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傳熱強(qiáng)化評(píng)價(jià)依據(jù)及其進(jìn)展研究

李麗君

（河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南鄭州450007）

【摘要】對(duì)傳熱強(qiáng)化性能評(píng)價(jià)的各種方法進(jìn)行分析比較，提出了以熱力學(xué)定律為依據(jù)的傳熱強(qiáng)化評(píng)價(jià)指標(biāo)的分類(lèi)：（1）基于熱力學(xué)第一定律的換熱準(zhǔn)則數(shù)法、Webb縱向比較法、j/f因子法以及傳熱強(qiáng)化綜合評(píng)價(jià)方法；（2）基于熱力學(xué)第二定律的熵產(chǎn)分析的評(píng)價(jià)方法；（3）基于火用評(píng)價(jià)的火用分析方法和能級(jí)分析方法；（4）熱力學(xué)分析與經(jīng)濟(jì)分析結(jié)合的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)方法。針對(duì)上述四類(lèi)評(píng)價(jià)依據(jù)作了詳細(xì)的分析研究，結(jié)果表明此種分類(lèi)方法是以熱力學(xué)定律的演化為主線(xiàn)，分類(lèi)依據(jù)明確，因此可為工程上強(qiáng)化傳熱評(píng)價(jià)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化提供參考。

【關(guān)鍵詞】傳熱強(qiáng)化；性能評(píng)價(jià)；熱力學(xué)定律；火用分析方法；熱經(jīng)濟(jì)學(xué)

1　基于能量平衡法的性能評(píng)價(jià)

1.1換熱準(zhǔn)則數(shù)的評(píng)價(jià)

強(qiáng)化換熱的研究一直以來(lái)都是一個(gè)很熱門(mén)的課題，為了引導(dǎo)換熱器的研究，一定要有換熱性能的綜合評(píng)價(jià)方法。人們?cè)趯?duì)強(qiáng)化換熱進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，往往會(huì)考慮流動(dòng)和傳熱這兩個(gè)主要方面，采用單一參數(shù)評(píng)價(jià)傳熱強(qiáng)化性能，如總傳熱系數(shù)k和壓降駐p。在早期強(qiáng)化換熱研究過(guò)程中，學(xué)著只注重?fù)Q熱器的換熱方面，即換熱系數(shù)越高越高效，因此，Nu數(shù)的比值Nu/Nu0成為了當(dāng)時(shí)強(qiáng)化換熱的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 Webb縱向比較法

隨著傳熱技術(shù)研究的深入，換熱器發(fā)展方向?yàn)轶w積小、重量輕，在提高傳熱效率的同時(shí)，需要降低操作費(fèi)用。Webb等綜合分析粗糙管流動(dòng)傳熱特性，提出了Webb縱向比較法比較評(píng)估強(qiáng)化傳熱性能，即維持換熱功率、換熱面積、換熱負(fù)荷三個(gè)因素中的兩因素不變，比較第三因素的變化趨勢(shì)以評(píng)價(jià)傳熱性能的優(yōu)劣。該方法可根據(jù)強(qiáng)化目的進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)各項(xiàng)性能進(jìn)行分析研究，對(duì)研究重點(diǎn)方面求出結(jié)果，由此評(píng)價(jià)換熱器的幾何結(jié)構(gòu)。Webb縱向比較法的具體比較方案為：（1）相同換熱面積（F/FS=1）和泵功（P/ PS=1）條件下，強(qiáng)化換熱元件與光管的換熱量的比值（Q/QS）；（2）在一樣的換熱面積（F/FS=1）和換熱量（Q/ QS=1）前提下，強(qiáng)化換熱元件與光管所耗的有用功之比（P/PS）；（3）相同有用功（P/PS=1）和換熱量（Q/ QS=1）條件下，強(qiáng)化元件與光管所需的換熱面積之比（F/FS）。

