管内综合热力性能分析一般化方程的建立及应用

电力18讯：    摘  要：该文针对强化换热元件的综合热力性能分析和评价问题，基于局域平衡热力系统热质传递过程熵产分析普遍化方程，建立了一般意义下统一的管内综合热力性能分析和评价方程，并以管内强化传热介绍了其应用。结果表明该方法物理意义明确，简单易用，不仅可通过参数分析获得各种强化方式的能量综合利用效果，而且还可确定合理的流动工况参数、结构参数和合理的强化形式。
    关键词：强化换热；热力性能；评价方法

1  引言
    强化传热的同时，流动阻力也显著增加，使强化传热的性能分析复杂化，权衡两者，使其具有较好的能量综合利用性能和应用价值以及如何评价各种强化传热形式的性能，一直是该领域中有待解决的问题。目前在强化传热研究中，较常用的评价分析方法是直接比较法和Webb评价法[1]。前者采用强化传热管的性能（传热、阻力性能）与光管性能比较直接获得强化增长程度，后者依据热力学第一定律建立的强化管与光管比拟式作为判据进行评价分析。用上述方法评价分析管内强化换热，虽然直接方便并可获得确定的结果，但是由于评价分析中没有将传热性能和流动性能有机地结合起来，未能很好地解决能量有效利用的综合评价问题，因此评价是不完备的。
    一般而言，换热过程往往包含有温差的热量传递过程和压力损失的流体流动过程以及化学势差下的质量传递过程。这3种过程均是不可逆的热力学过程，必然会引起由此构成的热力系统熵产，从而表现为有用能损失。为此，通过分析流动热质传递过程的熵产，就可综合评价换热系统的能量有效利用程度。就传热管强化而言，通过强化前后的比较，可获得能量利用程度的增强效果，作为理论分析和实际应用的依据。正因为如此，基于熵产分析法的强化换热系统的能质综合分析、评价和优化研究正引起了国内外众多学者的关注[2,3]。
    本文在前期研究工作的基础上[4]，针对强化换热元件的综合热力性能分析和评价问题，基于局域平衡热力系统过程熵产分析普遍化方程，首先建立一般意义下统一的管内综合热力性能分析和评价方程，并以管内强化传热为例介绍其应用。
2  对流热质传递过程的熵产分析普遍化方程的建立
    对包含热质传递的流体流动，考虑图1(a)、(b)所示内、外部流动问题，其中(a)表示流体经过一任意形状的通道与壁面之间进行热质交换；(b)表示流体内存在一不运动的任意形状固体，流体与该固体之间存在热质交换，采用控制体法取图示热力学分析系统，设控制体远大于该物体，从而保证控制体的边界条件不因物体的存在而受影响。
    对图1内、外部流动控制体由质量守恒及热力学第一、二定律可得如下3个方程：



  

式中  r,h,v,q,s,T分别为介质的密度、比焓、速度、热流密度、比熵和温度，下标k表示混合介质的组分。详见文[4]。
    基于不可逆热力学的局域平衡假设[5]，将系统划分为几个均匀的平衡局域，这样整体非平衡的控制系统可由诸平衡局域组成，从而保证各种热力学函数都有确切的意义。为此对每一局域采用广义吉布斯方程得




    由式(1)～(3)结合上面推出的公式消去控制体进、出口截面的积分，并应用多元工质流体热质传递的一些基本关系式可得[4、6-8]：


    根据流体作用在物体表面上的阻力与上式最后一项之间的关系，并假定质传递方向上压力梯度可忽略，对上式应用文[9]中理想混合物的热力学关系式可得：


    此即为基于局域平衡假设下热力系统对流热质传递过程熵产分析的普遍化方程，从中清楚地看出第1项是由对流热质传递过程中温差传热引起的熵产部分，第2项是由浓度差引起的传质过程的熵产部分，第3项是由流阻不可逆引起的熵产部分，当质量传递不存在时，显然另两项构成了对流换热过程的熵产表达式，它与文[2]推出的熵产表达式是一致的。
3 管内流动与传热综合热力性能分析方法的建立
3.1  管内流动传热公式
    考虑一般性，由式(11)对单纯管内流动传热问题有：


式中 P为管壁周长，T、Tw分别为主流和管壁温度，p、m分别为流体密度和质量流量。
3.2  壁面恒热流条件
    考察如图2所示管段控制体，假设管内流动处于稳定的充分发展状态，壁面热流为q，不计轴向导热和散热的影响，由热力学第一定律知：


                      

将式(16)、(17)、(18)代入式(15)得：


由此可解得流动工质沿管长