换热器性能分析新方法3柳雄斌过增元�(清华大学工程力学系,北京100084)(2008年10月25日收到;2008年11月20日收到修改稿)鉴于以加热或冷却为目的的热量传递过程,其不可逆性应以的耗散率来度量,为此可以用换热器中的耗散率定义换热器的当量热阻,它既包含换热器中的传热热阻,还包含了由非逆流形式和非平衡流引起的附加热阻.换热器当量热阻的倒数称之为换热器的当量热导.通过耗散定义的换热器当量热阻建立了传热不可逆性与有效度的联系,并导得了换热器有效度与当量热导(热阻)和热容量流比的统一函数关系式,它适用于不同流程布置的换热器.因此,有效度2热导(热阻)方法能更方便于不同类型换热器性能的分析和比较.关键词:换热器,热阻,耗散,熵产PACC:4425,8630R,44903国家重点基础研究发展计划(973)项目(批准号:2007CB206901)资助的课题.�通讯联人,E2mail:demgzy@tsinghua.edu.cn11引言在现有文献中,换热器的分析和设计通常有两种方法:对数平均温差法和有效度2传热单元数法[1,2].对数平均温差法通常把传热系数U认为是常量,传热面积A均匀分布,把二者乘积看作换热器的热导,则热量传递方程为�Q=UAΔTM,(1)其中�Q是热流,ΔTM是平均温差.对于单流程的顺流或逆流换热器ΔTM=ΔTa-ΔTbln(ΔTaΠΔTb)=ΔTLM,(2)其中ΔTLM称为对数平均温差(logarithmicmeantemperaturedifference,LMTD),ΔTa,ΔTb分别为两流体进口和出口温差.对于叉流换热器和多流程换热器,由于冷热流体的温度分布是多维的,对数平均温差概念不再适用,但是Bowman等[3]的分析表明,可以在对数平均温差的基础上乘上一个修正因子,就可以得到复杂流动布置换热器的正确的平均温差.修正因子F≤1,不同换热器类型具有不同的F值,并可把它们作成图表.当UA给定时,平均温差愈大,热交换量愈大,即换热器性能愈好.当流动布置型式和冷热流体进出口温差已知时,我们就可以直接求得代表换热器性能的平均温差.对于特定的热负荷,就可求得所需换热面积,反之亦然.有效度2传热单元数法是由Kays和London[4]提出的,把流体间实际换热量与最大可能换热量之比定义为换热器的有效度,显然,有效度反映了换热器性能.对于单流程的逆流和顺流换热器,有效度的表达式为ε=1-exp[-Ntu(1+C)]1+C,(顺流),(3a)ε=1-exp[-Ntu(1-C)]1-Cexp[-Ntu(1-C)],(逆流),(3b)其中Ntu=UA/Cmin,称为传热单元数,C=CminΠCmax是最小与最大热容量流之比.对于叉流和某些多流程管壳式换热器,其有效度都具有各自的分析表达式[5].对于一个给定的换热器,当需要确定流体的进出口温度时,采取有效度法比较方便(不需要迭代),特别是在对不同类型的换热器分析比较时,有效度方法优于对数平均温差法.鉴于换热器中热量交换是不可逆过程,人们试图建立传热过程不可逆性与换热器性能(有效度)之间的联系.Bejan[6]基于热力学第二定律,用传热和摩擦引起的熵产生代表换热器中的不可逆性,并用第58卷第7期2009年7月100023290Π2009Π58(07)Π4766206物理学报ACTAPHYSICASINICAVol.58,No.7,July,2009ν2009Chin.Phys.Soc.熵产数分析逆流换热器的性能.他在讨论逆流换热器中熵产生与有效度的关系时,发现有效度从0到1变化时,熵产生有一最大值.在0和此最大值之间,随着Ntu的增加,ε增加,这原本应与熵产减少相对应,但熵产生反而增加了,这不符合人们预期,因此把它称之为“熵产悖论”[7].Hesselgreaves等[8]采用其他方法把熵产无因次化以消除Bejan提出的熵产悖论.Shah等[9]分析了18种典型换热器的性能,表明当有效度最大时,不可逆性(熵产)可以是最大、中间或者最小值.因此Shah认为,适用于热系统中热功转换过程的熵产最小与最大能源效率相对应的概念,并不十分适用于热交换过程分析.过增元[10,11]等的研究表明,以加热或冷却为目的的热量传递过程的不可逆性是由耗散、而不是由熵产来度量的,并且还可以用耗散定义复杂边界条件下导热问题中的当量热阻.本文在讨论不涉及热功转换的换热器中耗散的基础上,定义了换热器的当量热阻,并建立了它与有效度和热容量流比的关系式,这一关系式适用于任何流动类型.当量热阻定义式还适用于变传热系数的换热器.21换热器中的耗散与当量热阻2111导热问题中的耗散与介质的当量热阻[10]过增元等[10,11]借助于...