1.3 j/f對(duì)強(qiáng)化換熱的分析

隨著對(duì)強(qiáng)化換熱的研究，Kayes和London提出了j-f因子分析方法，其中傳熱因子j表示換熱能力的大小，阻力系數(shù)f表示流動(dòng)阻力的大小。隨后很多學(xué)者都在使用j/f（整體因子比較法）作為評(píng)判強(qiáng)化換熱的標(biāo)準(zhǔn)。最近，Yun和Lee從相同輸送功率下傳遞熱量大小的觀點(diǎn)提出了一種新的評(píng)價(jià)方法，引入了綜合性能系數(shù)JF=（j/j0）/（f/f0）1/3。從實(shí)際的工程應(yīng)用方面，此評(píng)估方案更具有指導(dǎo)意義，JF為無(wú)量綱量，其值大于1時(shí)，表明功率一定時(shí)綜合換熱性能越好，并且隨著JF的增大，強(qiáng)化換熱能力增加。

（1）整體因子比較法

傳熱因子j反映了傳熱能力的大小，摩擦因子f反映了阻力的大小，其表達(dá)式如下：

整體性能因子j/f常用來(lái)綜合評(píng)價(jià)強(qiáng)化傳熱措施的優(yōu)劣。相對(duì)量j/f的值越大，換熱面的性能越好。

即：

因此可得j/f的表達(dá)式為：

式中，NTU——傳熱單元數(shù)，NTU=（hA）/（WCp）；

W——質(zhì)量流量A籽u；

A0——最小流通截面積。

對(duì)于百葉窗翅片和多區(qū)域開(kāi)縫翅片，它們的摩擦因子f一般采用凱斯和倫敦給出的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)工質(zhì)流過(guò)試件前后，密度變化很小時(shí)，可以按不可壓縮進(jìn)行處理。摩擦因子f簡(jiǎn)化后為：

式中，A0和A分別為自由流通最小面積和總換熱面積；

kc和ke為冷工質(zhì)進(jìn)出試件由于面積突縮和突擴(kuò)而產(chǎn)生的壓力損失系數(shù)。

（2）JF準(zhǔn)則數(shù)比較法

換熱器在用j因子和f因子來(lái)評(píng)價(jià)其性能時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，比如用j/f方法分析的結(jié)果與能量平衡分析的結(jié)果是相反的。這主要是因?yàn)閾Q熱器的換熱因子j增大時(shí)，流體流動(dòng)阻力系數(shù)f也隨之增大，它們?cè)黾拥姆纫话闶遣幌嗤?。因此，Yun和Lee提出了一個(gè)無(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù)來(lái)反映換熱器強(qiáng)化換熱技術(shù)的好壞。JF準(zhǔn)則數(shù)通過(guò)換熱系數(shù)（h）的比值和單位面積（A）的耗功（P）來(lái)反映。

（3）j-f因子分析法

j-f因子分析法是一種比較直觀的分析方法，它通過(guò)將換熱系數(shù)j和阻力系數(shù)f直接畫(huà)于圖中或者列于表中，通過(guò)對(duì)圖中j和f的變化趨勢(shì)來(lái)分析換熱器強(qiáng)化換熱的能力。相關(guān)文獻(xiàn)研究了三組開(kāi)縫翅片管及平翅片管的層流流動(dòng)與換熱特性，并運(yùn)用j-f因子分析法比較了不同組翅片管之間的強(qiáng)化傳熱效果。通過(guò)計(jì)算得出了三組開(kāi)縫翅片管及平翅片管在相同工況下j因子和f因子比較結(jié)果。j隨Re數(shù)的增大而減小，同時(shí)f也減小，但j的減小梯度大于f的減小梯度。從比較結(jié)果可知翅片開(kāi)縫能強(qiáng)化傳熱，這只要是由于翅片上開(kāi)縫可以破壞翅片上的邊界層，減小邊界層的厚度，從而強(qiáng)化空氣側(cè)的對(duì)流換熱。顯然，用j和f的變化圖來(lái)說(shuō)明問(wèn)題，一般都比較直觀，但是不便于定量的分析。

1.4總結(jié)

