螺紋槽管類強化傳熱管流動與換熱過程的可用能損失率分析

《螺紋槽管類強化傳熱管流動與換熱過程的可用能損失率分析》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、幾種強化傳熱管內(nèi)流動換熱過程的可用能損失率分析幾種強化傳熱管內(nèi)流動換熱過程的可用能損失率分析陳維漢陳云鶴華中科技大學能源與動力工程學院摘要：本文針對幾種強化傳熱管（螺旋槽紋管、異型凹槽螺旋槽紋管、內(nèi)插螺旋線圈管等）內(nèi)的流動換熱過程，利用基于熱力學第一和第二定律建立的該過程的可用能損失率關(guān)系式，對其進行過程性能分析，并以可用能損失率最小為目標尋找到該傳熱管的最佳運行參數(shù)。此外，通過與光滑管內(nèi)的流動換熱過程的性能比較，得到其合理采用的依據(jù)以及有效使用的參數(shù)。關(guān)鍵詞：強化傳熱管，流動換熱過程的可用能損失率分析，最佳設(shè)計參數(shù)圖書分類號：TK1241引言通過改變管壁結(jié)構(gòu)以增強管內(nèi)換熱效果

2、的強化傳熱管，諸如螺旋槽紋管、異型凹槽螺旋槽紋管、內(nèi)插螺旋線圈管等，是使用廣泛的強化傳熱管的結(jié)構(gòu)類型。不少研究人員對其流動與換熱性能進行了較為充分的研究，得出不少可供設(shè)計計算的準則關(guān)系式，并進行了相關(guān)性能的評價，文獻[1]收集了這方面的大量資料可參閱。但是，如何合理而有效地使用這些強化傳熱管，仍然是一個沒有很好地從理論上解決的問題。由于采用相關(guān)的結(jié)構(gòu)之后，在換熱效果增強的同時流動阻力也會相應(yīng)增大。因此，當選定一種強化傳熱管的管型之后，首先要面臨的問題是在什么樣的流動參數(shù)下去運行這種管型，以達到在最小付出的前提下獲得最大的傳熱效果。對于強化傳熱管的流動參數(shù)設(shè)計，傳統(tǒng)的做法往往是以

3、不超過允許阻力損失為最后標準來選取流動參數(shù)，即使進行相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計也多為線性的性能優(yōu)化分析，而這種做法本身也存在著較大的人為因素的影響。本文作者認為，對于強化傳熱管的流動與換熱問題，正確的應(yīng)用辦法是以單位傳熱量的可用能損失率最小為目標來獲取其流動參數(shù)的最佳數(shù)值。只有這樣才能實現(xiàn)單位傳熱量的運行費用最低，從而使流動參數(shù)的設(shè)計得以優(yōu)化。可用能損失率分析是對流動換熱過程的一種有效的綜合性能評價方法，其基本原理是基于流動換熱過程都是不可逆的熱力學過程，必然會導致過程熵的產(chǎn)生，因而過程性能的優(yōu)劣就可以用換熱熵產(chǎn)率與流動熵產(chǎn)率之和的大小來加以衡量。對于給定的流動換熱過程而言，能夠?qū)⑵潇禺a(chǎn)率

4、轉(zhuǎn)變?yōu)閱挝粋鳠崃康目捎媚軗p失率（火用損失率），并以此作為衡量過程性能優(yōu)劣的指標。本文基于熱力學第一定律和熱力學第二定律建立流動換熱過程的可用能損失率（熵產(chǎn)率）方程式，并以過程可用能損失率最小為目標函數(shù)得出過程的最佳運行參數(shù)（Reopt）[2]。通過對各種不同的強化傳熱管的可用能損失率隨運行參數(shù)（Re）的變化規(guī)律的分析與比較，就可以很方便地獲得其各自的綜合性能的特征和運行參數(shù)，以及各自合適的使用范圍，從而為有效而合理地使用強化傳熱管提供可靠而定量的分析數(shù)據(jù)。14幾種強化傳熱管內(nèi)流動換熱過程的可用能損失率分析2流動換熱過程的可用能損失率方程[2]dAthh+dhmTfs+dssTw

5、dQp1p2α圖1一般流動換熱過程示意對于一個任意的流動換熱過程（如圖1所示），總可以將其視為一個穩(wěn)定的流動換熱系統(tǒng)，它包含著流體沿固體壁面的流動過程和流體與壁面間的換熱過程。相應(yīng)的參數(shù)有：流體的比焓、比熵、質(zhì)量流率、流體溫度、壁面溫度,、流體進、出系統(tǒng)的壓力和、流體與壁面間的換熱熱流密度、以及流體的通流面積和換熱面積。今在流場中取一個包含微元面積的微元控制體，將其視為一個穩(wěn)定流動系統(tǒng)，分析其熱平衡和熵平衡情況。由熱力學第一定律有和,式中，Q為通過換熱面的熱流量；為流體流過壁面的換熱系數(shù)；為流體質(zhì)量流率。由熱力學第二定律有，式中：S為系統(tǒng)的熵產(chǎn)率，單位為W/℃。利用以上關(guān)系式，

6、同時認為熱力學關(guān)系式（式中為流體的密度）成立，就可整理得出：，式中定義了換熱溫度差和流體與壁面的平均溫度。在整個換熱面上積分上式，且假定換熱系數(shù)為常數(shù)，可以得到：，式中，為系統(tǒng)進出、口的壓力之差。此式為流動換熱過程的熵產(chǎn)率的表達式，從中不難看出，過程的熵產(chǎn)率由兩個部分構(gòu)成，即由換熱溫差引起的熵產(chǎn)率和由流動壓差引起的熵產(chǎn)率，二者之和反映出流動換熱過程整體的不可逆程度。按照可用能（火用）損失率的定義（14幾種強化傳熱管內(nèi)流動換熱過程的可用能損失率分析為環(huán)境參考溫度），代入上式則得出流動換熱過程的可用能（火用）損失率方程，（1）上面方程右邊的第一項為溫度差引起的可用能損失率而第二項為

7、壓力差引起的可用能損失率。為了流動換熱過程可用能損失率分析的方便，通常將這個方程無量綱化。在無量綱化的過程中引入無量綱可用能（火用）損失率數(shù)，它表示單位換熱熱流量的系統(tǒng)可用能損失率。在（1）式中引入和（其中為流體通流面積，為流體的平均流速）兩個關(guān)系式，且定義流動阻力系數(shù)，可以得出如下兩種無量綱可用能損失率方程的形式，即：對于給定熱流密度和換熱特征尺寸有，（2）對于給定熱流密度和流體流速有，（3）式中，為換熱熱流密度，為努謝爾特數(shù)，為雷諾數(shù)，為斯坦登數(shù)，為流場特征尺寸，為流體導熱系數(shù)，為流體運