换热设备综合评价指标及研究进展

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1、中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号：113599换热设备综合评价指标的研究进展基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(No.U0934005);国家重点基础研究资助项目(973)(No.2011CB710702；2007CB206902)。何雅玲，陶文铨，王煜，樊菊芳(西安交通大学能源与动力工程学院，热流科学与工程教育部重点实验室，陕西，西安，710049)(Tel:029-82665930E-mail:yalinghe@mail.xjtu.edu.cn)摘要本文对换热设备评价指标的研究进展做了回顾与综述。强化换热技术大大提高了换热设备的换热性能，但同时也

2、因为阻力的增加而造成了能源的消耗和经济效益的下降。综合评价指标是用于评价常用及新型换热设备换热综合性能的重要方法。本文在综合分析了之前常用性能评价指标的基础上，以工程实际中的翅片优化设计为例，研究了传统评价指标的特性，提出了新型性能评价图及性能比较图等综合性能评价指标图，又在此基础上尝试了分区性能评价指标和局部综合性能评价的方法。通过大量的工程应用及数值研究，新型性能评价方法相比常见的性能评价指标有更好的实用性及通用性。并且还能为设计者提供更清晰的物理意义，为改进和优化提供指导。关键词评价指标；换热器；数值模拟；强化换热；节能1.换热设备性能评价常规指标综述换热器广

3、泛应用于许多工程领域，将热量从一种流体传输到另一种流体。例如锅炉换热器，烟气余热换热器，气体冷却器，空调蒸发器和冷凝器，化工设备换热器等。为了降低能耗，提高经济效益，在工程应用中使用高效换热设备越来越受到人们的关注。常用换热器的总热阻可以分为以下3个部分：管内流体与管内壁的对流换热热阻，管子的导热热阻，以及管外流体与管外壁的对流换热热阻。流体的对流换热热阻由于受到流体物理性质和流速的制约，一般都在总热阻中占较大比例。所以，使用强化换热翅片和强化换热管是提高换热器整体性能最有效的方法。换热器的性能不仅包括热工(传热与阻力)性能，在工程应用当中综合评价指标还应该考虑很多

4、因素，包括经济性、可行性、可靠性、安全性、等等[1]。但由于其它性能通常缺少严格的量化指标，因此在实际应用中，要建立一种普遍适用的评价准则是非常困难的[2]。现有的评价准则主要是以热工性能为基准。研究强化换热的目的可以分为以下4个方面[3]：(1)提高热流量；(2)降低进出口温差；(3)降低换热面积；(4)降低泵功率。如何评价强化传热技术的性能，不同的强化目标有不同的评价方法，目前文献中已经有数10种方法，可以将其分为两类：基于热力学第一定律的评价方法和基于热力学第二定律的评价方法。1.1基于热力学第一定律的性能评价1972年，Webb和Eckert[4]为了比较在

5、相同管径条件下，换热器中使用粗糙圆管与使用光滑圆管的性能优势。提出了以换热量、功耗和体积三个变量来评价换热性能，当对某一指标(或变量)比较时，其他两个指标保持不变，通过方程推导可获得比较指标的目标函数。据作者所知，这是第一篇针对强化换热技术提出评价指标的文章。1974年，Bergles[5]提出了一种通过使用St数和阻力f因子来评价强化管性能的方法。1981年，Webb[6]在Bergles在之前工作的基础上建立了针对管内单相流体对流换热的性能评价方法，分别对应于减少换热器的材料、增加换热量、减少对数温差和减小功耗四种不同目的设计情况，并得到了广泛的应用[7-10]

6、。在此之后，大量的评价方法被相继提出。在文献[2-3]中，针对单相流体换热提出了12种组合的评价方法。同时，针对某些具体问题还出现了其它一些评价准则，包括：仅考虑传热性能的评价方法[11]；在一种流体中与换热系数和耗散能相关的评价准则[12-13]；在平直翅片管表面使用的质量因子[14-15]；换热j因子与阻力f因子性能评价准则[16]；在等泵功和等压降约束条件下的评价准则[17-23]。1.2基于热力学第二定律的性能评价前面介绍的评价方法仅考虑了热量传递的数量而没有考虑热量传递过程中质量的变化。更为合理的评价方法应该同时考虑热量传递的数量、质量和流阻三方面的因素。

7、因而，一些学者尝试通过以热力学第二定律为基础的评价方法。由于温差传热和流动损失的存在造成传热过程和流动过程都是不可逆过程，可以通过熵增来分析其损失情况。Bejan[24-26]及其合作者提出了熵产分析评价方法。Chen和Huang[27-28]通过推导分别获得了换热器熵产及最佳运行Re数的计算公式，并基于FG(Fixedgeometry)评价方法[6]分析了给定结构下，定流量和定压降时强化表面的熵产率，并以最小熵产率为目标获得最优强化过程。Zimparov和Vulchanov[29]基于不同约束条件下的热力学第一定律评价方法，通过熵产理论分别给出了强化翅片的性能