本文針對(duì)工程上普遍應(yīng)用的換熱準(zhǔn)則數(shù)法、Webb縱向比較法、j/f因子法以及傳熱強(qiáng)化綜合評(píng)價(jià)方法作了詳細(xì)的介紹，這些指標(biāo)基于熱力學(xué)第一定律，從能量的數(shù)量角度進(jìn)行理論研究，表征能量轉(zhuǎn)換和傳遞過(guò)程中的數(shù)量關(guān)系，能直觀地表現(xiàn)采用傳熱強(qiáng)化技術(shù)后換熱性能的提升程度，但從能量利用率的層次上難以將流動(dòng)與傳熱有機(jī)融合在一起，不能很好解決能量利用效率的綜合評(píng)價(jià)。隨著傳熱強(qiáng)化技術(shù)與節(jié)能減排研究的深入，應(yīng)該采用熱力學(xué)第二定律對(duì)其傳熱和流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行性能分析，從能量的品質(zhì)和數(shù)量綜合進(jìn)行技術(shù)評(píng)價(jià)。

2　基于熵分析法的性能評(píng)價(jià)

采用熵產(chǎn)分析方法對(duì)傳熱、混合等不可逆現(xiàn)象進(jìn)行理論分析，有益于反映換熱現(xiàn)象的熱力學(xué)實(shí)質(zhì)，另外通過(guò)進(jìn)行過(guò)程傳熱優(yōu)化以減少耗散損失。Bejan等提出以熵產(chǎn)單元數(shù)Ns，Ns定義為換熱器由于不可逆性熵增與兩種流體熱容量的比值，即：

在換熱器中存在熱損失和機(jī)械損失，從熱力學(xué)角度均可用熵產(chǎn)表示，上式變換為：

式中，駐T——流體與壁面的溫差；qe——單位長(zhǎng)度的傳熱量；T——流體絕對(duì)溫度。

式（6）第一項(xiàng)為因壓降引起的熵產(chǎn)，第二項(xiàng)為因溫差引起的熵增。顯然駐T與駐p的升高，均會(huì)引起Ns加大，若Ns為0，即為理想的可逆過(guò)程。利用Ns評(píng)價(jià)換熱元件不僅立足與能量的數(shù)量，還立足于能量的品質(zhì)，因此采用Ns來(lái)評(píng)價(jià)換熱器的強(qiáng)化換熱性能較為合理。

3　基于火用的分析評(píng)價(jià)

3.1火用分析方法

由于熱力學(xué)第一定律與熱力學(xué)第二定律這兩種方法各自的局限性，Z.Rant等以熱力學(xué)第二定律為依據(jù)，考慮熱力學(xué)第一定律提出了火用分析法，由于火用擁有能的量綱和質(zhì)的屬性，使能量的量、質(zhì)得到了較好的統(tǒng)一，因此火用分析方法比有效能分析法較科學(xué)、較深入，比熵分析方法較全面、較易于理解。因此，火用分析法受到熱工界較大的重視，較廣泛地被用于工程應(yīng)用實(shí)際，并取得了可喜的經(jīng)濟(jì)效益。采用火用分析法進(jìn)行換熱器性能評(píng)價(jià)時(shí)，從能量質(zhì)和量上綜合分析傳熱及流動(dòng)特性，旨在計(jì)算、分析系統(tǒng)內(nèi)外部的不可逆火用損失，尋求能源使用過(guò)程的薄弱環(huán)節(jié)，以求改進(jìn)；在換熱器設(shè)計(jì)過(guò)程中以火用效率等為目標(biāo)函數(shù)需求最優(yōu)化解，評(píng)定換熱器性能，作為改善換熱性能的依據(jù)，達(dá)到節(jié)能效果。

3.2能級(jí)分析法

火用分析法對(duì)于揭露能量系統(tǒng)中的能源利用薄弱環(huán)節(jié)是相當(dāng)有效的。但任何能量利用系統(tǒng)，包括設(shè)備、過(guò)程和循環(huán)等均存在著能量供應(yīng)和能量使用的能量品質(zhì)的匹配問(wèn)題。在能量系統(tǒng)火用分析探討基礎(chǔ)上，發(fā)展起來(lái)了一種新的熱力學(xué)分析方法：能級(jí)分析法。它為能量系統(tǒng)優(yōu)化匹配提供了有效的依據(jù)，對(duì)于能量系統(tǒng)用能匹配的研究具有重要的意義。為了反映能量品質(zhì)的高低，提出能級(jí)的概念。

