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螺旋翅片管束换热过程中的熵产分析点击：1926 日期：[ 2014-04-26 21:57:58 ] |
| 螺旋翅片管束换热过程中的熵产分析 王乃华1, 滕 斌2, 高 翔3, 骆仲泱3, 岑可法3 (1.山东大学能源与动力工程学院,济南250061; 2.华电国际电力股份有限公司,济南250001;3.浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,杭州310027) 摘要：对不同翅片间距sf、管束横向节距st和管束纵向节距sl的9组螺旋翅片管束的换热和流动过程进行了试验研究.分析了换热过程的熵产,研究了雷诺数(Re)、翅片间距、管束横向节距和管束纵向节距对管束换热熵产数NsH、流动熵产数NsF和总熵产数Ns的影响.结果表明:对不同布置方式的管束,随着Re的增加,NsH迅速减小,NsF逐渐增加,Ns先减小后增加;翅片间距对NsH影响较小,在高Re下,翅片间距增大时,NsF和Ns均明显降低;横向节距对NsH几乎没影响,但随着横向节距的增加,NsF和Ns均明显降低;管束纵向节距对NsH、NsF和Ns的影响都很小. 关键词：螺旋翅片管束;熵产;换热过程;最优工况 螺旋翅片管是一种高效的换热元件,它能增大换热面积、强化换热以及减少金属消耗量,因此在电力、石油和化工等行业得到广泛的应用. Laor和Kalman[1]、Heggs和Ooi[2]以及La等[3]对螺旋翅片管的优化问题进行了研究,从热力学第一定律的角度讨论了翅片管结构对换热和阻力的影响.螺旋翅片管在强化换热的同时,会增加流动阻力,因此设计螺旋翅片管换热器的工程师往往陷入两难的境地,在强化换热和减小流动阻力2个目标之间难以取舍.建立综合反映换热和阻力2个因素的评价方法有利于螺旋翅片管换热器的设计.余敏[4]等对普通换热器的熵产进行了分析,但未曾探讨熵产生的根源.Bejan[5]指出螺旋翅片管换热器的熵产是由换热的不可逆性和流动的不可逆性共同引起的,提出以熵产数Ns为优化翅片管结构的指标.Sciubba[6]对低Re下螺旋翅片单管的换热和流动过程进行了数值分析,认为由于Re较低,流动不可逆性引起的熵产比换热不可逆性引起的熵产低4个数量级,因此可以忽略不计.由此计算得到不同翅片间距和不同翅片高度下单管的熵产数,并且认为增加翅片间距有利于减小换热器的不可逆性,但同时使总换热面积减小,因而在一定空间内的换热量减小.Taufiq等[7]对环形翅片单管在中、低Re下的熵产进行了分析,并且讨论了翅片厚度对熵产的影响.在实际工业中,一般都是将多根管按照一定的布置方式组成管束式换热器,笔者对螺旋翅片管束在中、高Re下强化换热过程的熵产进行了研究. 1 试验研究 1.1 试验装置 试验采用镍基渗层螺旋翅片管,其结构示于图 2,主要几何尺寸示于表1. 试验段管束采用叉排布置方式,横向7排管,纵向5排管,固定于两侧壁板上,整体可拆装,可实现不同布置参数的组合.管束布置参数示于表2.分别对9组不同翅片间距、横向节距和纵向节距的管束进行试验,研究这些参数对熵产的影响.定义相对横向节距a=st/d,相对纵向节距b=sl/d. 试验采用整体加热法,以硅碳棒作为管内加热元件,实现等热流换热.全部硅碳棒串联在一起并与稳压电源相连,以保证在任一硅碳棒损坏的情况下系统停运,从而消除由异常工况产生的误差.试验段进、出口风温以及翅片管根部温度用0.3 mm的铜-康铜热电偶测得,测点位于每支翅片管的中间位置,热电偶在试验前均进行标定.风速用AMCA毕托管在控制点测量.毕托管与倾斜式微压计相连,试验前按照ISO-3354标准用五点对数法对风洞流量进行标定.在风洞纵向中心线A、B2点(图1)装有测压点,2点间距为500 mm.