管内与管外传热强化的热力学评价

　　解决能源问题的途径一般有两条,即减少耗能及更有效地利用能源。后一种途径是世界上广泛研究的重点。熵产分析即是属于这一类的研究方法。作为第二定律研究方法的熵产分析,通过对实际装置中代表不可逆损失的熵产计算,以确定损失分布情况并致力于熵产最小化。因此熵产分析作为如何更有效利用能源的方法得到人们广泛的注意并有大量研究文献发表[1]。

　　改进传热性能的研究称为“传热强化”。普通换热器的性能可以用许多强化措施而得到大幅度的提高。大量的研究致力于开发新的强化手段。其中管内传热强化与管外传热强化为最常见的情况。而扩展表面作为被动传热强化方法的一种得到了极为广泛的应用。对传热强化效果的评价往往从换热系数、流动阻力、体积、质量及费用等角度进行。换热器中不可逆损失主要由传热和流动摩擦引起[2],这两者之间又存在着竞争效应,即增大一个方面往往会引起另一个方面的减小,如增大Ref数往往会加大换热系数从而减少传热不可逆损失,而Ref数增大导致的摩擦阻力增大却增大了流动摩擦不可逆损失。对于管内和管外进行强化后总的熵产生变化及传热熵产生与流动摩擦熵产生在总的熵产生中分配情况的变化的研究是个空白。本文进行此方面的工作。管内强化取内螺纹管[3]、管外强化取三维外肋管[4],与光管进行了热力学性能的比较,在数值计算基础上对两种强化管进行了讨论。本文对传热强化的研究与应用都具有重要的指导意义。

　　1　管内流动熵产分析

　　见图1所示的管内流动。取微分段dx,其熵产率为

　　式中　q′　——管壁线加热率,q′=dq/dx;

　　T——流体温度;

　　m。——质量流率;

　　△T——壁面与流体间温差。

　　2　管外流动的熵产分析

　　见图2所示管外流动。熵产率可直接写出[2]:

　　式中　U_∞——来流的速度;

　　T_∞——来流的温度;

　　F_D——流动阻力;

　　Q。_B——传热率;

　　T_B——管壁温度。

　　式中　Ac——阻挡面积;

　　h-——平均换热系数;

　　Af——换热面积;

　　λ∞——来流流体导热系数。

　　3　熵产比较分析

　　对于传热强化后的熵产生及构成变化的研究,我们用相对熵产生数Ns、Ns·△T、Ns,△p及相对构成比Nφ来表示,分别定义如下:

　　以上各式中下标“a”代表强化后参数,下标“o”代表未强化参数。以后也遵守这一约定。对管内强化与管外强化,认为来流参数在强化前后不变(U∞,T,T∞,Cp,m。,ρ,ρ∞等),并近似认为强化前后流通截面积、定型尺寸、传热面积近似相等。由(3),(7)式及(12)～(15)式有