫度td1=35℃

相對濕度ψ1=60%

濕球溫度tw1=28.2℃

迎面風(fēng)速v=2.5m/s

冷凍水入口參數(shù)

進(jìn)水溫度tj=7.2℃

水流速度w=1.0m/s

(1)干、濕工況判斷

若表冷器表面溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度，則為濕冷工況，否則為干冷工況。露點(diǎn)溫度對應(yīng)的飽和水蒸汽分壓力即為空氣的分壓力，即pv=ps(Td)。

　　　　　　　　　　?。?）

其中，C(n)(n=0,…,6)為常數(shù)。

(2) 管內(nèi)側(cè)流動、傳熱計(jì)算

光管傳熱采用Dittus-Boelter公式：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。?0）

流動阻力為沿程阻力損失與局部阻力損失之和。

　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　（11）

ζ1--沿程阻力系數(shù)

　　 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　?。?2）

ζ2--局部阻力系數(shù)

(3) 空氣側(cè)流動、傳熱計(jì)算

a. 平直翅片

緊湊式換熱器表面基本數(shù)據(jù)往往用j-Re和f-Re來表示。

傳熱因子 　　　　　　　 　　　　　　(13)

摩擦因子 　　　　　　　 　　　　　　(14)

其中：L--換熱器流動長度；

B--翅片間距。

b.百葉窗式翅片

傳熱因子 　　　　　　　 (15)

摩擦因子 　　　　　　　 　　(16)

其中：h--翅片高度；

Dh--當(dāng)量直徑。

(4) 傳熱系數(shù)計(jì)算（基于翅表面）

　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 （17）

其中：τ--肋化系數(shù)；

δt--管壁厚度；

λ--管壁導(dǎo)熱系數(shù)；

φ0--肋表面全效率，與干濕工況有關(guān)；

aw--空氣側(cè)換熱系數(shù)；

an--管內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)。

 

(5) 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：

 

(6) 管束傳熱特性

在氣流橫掠管束換熱中，由于前排對后排的擾動，以及最后一排無來自管后氣流的壓縮，使******排與最后一排的換熱系數(shù)較穩(wěn)定值偏低。這里，取******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。

(7) 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年國際公式化委員會（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、相對濕度、含濕量、比體積、比焓、比熵等參數(shù)的計(jì)算程