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冷水表面式冷卻器的熵增分析與換熱器強(qiáng)化傳熱評(píng)價(jià)準(zhǔn)則研究

2008-03-13 15:18    【  【打印】【我要糾錯(cuò)】

  摘要:提出并采用了換熱器強(qiáng)化傳熱性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則,即強(qiáng)化換熱器單位換熱量的熵增應(yīng)小于原來(lái)?yè)Q熱器單位換熱量的熵增。這一準(zhǔn)則,試圖從熱力學(xué)第一定律與第二定律結(jié)合的角度,對(duì)強(qiáng)化傳熱效果進(jìn)行質(zhì)和量?jī)煞矫娴木C合評(píng)價(jià);谠撛u(píng)判準(zhǔn)則,選用了一種冷水表面式冷卻器,對(duì)于不同翅片結(jié)構(gòu)的兩種換熱器方案進(jìn)行了流動(dòng)、傳熱及熱力學(xué)特性的計(jì)算;通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的比較分析,確定了一種較優(yōu)的冷卻器翅片結(jié)構(gòu),并認(rèn)為所采用的換熱器強(qiáng)化傳熱評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是合理可行的,可以在換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

  關(guān)鍵詞:熵增 強(qiáng)化傳熱 冷水表面式冷卻器

  1、引言

  強(qiáng)化傳熱是傳熱學(xué)研究的重要方向,被稱為第二代傳熱技術(shù)。換熱器強(qiáng)化傳熱性能的方法較多,見于報(bào)道的已有幾十種。對(duì)單相對(duì)流換熱、沸騰換熱和凝結(jié)換熱,許多強(qiáng)化措施在傳熱增強(qiáng)的同時(shí)也引起了流動(dòng)阻力增加,從而導(dǎo)致?lián)Q熱器強(qiáng)化傳熱綜合效果可能降低。因此,對(duì)換熱器強(qiáng)化傳熱性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的研究是十分重要且必要的。傳熱增強(qiáng)與阻力增加是一對(duì)較難完全解決的矛盾,一個(gè)好的換熱器設(shè)計(jì)、優(yōu)化工作往往是在雙方之間取得了較好的折衷。以往的換熱器強(qiáng)化性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則大多是從能量數(shù)量角度衡量,如Nu/Nu0、(Nu/Nu0)/(ξ/ξ0)、(Nu/Nu0)/(ξ/ξ0)1/3、Kay-London的j(傳熱因子)-f(摩擦因子)因子分析法,R.L.Webb的縱向比較法等[1],這些評(píng)價(jià)準(zhǔn)則雖然反映了換熱器一些重要的流動(dòng)與傳熱特性;但隨著強(qiáng)化傳熱與節(jié)能研究的深入,也需要從熱力學(xué)第二定律的角度對(duì)能量質(zhì)量進(jìn)行衡量。在用熱力學(xué)第二定律評(píng)價(jià)換熱器強(qiáng)化性能方面,已經(jīng)開展了一些初期工作,如A.Bejan的熵產(chǎn)單元數(shù)法、火用分析法等,但對(duì)換熱器的換熱量卻沒(méi)有考慮。本文試圖從傳熱過(guò)程中能量的數(shù)量、質(zhì)量?jī)煞矫鎭?lái)對(duì)換熱器的強(qiáng)化傳熱進(jìn)行評(píng)價(jià),提出并采用的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則為;強(qiáng)化后換熱器單位換熱量引起的熵增值應(yīng)該是減小的,減小的程度即表明了性能提高的程度。計(jì)算時(shí),將綜合采用熱力學(xué)、傳熱學(xué)和液體力學(xué)的研究結(jié)果。

  2、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

  圖表法 在換熱器優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,對(duì)于強(qiáng)化換熱器與原來(lái)?yè)Q熱器,先從測(cè)量得到冷熱流體的進(jìn)出口溫度、壓力與流量等參數(shù),再查關(guān)于焓、熵等參數(shù)的熱力性質(zhì)圖表,來(lái)判斷式(8)是否成立,F(xiàn)在常用工質(zhì)的熱力性質(zhì)圖表已相當(dāng)齊全,故這種方法簡(jiǎn)單易行,宜于工程使用。

