传热效率—强化传热的新评价指标.doc

文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123271
传热效率—强化传热的新评价指标基金项目:国家自然科学基金资助项目(No. 51036003, 51021065)和教育部博士点基金()资助。
贾晖刘伟* 刘志春
华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉 430074
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摘要:本文从热耗散的角度出发,提出了一种新的衡量热量传输过程效率的物理量。随后,本文利用最小热耗散优化原理对圆管管内空气对流换热问题进行了优化计算,同时从层流和湍流两种情况进行了优化前后的传热效率的比较。结果表明,对于管内对流换热问题,与不优化的光管相比,优化后的圆管的传热效率远高于前者,并且传热效率与努赛尔数的趋势一致。因此,本文提出的传热效率能够很好地应用于管内强化传热的评价。
关键词:强化传热;传热效率; 热耗散; 性能评价
0 前言
热量传递问题普遍存在于石油、化工、能源、冶金、材料、航空、电子等工业领域,与国民经济密切相关。随着世界能源危机的出现,为了降低换热设备的成本,减少换热设备的能耗,强化传热的研究应运而生[1,2]。近几十年来,强化传热研究蓬勃发展,传热强化技术层出不穷[3],极大地促进了社会的发展。然而,对于具体应用场合,面对众多强化传热技术,如何选择最合适的,这就需要传热强化的评价理论进行指导。
国外不少学者对于建立强化传热的评价标准作了广泛的研究。最早追溯到上世纪70年代,Webb和Bergles等[4-6]提出了一套传热强化的评价方法。他们研究了强化管与对应光管的换热面积、输送功耗、换热量三项指标,让强化管与光管在两项指标相等的前提下比较第三个指标的增益或者减少,由此得到换热强化的程度。之后,Bejan等提出了基于熵产的评价方法[7,8],由熵产的大小来评价强化换热方式的好坏。Prasad等更是提出了基于火用损的评价方法[9],以无量纲火用损的大小来评价传热强化的优劣。除此之外,国内学者对于传热强化的评价方法也作了不少的研究。过增元等提出了场协同原理[10],以协同角的大小来评判传热是否得到了强化,刘伟等更是将协同角评价方法扩展成了多场的协同[11-13]并提出了效能评价系数[14]。然而以上各种评价方法都不能直观反映传热过程的效率。
刘伟等提出的热耗散[15]既能反映传热过程的不可逆性,同时又具有能量的量纲,同时从热力学第一定律和热力学第二定律的角度反映了传热过程。由此,本文在热耗散的基础上提出了传热过程的效率,并对其正确性进行了数值实验验证。
1 传热过程的效率
刘伟等[15]提出了一个新的物理量—可用势:
(1)
并给出了它的平衡方程:
(2)
式中,e代表工质在环境温度下的可用势,同时具有能量的量和质的双重属性,代表工质的焓,代表工质的熵,为环境参考温度,为热流项,为因流体粘性而产生的热(即粘性耗散),为内热源项。相对于焓守恒方程:
(3)
可以发现,势平衡方程(2)中多了一项,这项表示工质可用势在传递过程中消耗掉了,被定义成热耗散。
对于传热过程,从数量上看传递的热量是保持不变的,但是热量的品质发生了变化。热量传递过程中质的降低,正是因为热耗散的存在,于是可以如下定义传热过程的效率。将热耗