传热强化评价依据及其进展研究



传热强化评价依据及其进展研究

李丽君

（河南省电力勘测设计院，河南郑州450007）

【摘要】对传热强化性能评价的各种方法进行分析比较，提出了以热力学定律为依据的传热强化评价指标的分类：（1）基于热力学第一定律的换热准则数法、Webb纵向比较法、j/f因子法以及传热强化综合评价方法；（2）基于热力学第二定律的熵产分析的评价方法；（3）基于火用评价的火用分析方法和能级分析方法；（4）热力学分析与经济分析结合的热经济学方法。针对上述四类评价依据作了详细的分析研究，结果表明此种分类方法是以热力学定律的演化为主线，分类依据明确，因此可为工程上强化传热评价依据的标准化提供参考。

【关键词】传热强化；性能评价；热力学定律；火用分析方法；热经济学

1　基于能量平衡法的性能评价

1.1换热准则数的评价

强化换热的研究一直以来都是一个很热门的课题，为了引导换热器的研究，一定要有换热性能的综合评价方法。人们在对强化换热进行评价时，往往会考虑流动和传热这两个主要方面，采用单一参数评价传热强化性能，如总传热系数k和压降驻p。在早期强化换热研究过程中，学着只注重换热器的换热方面，即换热系数越高越高效，因此，Nu数的比值Nu/Nu0成为了当时强化换热的评价标准。

1.2 Webb纵向比较法

随着传热技术研究的深入，换热器发展方向为体积小、重量轻，在提高传热效率的同时，需要降低操作费用。Webb等综合分析粗糙管流动传热特性，提出了Webb纵向比较法比较评估强化传热性能，即维持换热功率、换热面积、换热负荷三个因素中的两因素不变，比较第三因素的变化趋势以评价传热性能的优劣。该方法可根据强化目的进行分类，对各项性能进行分析研究，对研究重点方面求出结果，由此评价换热器的几何结构。Webb纵向比较法的具体比较方案为：（1）相同换热面积（F/FS=1）和泵功（P/ PS=1）条件下，强化换热元件与光管的换热量的比值（Q/QS）；（2）在一样的换热面积（F/FS=1）和换热量（Q/ QS=1）前提下，强化换热元件与光管所耗的有用功之比（P/PS）；（3）相同有用功（P/PS=1）和换热量（Q/ QS=1）条件下，强化元件与光管所需的换热面积之比（F/FS）。

1.3 j/f对强化换热的分析

随着对强化换热的研究，Kayes和London提出了j-f因子分析方法，其中传热因子j表示换热能力的大小，阻力系数f表示流动阻力的大小。随后很多学者都在使用j/f（整体因子比较法）作为评判强化换热的标准。最近，Yun和Lee从相同输送功率下传递热量大小的观点提出了一种新的评价方法，引入了综合性能系数JF=（j/j0）/（f/f0）1/3。从实际的工程应用方面，此评估方案更具有指导意义，JF为无量纲量，其值大于1时，表明功率一定时综合换热性能越好，并且随着JF的增大，强化换热能力增加。

（1）整体因子比较法

传热因子j反映了传热能力的大小，摩擦因子f反映了阻力的大小，其表达式如下：

整体性能因子j/f常用来综合评价强化传热措施的优劣。相对量j/f的值越大，换热面的性能越好。

即：

因此可得j/f的表达式为：

式中，NTU——传热单元数，NTU=（hA）/（WCp）；

W——质量流量A籽u；

A0——最小流通截面积。

对于百叶窗翅片和多区域开缝翅片，它们的摩擦因子f一般采用凯斯和伦敦给出的计算公式进行计算。当工质流过试件前后，密度变化很小时，可以按不可压缩进行处理。摩擦因子f简化后为：

式中，A0和A分别为自由流通最小面积和总换热面积；

kc和ke为冷工质进出试件由于面积突缩和突扩而产生的压力损失系数。

（2）JF准则数比较法

换热器在用j因子和f因子来评价其性能时，往往会出现一些问题，比如用j/f方法分析的结果与能量平衡分析的结果是相反的。这主要是因为换热器的换热因子j增大时，流体流动阻力系数f也随之增大，它们增加的幅度一般是不相同的。因此，Yun和Lee提出了一个无量纲准则数来反映换热器强化换热技术的好坏。JF准则数通过换热系数（h）的比值和单位面积（A）的耗功（P）来反映。

（3）j-f因子分析法

j-f因子分析法是一种比较直观的分析方法，它通过将换热系数j和阻力系数f直接画于图中或者列于表中，通过对图中j和f的变化趋势来分析换热器强化换热的能力。相关文献研究了三组开缝翅片管及平翅片管的层流流动与换热特性，并运用j-f因子分析法比较了不同组翅片管之间的强化传热效果。通过计算得出了三组开缝翅片管及平翅片管在相同工况下j因子和f因子比较结果。j随Re数的增大而减小，同时f也减小，但j的减小梯度大于f的减小梯度。从比较结果可知翅片开缝能强化传热，这只要是由于翅片上开缝可以破坏翅片上的边界层，减小边界层的厚度，从而强化空气侧的对流换热。显然，用j和f的变化图来说明问题，一般都比较直观，但是不便于定量的分析。

