螺纹槽管类强化传热管流动与换热过程的可用能损失率分析

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1、几种强化传热管内流动换热过程的可用能损失率分析几种强化传热管内流动换热过程的可用能损失率分析陈维汉陈云鹤华中科技大学能源与动力工程学院摘要：本文针对几种强化传热管（螺旋槽纹管、异型凹槽螺旋槽纹管、内插螺旋线圈管等）内的流动换热过程，利用基于热力学第一和第二定律建立的该过程的可用能损失率关系式，对其进行过程性能分析，并以可用能损失率最小为目标寻找到该传热管的最佳运行参数。此外，通过与光滑管内的流动换热过程的性能比较，得到其合理采用的依据以及有效使用的参数。关键词：强化传热管，流动换热过程的可用能损失率分析，最佳设计参数图书分类号：TK1241引言通过改变管壁结构以增强管内换热效果

2、的强化传热管，诸如螺旋槽纹管、异型凹槽螺旋槽纹管、内插螺旋线圈管等，是使用广泛的强化传热管的结构类型。不少研究人员对其流动与换热性能进行了较为充分的研究，得出不少可供设计计算的准则关系式，并进行了相关性能的评价，文献[1]收集了这方面的大量资料可参阅。但是，如何合理而有效地使用这些强化传热管，仍然是一个没有很好地从理论上解决的问题。由于采用相关的结构之后，在换热效果增强的同时流动阻力也会相应增大。因此，当选定一种强化传热管的管型之后，首先要面临的问题是在什么样的流动参数下去运行这种管型，以达到在最小付出的前提下获得最大的传热效果。对于强化传热管的流动参数设计，传统的做法往往是以

3、不超过允许阻力损失为最后标准来选取流动参数，即使进行相关的优化设计也多为线性的性能优化分析，而这种做法本身也存在着较大的人为因素的影响。本文作者认为，对于强化传热管的流动与换热问题，正确的应用办法是以单位传热量的可用能损失率最小为目标来获取其流动参数的最佳数值。只有这样才能实现单位传热量的运行费用最低，从而使流动参数的设计得以优化。可用能损失率分析是对流动换热过程的一种有效的综合性能评价方法，其基本原理是基于流动换热过程都是不可逆的热力学过程，必然会导致过程熵的产生，因而过程性能的优劣就可以用换热熵产率与流动熵产率之和的大小来加以衡量。对于给定的流动换热过程而言，能够将其熵产率

4、转变为单位传热量的可用能损失率（火用损失率），并以此作为衡量过程性能优劣的指标。本文基于热力学第一定律和热力学第二定律建立流动换热过程的可用能损失率（熵产率）方程式，并以过程可用能损失率最小为目标函数得出过程的最佳运行参数（Reopt）[2]。通过对各种不同的强化传热管的可用能损失率随运行参数（Re）的变化规律的分析与比较，就可以很方便地获得其各自的综合性能的特征和运行参数，以及各自合适的使用范围，从而为有效而合理地使用强化传热管提供可靠而定量的分析数据。14几种强化传热管内流动换热过程的可用能损失率分析2流动换热过程的可用能损失率方程[2]dAthh+dhmTfs+dssTw

5、dQp1p2α图1一般流动换热过程示意对于一个任意的流动换热过程（如图1所示），总可以将其视为一个稳定的流动换热系统，它包含着流体沿固体壁面的流动过程和流体与壁面间的换热过程。相应的参数有：流体的比焓、比熵、质量流率、流体温度、壁面温度,、流体进、出系统的压力和、流体与壁面间的换热热流密度、以及流体的通流面积和换热面积。今在流场中取一个包含微元面积的微元控制体，将其视为一个稳定流动系统，分析其热平衡和熵平衡情况。由热力学第一定律有和,式中，Q为通过换热面的热流量；为流体流过壁面的换热系数；为流体质量流率。由热力学第二定律有，式中：S为系统的熵产率，单位为W/℃。利用以上关系式，

6、同时认为热力学关系式（式中为流体的密度）成立，就可整理得出：，式中定义了换热温度差和流体与壁面的平均温度。在整个换热面上积分上式，且假定换热系数为常数，可以得到：，式中，为系统进出、口的压力之差。此式为流动换热过程的熵产率的表达式，从中不难看出，过程的熵产率由两个部分构成，即由换热温差引起的熵产率和由流动压差引起的熵产率，二者之和反映出流动换热过程整体的不可逆程度。按照可用能（火用）损失率的定义（14几种强化传热管内流动换热过程的可用能损失率分析为环境参考温度），代入上式则得出流动换热过程的可用能（火用）损失率方程，（1）上面方程右边的第一项为温度差引起的可用能损失率而第二项为

7、压力差引起的可用能损失率。为了流动换热过程可用能损失率分析的方便，通常将这个方程无量纲化。在无量纲化的过程中引入无量纲可用能（火用）损失率数，它表示单位换热热流量的系统可用能损失率。在（1）式中引入和（其中为流体通流面积，为流体的平均流速）两个关系式，且定义流动阻力系数，可以得出如下两种无量纲可用能损失率方程的形式，即：对于给定热流密度和换热特征尺寸有，（2）对于给定热流密度和流体流速有，（3）式中，为换热热流密度，为努谢尔特数，为雷诺数，为斯坦登数，为流场特征尺寸，为流体导热系数，为流体运