有了能級(jí)和能級(jí)平衡系統(tǒng)的概念，用戶(hù)可依據(jù)能量平衡與火用平衡理論，以能級(jí)匹配和減少能量損失為能源利用的指導(dǎo)方向，以供、用能方的能級(jí)差熱力學(xué)第一定律的熱效率濁t(yī)等作為能量利用合理性的質(zhì)和量作為定量準(zhǔn)則。能級(jí)分析法作為能量利用系統(tǒng)分析方法的新發(fā)展之一，已經(jīng)并且將更多地在工程應(yīng)用中發(fā)揮作用，但其作為一種發(fā)展中的分析方法，仍需繼續(xù)深入研究。

4　結(jié)論

（1）基于熱力學(xué)第一定律的換熱準(zhǔn)則數(shù)法、Webb縱向比較法、j/f因子法以及傳熱強(qiáng)化綜合評(píng)價(jià)方法均從能量使用的數(shù)量角度進(jìn)行理論分析，揭露能量使用過(guò)程中的數(shù)量，因此能直觀地反映采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)后性能的改善程度，且易操作，因此在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。

（2）應(yīng)用熵產(chǎn)分析的評(píng)價(jià)方法是比較流動(dòng)和換熱不可逆損失的大小。該方法可以反映出強(qiáng)化傳熱的能量利用效果、能量的貶值程度，還可以確定合理的流動(dòng)工況參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)等。

（3）基于火用評(píng)價(jià)的火用分析方法和能級(jí)分析方法可研究系統(tǒng)內(nèi)外部的不可逆火用損失，反映能量使用過(guò)程的薄弱環(huán)節(jié)，為改進(jìn)提供理論依據(jù)，而且還可以揭示供能與用能之間能量品質(zhì)匹配問(wèn)題，為換熱元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論技術(shù)支持。

（4）熱經(jīng)濟(jì)學(xué)適用于解決大型、復(fù)雜的能量系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化和系統(tǒng)改進(jìn)，成為一門(mén)完美融合了熱力學(xué)分析與經(jīng)濟(jì)分析為一體的新興學(xué)科。

（5）本文以熱力學(xué)的發(fā)展演進(jìn)為線(xiàn)索，具體分析了傳熱強(qiáng)化評(píng)價(jià)指標(biāo)的演化進(jìn)程，將傳熱評(píng)價(jià)依據(jù)分為四類(lèi)，其分類(lèi)思路明確，可為工程上強(qiáng)化傳熱評(píng)價(jià)依據(jù)分類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)化提供參考。

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A Study on the Evaluation Basis for Heat Transfer Enhancement and its Development

LI Lijun

(Henan Electric Power Survey & Design Institute, Zhengzhou, Henan 450007, China)

【Abstract】Various methods for heat transfer enhancement evaluation are analyzed and compared. A classification system for heat transfer enhancement evaluation index based on the laws of thermodynamics is brought forward, i.e. firstly, heat exchange standard number method, Webb longitudinal comparison method, j/f factor method and heat transfer enhancement comprehensive evaluation method based on the first law of thermodynamics; secondly, the entropy production analysis evaluation method based on the second law of thermodynamics; thirdly, the (exergy) analysis method and energy level analysis method based on exergy evaluation; and fourthly, thermoeconomics method combining thermodynamic analysis and economic analysis. Through detailed analysis and study of the above four evaluation basis it is demonstrated that the classification system is established on a sound basis with evolution of the thermodynamic laws as the principal line, thus to provide reference for standardization of heat transfer enhancement evaluation basis in projects.

【Keywords】heat transfer enhancement; performance evaluation; thermodynamic law; (exergy) analysis method; thermoeconomics

作者簡(jiǎn)介：李麗君（1975－），女，1997年畢業(yè)于華北電力大學(xué)熱能工程專(zhuān)業(yè)，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事電廠熱機(jī)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2015－10－21

【文章編號(hào)】1006-6764(2015)12-0071-03

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【中圖分類(lèi)號(hào)】TK12