空气经过试验段的阻力由U形管差压计测得.风洞的静压取A、B2点压力的平均值.空气密度通过测量环境压力、气温和湿度计算得到. 1.2 数据处理 2.3 熵产 2.3.1 Re对熵产数的影响 对于各种布置方式的管束,Re对换热熵产数NsH、流动熵产数NsF以及总熵产数Ns的影响示于图3~图8.由图可见,对于不同布置方式的管束,Re对各熵产数的影响趋势一致.在低Re时,NsH较大,NsF很小,随着Re的增加,NsH迅速减小,NsF逐渐增加,导致Ns呈现先减小后增加的趋势.这是由于随着Re增加,换热加强,从而减小了换热的不可逆性,但同时流动的不可逆性增加.对于各管束,熵产数Ns均存在1个最小值.此时换热的不可逆性和流动的不可逆性达到比较好的平衡,整体的不可逆性最小,从热力学第二定律的角度看,此时的工况是最优的,该工况对应的Re为最优雷诺数Reopt.各管束的最优雷诺数及其对应的最小熵产数见表3. 2.3.2 翅片间距对熵产数的影响 翅片间距增加使换热增强,流动阻力增加.由于翅片间距对换热的影响较小,因此对换热熵产数NsH的影响也较小,由图3和图4可见,3种不同翅片间距下管束换热熵产数NsH的曲线几乎重合.在低Re下,由于流动不可逆性很小,因此翅片间距对流动熵产数NsF的影响不明显,对总熵产数Ns的影响也较小.而在高Re下,翅片间距越大,流动阻力越小,流动不可逆性也越小,管束的流动熵产数NsF和总熵产数Ns均明显降低.随着翅片间距的增大,各管束总熵产数的最小值Nsmin减小,对应的最优雷诺数Reopt则增大,即最优工况点向右下方偏移. 2.3.3 管束横向节距对熵产数的影响 由图5和图6可见,横向节距对换热熵产数NsH几乎没有影响;但是随着横向节距的增加,流动熵产数NsF和总熵产数Ns均显著降低.这是因为横向节距较小时,翅片间的粘性层几乎连成一片,形成类似于扁管的流动,阻碍边界层的分离,流动阻力较大,流动的不可逆性也较强.随着横向节距的增加,绕流各个翅片管的流体不再成膜,流动的不可逆性减弱;同时,随着横向节距的增加,各管束总熵产数的最小值Nsmin减小,对应的最优雷诺数Reopt则增加,即最优工况点向右下方偏移. 2.3.4 管束纵向节距对熵产数的影响 由图7和图8可见,管束的纵向节距对换热熵产数NsH、流动熵产数NsF和总熵产数Ns的影响都很小.只有在Re很大的情况下,随着纵向节距的增大,流动熵产数NsF和总熵产数Ns才有所减小.各管束熵产数的最小值Nsmin及其对应的最优雷诺数Reopt随纵向节距变化较小. 3 结 论 (1)不管何种布置方式的管束,在低Re时,NsH较大,NsF很小,随着Re的增大,NsH迅速减小,NsF逐渐增加,Ns呈现先减小后增大的趋势.Ns存在1个最小值Nsmin,此时换热的不可逆性和流动的不可逆性达到比较好的平衡,整体不可逆性最小.从热力学第二定律的角度看,此时的工况是最优的,该工况对应的Re为最优雷诺数Reopt. (2)翅片间距对NsH影响较小.在低Re下,翅片间距对NsF和Ns的影响不明显,在高Re下,随着翅片间距的增加,NsF和Ns均明显降低,各管束熵产数的最小值Nsmin减小,对应的最优雷诺数Reopt则增加,最优工况点向右下方偏移. (3)横向节距对NsH几乎无影响.但是随着横向节距的增大,NsF和Ns均显著降低,各管束熵产数的最小值Nsmin减小,对应的最优雷诺数Reopt则增大,最优工况点向右下方偏移. (4)纵向节距对NsH、NsF和Ns的影响都很小,只有在Re很大的情况下,随着纵向节距的增大,流动熵产数和总熵产数才有所减小.而各管束熵产数的最小值Nsmin及其对应的最优雷诺数Reopt随纵向节距的变化较小. 参考文献：略 |
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