1.4总结

本文针对工程上普遍应用的换热准则数法、Webb纵向比较法、j/f因子法以及传热强化综合评价方法作了详细的介绍，这些指标基于热力学第一定律，从能量的数量角度进行理论研究，表征能量转换和传递过程中的数量关系，能直观地表现采用传热强化技术后换热性能的提升程度，但从能量利用率的层次上难以将流动与传热有机融合在一起，不能很好解决能量利用效率的综合评价。随着传热强化技术与节能减排研究的深入，应该采用热力学第二定律对其传热和流动过程进行性能分析，从能量的品质和数量综合进行技术评价。

2　基于熵分析法的性能评价

采用熵产分析方法对传热、混合等不可逆现象进行理论分析，有益于反映换热现象的热力学实质，另外通过进行过程传热优化以减少耗散损失。Bejan等提出以熵产单元数Ns，Ns定义为换热器由于不可逆性熵增与两种流体热容量的比值，即：

在换热器中存在热损失和机械损失，从热力学角度均可用熵产表示，上式变换为：

式中，驻T——流体与壁面的温差；qe——单位长度的传热量；T——流体绝对温度。

式（6）第一项为因压降引起的熵产，第二项为因温差引起的熵增。显然驻T与驻p的升高，均会引起Ns加大，若Ns为0，即为理想的可逆过程。利用Ns评价换热元件不仅立足与能量的数量，还立足于能量的品质，因此采用Ns来评价换热器的强化换热性能较为合理。

3　基于火用的分析评价

3.1火用分析方法

由于热力学第一定律与热力学第二定律这两种方法各自的局限性，Z.Rant等以热力学第二定律为依据，考虑热力学第一定律提出了火用分析法，由于火用拥有能的量纲和质的属性，使能量的量、质得到了较好的统一，因此火用分析方法比有效能分析法较科学、较深入，比熵分析方法较全面、较易于理解。因此，火用分析法受到热工界较大的重视，较广泛地被用于工程应用实际，并取得了可喜的经济效益。采用火用分析法进行换热器性能评价时，从能量质和量上综合分析传热及流动特性，旨在计算、分析系统内外部的不可逆火用损失，寻求能源使用过程的薄弱环节，以求改进；在换热器设计过程中以火用效率等为目标函数需求最优化解，评定换热器性能，作为改善换热性能的依据，达到节能效果。

3.2能级分析法

火用分析法对于揭露能量系统中的能源利用薄弱环节是相当有效的。但任何能量利用系统，包括设备、过程和循环等均存在着能量供应和能量使用的能量品质的匹配问题。在能量系统火用分析探讨基础上，发展起来了一种新的热力学分析方法：能级分析法。它为能量系统优化匹配提供了有效的依据，对于能量系统用能匹配的研究具有重要的意义。为了反映能量品质的高低，提出能级的概念。

有了能级和能级平衡系统的概念，用户可依据能量平衡与火用平衡理论，以能级匹配和减少能量损失为能源利用的指导方向，以供、用能方的能级差热力学第一定律的热效率浊t等作为能量利用合理性的质和量作为定量准则。能级分析法作为能量利用系统分析方法的新发展之一，已经并且将更多地在工程应用中发挥作用，但其作为一种发展中的分析方法，仍需继续深入研究。

4　结论

（1）基于热力学第一定律的换热准则数法、Webb纵向比较法、j/f因子法以及传热强化综合评价方法均从能量使用的数量角度进行理论分析，揭露能量使用过程中的数量，因此能直观地反映采用强化传热技术后性能的改善程度，且易操作，因此在工程实际中得到了广泛的应用。

（2）应用熵产分析的评价方法是比较流动和换热不可逆损失的大小。该方法可以反映出强化传热的能量利用效果、能量的贬值程度，还可以确定合理的流动工况参数、结构参数等。

（3）基于火用评价的火用分析方法和能级分析方法可研究系统内外部的不可逆火用损失，反映能量使用过程的薄弱环节，为改进提供理论依据，而且还可以揭示供能与用能之间能量品质匹配问题，为换热元件的优化设计提供了理论技术支持。

（4）热经济学适用于解决大型、复杂的能量系统的分析、设计、参数优化和系统改进，成为一门完美融合了热力学分析与经济分析为一体的新兴学科。

（5）本文以热力学的发展演进为线索，具体分析了传热强化评价指标的演化进程，将传热评价依据分为四类，其分类思路明确，可为工程上强化传热评价依据分类的标准化提供参考。

[参考文献]

[1]曾丹苓，敖越，张新铭，刘朝.工程热力学（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]傅秦生.能量系统的热力学分析方法[M].西安：西安交通大学出版社，2005.

[3]杨东华.火用分析与能级分析[M].北京：科学出版社，1986.

[4]李心刚，王炳莉，马强.基于平衡原理的热电联产系统能量梯级利用[J].华东电力，2009，37（3）.

[5]戈志华，胡学伟，杨志平.能量梯级利用在热电联产中的应用[J].华北电力大学学报，2010，37（1）.

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

作者简介：李丽君（1975－），女，1997年毕业于华北电力大学热能工程专业，高级工程师，现从事电厂热机专业设计工作。

收稿日期：2015－10－21

【文章编号】1006-6764(2015)12-0071-03

【文献标识码】A

【中图分类号】TK12