  計(jì)算法 在換熱器的計(jì)算機(jī)模擬過(guò)程中,若以式(8)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則作為目標(biāo)函數(shù),通過(guò)對(duì)換熱器有關(guān)敏感參數(shù)調(diào)節(jié)比較,即可完成該換熱器的優(yōu)化計(jì)算。本文采用FORTRAN 77語(yǔ)言,針對(duì)冷水表面式冷卻器,進(jìn)行了兩種方案的比較計(jì)算。

  3、冷水表面式冷卻器計(jì)算選用某種常見的冷水表面式冷卻器結(jié)構(gòu),對(duì)空氣側(cè)采用平直翅片與百葉窗式翅片的不同情況,進(jìn)行關(guān)于評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的分析計(jì)算。表冷器主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下[2].

  翅片: 片厚δf=0.3mm 片高h(yuǎn)f=7 片距sf=2.5mm

  管:外徑d0=16mm 內(nèi)徑di=12mm

  表面根數(shù):24

  排數(shù): 4

  散熱面積: 57.6m2

  迎風(fēng)面積: 0.97m2

  空氣側(cè)熱阻一般為氣——液換熱器的控制熱阻。百葉窗式翅片因可以不斷地切斷空氣層流邊界層的連續(xù)生成,增強(qiáng)空氣流動(dòng)的紊流度,而比平直翅片具有明顯的傳熱強(qiáng)化作用。本文采用了文獻(xiàn)[3]推薦的一種百葉窗翅片結(jié)構(gòu),利用換熱器強(qiáng)化傳熱評(píng)價(jià)準(zhǔn)則式(8),完成了兩種方案的比較計(jì)算。

  傳質(zhì)系數(shù)計(jì)算

  β為從含濕量來(lái)定義的傳質(zhì)系數(shù)。在空氣——水系統(tǒng)的熱質(zhì)交換過(guò)程中,空氣側(cè)換熱系數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)之間滿足劉易斯關(guān)系式:

  管束傳熱特性

  在氣流橫掠管束換熱中,由于前排對(duì)后排的擾動(dòng),以及最后一排無(wú)來(lái)自管后氣流的壓縮,使第一排與最后一排的換熱系數(shù)較穩(wěn)定值偏低。這里,取第一排換熱系數(shù)修正值為0.8,最后一排換熱系數(shù)修正值為0.95.

  冷凍水、濕空氣狀態(tài)參數(shù)計(jì)算

  管內(nèi)的過(guò)冷水與濕空氣中的水蒸氣的熱力狀態(tài)參數(shù)計(jì)算采用1967年國(guó)際公式化委員會(huì)(IFC)推薦的公式,包括比體積①、比焓、比熵及蒸汽壓;按要求采用雙精度。筆者就濕空氣編寫了干球溫度、溫球溫度、露點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度、含濕量、比體積、比焓、比熵等參數(shù)的計(jì)算程序。

  冷凍水、濕空氣物性計(jì)算

  對(duì)水、濕空氣的平衡物性與遷移物性,如比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)及粘度等,筆者分別編寫了子程序以便調(diào)用。

  在以上工作基礎(chǔ)上,即可應(yīng)用換熱器強(qiáng)化性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行方案的比較分析。

  4、換熱器方案方案

  空氣與水逆向交叉流動(dòng),水流分流數(shù)為24,采用平直翅片。

  5、分析與結(jié)果筆者編寫了冷水表面式冷卻器的模擬計(jì)算程序,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。

  6、結(jié)論

  6.1 采用“強(qiáng)化換熱器單位換熱量的熵增應(yīng)小于原來(lái)?yè)Q熱器單位換熱量的熵增”作為換熱器性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是合理可行的,這一準(zhǔn)則不僅適用于單相換熱,也適用于相變換熱。

  6.2 采用這一評(píng)價(jià)準(zhǔn)則可以對(duì)不同的換熱器方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),確定出各方案中的較優(yōu)者。這在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

  7、參考文獻(xiàn)

  1、顧維藻,神家銳,馬重芳等。強(qiáng)化傳熱。北京:科學(xué)出版社。

  2、中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院主編。空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)。北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社。1995.

  3、[美]W M羅森諾等。傳熱學(xué)應(yīng)用手冊(cè)(上冊(cè))。北京:科學(xué)出版社。

延伸閱讀:冷水 表面式 冷卻器
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