摘要：提出并采用了換熱器強化傳熱性能評價(jià)準則，即強化換熱器單位換熱量的熵增應小于原來(lái)?yè)Q熱器單位換熱量的熵增。這一準則，試圖從熱力學(xué)第一定律與第二定律結合的角度，對強化傳熱效果進(jìn)行質(zhì)和量?jì)煞矫娴木C合評價(jià)�；�于該評判準則，選用了一種冷水表面式冷卻器，對于不同翅片結構的兩種換熱器方案進(jìn)行了流動(dòng)、傳熱及熱力學(xué)特性的計算；通過(guò)對計算結果的比較分析，確定了一種較優(yōu)的冷卻器翅片結構，并認為所采用的換熱器強化傳熱評價(jià)準則是合理可行的，可以在換熱器的優(yōu)化設計中應用。

　　關(guān)鍵詞：熵增 強化傳熱 冷水表面式冷卻器

　　1、引言

　　強化傳熱是傳熱學(xué)研究的重要方向，被稱(chēng)為第二代傳熱技術(shù)。換熱器強化傳熱性能的方法較多，見(jiàn)于報道的已有幾十種。對單相對流換熱、沸騰換熱和凝結換熱，許多強化措施在傳熱增強的同時(shí)也引起了流動(dòng)阻力增加，從而導致?lián)Q熱器強化傳熱綜合效果可能降低。因此，對換熱器強化傳熱性能評價(jià)準則的研究是十分重要且必要的。傳熱增強與阻力增加是一對較難完全解決的矛盾，一個(gè)好的換熱器設計、優(yōu)化工作往往是在雙方之間取得了較好的折衷。以往的換熱器強化性能評價(jià)準則大多是從能量數量角度衡量，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]，這些評價(jià)準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(zhù)強化傳熱與節能研究的深入，也需要從熱力學(xué)第二定律的角度對能量質(zhì)量進(jìn)行衡量。在用熱力學(xué)第二定律評價(jià)換熱器強化性能方面，已經(jīng)開(kāi)展了一些初期工作，如A.Bejan的熵產(chǎn)單元數法、火用分析法等，但對換熱器的換熱量卻沒(méi)有考慮。本文試圖從傳熱過(guò)程中能量的數量、質(zhì)量?jì)煞矫鎭?lái)對換熱器的強化傳熱進(jìn)行評價(jià)，提出并采用的評價(jià)準則為；強化后換熱器單位換熱量引起的熵增值應該是減小的，減小的程度即表明了性能提高的程度。計算時(shí)，將綜合采用熱力學(xué)、傳熱學(xué)和液體力學(xué)的研究結果。

　　2、評價(jià)準則

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

　　計算法 在換熱器的計算機模擬過(guò)程中，若以式（8）評價(jià)準則作為目標函數，通過(guò)對換熱器有關(guān)敏感參數調節比較，即可完成該換熱器的優(yōu)化計算。本文采用FORTRAN 77語(yǔ)言，針對冷水表面式冷卻器，進(jìn)行了兩種方案的比較計算。

　　3、冷水表面式冷卻器計算選用某種常見(jiàn)的冷水表面式冷卻器結構，對空氣側采用平直翅片與百葉窗式翅片的不同情況，進(jìn)行關(guān)于評價(jià)準則的分析計算。表冷器主要結構特點(diǎn)如下[2].

　　翅片： 片厚δf=0.3mm 片高hf=7 片距sf=2.5mm

　　管：外徑d0=16mm 內徑di=12mm

　　表面根數：24

　　排數： 4

　　散熱面積： 57.6m2

　　迎風(fēng)面積： 0.97m2

　　空氣側熱阻一般為氣——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生成，增強空氣流動(dòng)的紊流度，而比平直翅片具有明顯的傳熱強化作用。本文采用了文獻[3]推薦的一種百葉窗翅片結構，利用換熱器強化傳熱評價(jià)準則式（8），完成了兩種方案的比較計算。

　　傳質(zhì)系數計算

　　β為從含濕量來(lái)定義的傳質(zhì)系數。在空氣——水系統的熱質(zhì)交換過(guò)程中，空氣側換熱系數與傳質(zhì)系數之間滿(mǎn)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較穩定值偏低。這里，取第一排換熱系數修正值為0.8，最后一排換熱系數修正值為0.95.

　　冷凍水、濕空氣狀態(tài)參數計算

　　管內的過(guò)冷水與濕空氣中的水蒸氣的熱力狀態(tài)參數計算采用1967年國際公式化委員會(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(xiě)了干球溫度、溫球溫度、露點(diǎn)溫度、相對濕度、含濕量、比體積、比焓、比熵等參數的計算程序。

　　冷凍水、濕空氣物性計算

　　對水、濕空氣的平衡物性與遷移物性，如比熱容、導熱系數及粘度等，筆者分別編寫(xiě)了子程序以便調用。

　　在以上工作基礎上，即可應用換熱器強化性能評價(jià)準則來(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)，水流分流數為24，采用平直翅片。

　　5、分析與結果筆者編寫(xiě)了冷水表面式冷卻器的模擬計算程序，并對結果進(jìn)行了分析。

　　6、結論

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

　　6.2 采用這一評價(jià)準則可以對不同的換熱器方案進(jìn)行優(yōu)化設計，確定出各方案中的較優(yōu)者。這在實(shí)際工程設計中具有很大的應用價(jià)值。

　　7、參考文獻

　　1、顧維藻，神家銳，馬重芳等。強化傳熱。北京：科學(xué)出版社。

　　2、中國電子工程設計院主編�？諝庹{節設計手冊（第二版）。北京：中國建筑工業(yè)出版社。1995.

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