沿轴向截面突变的圆柱形钉肋肋列传热的熵产分析

　　肋片作为一种非常高效的强化传热技术,在世界范围各相关专业已得到了广泛的应用,特别是在石油化工、制冷、空调行业、动力机械、电站锅炉等许多场合。钉肋在汽轮机叶片以及电子设备的电路板上有大量的应用。肋片不仅是作为二次传热面,扩大传热面积,并促进流体介质扰动来强化换热,同时其增加的传热面积也会造成相对增加的流动阻力。肋片的强化传热和流阻增加将会相伴而生,在获得较大程度的传热收益的同时,要付出工质压力降低或输运功率增加的代价,使得工质的有用能减少或动力成本增加。有用能的损失源于各种不可逆因素。肋片的强化传热和增加流阻将会对流经肋片的流体造成相应的传热不可逆和摩擦不可逆。在能源问题日益尖锐的今天,对换热过程的设计已不仅仅限于提高传热效能,而且已将减少不可逆损失提到重要地位。设计一种既强化了传热而且又能够减少阻力损失的新型肋结构一直是学术界和工程界共同关注的课题。由流体绕流柱体时尾涡对流场和换热的作用原理,设计的沿轴向截面突变的圆柱形钉肋可以强化换热。本文以不可逆熵产的理论对它进行讨论。

　　1　钉肋肋列的熵产分析

　　当肋列通道总的换热量为Q0时,肋根温度可表示为

　　式中为基板表面(肋根)的过余温度,T0和T∞分别为肋根和流体的温度,A为基板表面的总换热面积,

　　式中a为肋列布置方式参数;顺列时,a=1;错列时,a=1/2;n1为肋列纵向列数;SL为纵向肋间距;n2为肋列横向列数;ST为横向肋间距,m。为流体的质量流量,

　　式中μmax为相邻两列肋间最窄过流截面处的流速。

　　流体横掠一列肋片时因传热和摩擦不可逆使流体介质的有用功减少。有用功的损失可以用熵产来反映。肋列的熵产定义为[6]

　　由以上各式可得熵产的表达式,

　　其中第一项为与传热有关的熵产,第二项为与摩擦有关的熵产。定义一个无因次的熵产数

　　同样熵产数可分为两部分,分别与传热和摩擦相关,表示为

　　2　沿轴向截面突变的圆柱形钉肋的传热和阻力特性

　　在研究流体横掠柱体时发现,柱体后产生的马蹄型涡对柱体的换热强化发挥了很重要的作用,对图1所示的变直径的钉肋,当流体掠过轴向粗细不均的钉肋时,流体将被卷入肋后的尾涡,并冲击基板表面,而且在直径较粗和较细部分的两处尾涡将相互作用,增大湍流程度,强化传热。为进一步考察它们的综合热力性能,本文将对它们对换热工质有用能的影响做分析。

　　Goldstein等对错排肋列进行了质热比拟的萘升华试验研究,得到传质和摩擦系数的经验公式[1]: