摘要:分析比較了現有的強化傳熱評價方法與評價指標。通過分析管殼式換熱器殼程傳熱與阻力性能特點,指出管殼式換熱器殼程的強化傳熱研究,在采用能量系數Ｋ/Ｎ來評價強化傳熱時,應更著眼于提高其傳熱性能。通過推導分析,說明采用α/ΔＰ1/3作為評價指標,能夠準確評價殼程強化傳熱的性能。
　　關鍵詞:管殼式換熱器;強化傳熱;殼程;評價方法
　　中圖分類號:ＴＫ134　　　文獻標識碼:Ａ　　　文章編號:1007 2691(2007)02 0095 03
　　1　強化傳熱評價方法
　　要確定一項強化傳熱新技術是否先進,必須對其進行評價。但在實際的使用中,出現了多種評價強化傳熱的方法與評價指標。最早對換熱器進行評價都采用單一參數,例如總傳熱系數Ｋ和壓降ΔＰ,這兩個參數均與流體的流速有關,故一般工程上采用在相同流速下比較總傳熱系數和壓降。有人主張采用換熱量Ｑ與消耗的泵(或風機)的功率Ｎ的比值,即能量系數作為評價指標,類似的也廣泛采用Ｋ/ΔＰ以及無因次化的Ｎｕ/ζ來進行評價,為了更準確地反映強化傳熱的性能,進一步也可以使用Ｋ/ΔＰ1/3及Ｎｕ/ζ1/3作為指標[1～2]。隨著傳熱技術的發展,換熱器日益向體積小、重量輕的方向發展,同時在提高效率的前提下,要求操作費用降低。文獻[3～4]在綜合分析的基礎上,提出了一套較為完整的性能評價數據,即維持輸送功率、傳熱面積、傳熱負荷3因素中的兩因素不變,比較第3因素的大小以評定傳熱性能的好壞。
　　這些評價都只是分析換熱器的能量在數量上轉換、傳遞、利用和損失的情況,即以熱力學第一定律為基礎。為了更準確地反映熱量交換過程能量在質量上的損失,在理論研究中也提出了許多基于熱力學第二定律的評價方法,即分析換熱器中火用的轉換、傳遞、利用和損失的情況。文獻[5]提出了以熵產單元數Ｎｓ作為評價指標,文獻[6]等在熵產分析的基礎上提出強化傳熱性能因數來進行評價。有些學者還提出采用火用分析法[7～8]對換熱器進行評價,采用各種火用效率來作為評價指標,它與熵產分析法類似,能從能量的質量上來討論流動與傳熱的關系。而進行技術推廣應用時,還應考慮采用強化換熱技術后管子等價格的增加和運行費用的變化,運用經濟核算的方法進行評價,即熱經濟學的評價方法。
　　而在實際的使用過程中,進行強化傳熱新技術、新方法的研究更多采用簡單易用的單一參數Ｋ,ΔＰ以及單一參數組合而成的Ｋ/ΔＰ,Ｋ/ΔＰ1/3來進行評價[9～11]。而基于熱力學第二定律的方法在設計過程中可用來判斷換熱器的性能,作為進一步改善的依據,但在工程上缺乏實用性。
    2　管殼式換熱器殼程強化傳熱評價分析
    工業生產中廣泛使用各種類型的換熱器來實現熱量的合理利用,就使用的場合和數量來講,目前為止管殼式換熱器仍占據主要地位。采用各種強化傳熱方法設計制造高性能的換熱器是經濟地開發和利用能源的最重要手段,管殼式換熱器的強化傳熱研究經過多年發展,目前已經取得了許多廣泛使用的成果。這些強化傳熱的技術與方法一般可以分成管程強化與殼程強化兩個方面。目前殼程傳熱強化的途徑有3種:一是改變殼程擋板或管支撐物的形式,二是改變管子外形或在管外加翅片,另外還可以通過改變殼程流程布置來強化傳熱。要對這些途徑進行評價,應該使用更合適的管殼式換熱器殼程強化傳熱的評價指標。
    管殼式換熱器殼程進行強化傳熱研究時廣泛采用的仍是能量系數Ｋ/Ｎ作為評價指標,在此Ｋ為總傳熱系數,而Ｎ為流體輸送機械的功率,可以看作殼程流體流過整個殼程管路的阻力。
    管殼式換熱器的總傳熱系數Ｋ可以表示成下式
                 
    忽略管壁熱阻及污垢熱阻,簡化為
                 
    在無相變換熱的情況下,一般殼程對流換熱系數α1小于管程對流換熱系數α2,所以在殼程進行強化傳熱的改進,可以使總傳熱系數Ｋ有較大提高。
    管殼式換熱器的阻力應包括整個換熱系統的阻力,即Ｎ=ΔＰ1+ΔＰ2+ΔＰ3+ΔＰ4,其中ΔＰ1為換熱器接口管路的阻力,一般換熱器的進出口接口管路都會包括較多管件:閥門、彎頭、流量測量裝置等,因此這一部分會產生較大阻力;ΔＰ2為換熱器進口處的阻力,即可以簡化為一個突然擴大過程所產生的阻力;ΔＰ3為流體流過殼程管束的阻力;ΔＰ4相應的為換熱器出口的阻力,可以簡化為一次突然縮小過程的阻力。一般來說換熱器殼程管束部分的阻力ΔＰ3在總阻力中只占據較小的份額[12]。
    由此可見對于管殼式換熱器殼程強化傳熱的研究而言,殼程的改進僅僅影響殼程對流傳熱系數α1與流體流過管束的阻力ΔＰ3,但殼程對流傳熱系數對總傳熱系數的影響顯然大于殼程管束阻力對殼程總阻力的影響,因此殼程對流傳熱系數與管束阻力相同幅度增大時都會使能量系數Ｋ/Ｎ增大。同時管束阻力不變時殼程對流傳熱系數的提高對能量系數的影響要大于α1不變而降低管束阻力對能量系數所帶來的影響。因此在管殼式換熱器的殼程進行強化傳熱應更著眼于提高其對流傳熱系數。
    3　評價指標分析與推導
    為了更準確地描述殼程強化傳熱對殼程性能的影響,使用殼程對流傳熱系數與流體流過管束的阻力之比α1/ΔＰ3作為評價指標。對于殼程最常使用的弓形折流結構進行如下分析。
    由于折流結構的影響,殼程的流體流動非常復雜,出現了多種不同的計算方法。無相變時殼程對流傳熱系數常采用Ｄｏｎｏｈｕｅ法或者Ｋｅｒｎ法來計算[13],Ｋｅｒｎ法計算公式為
              式中:ｕ0為按殼程流通截面積Ａ0計算的流速,ｍ/ｓ;而Ａ0=ｌｂ(Ｄ-ｎｅｄ0)。
    由上式可見,在其他條件不變時,殼程阻力與折流板間距的2次方成正比;而α1/ΔＰ3與折流板間距的-1 45次方成正比。因此如果采用這一指標來進行評價,隨著折流板間距的減小,其性能持續增大,而實際使用中顯然折流板間距不能過小,可見這一指標即使用于弓形折流結構下的無相變換熱也并不合理。
    根據上述分析,要避免折流板間距改變的影響,應該采用α1/ΔＰ31/3作為評價指標,這樣隨著殼程流體流速的改變,其綜合性能并不會改變。而殼程強化傳熱研究一般以弓形折流結構下的光滑管束作為比較的參照,因此也可以采用這一指標來對其綜合性能進行評價。
    4　結論
    (1)通過分析管殼式換熱器殼程傳熱與阻力性能特點,說明在采用能量系數Ｋ/Ｎ來評價強化傳熱時,應更著眼于提高其換熱性能。
    (2)通過分析比較弓形折流結構無相變換熱時殼程對流傳熱系數與殼程管束阻力的計算,表明采用α1/ΔＰ31/3作為評價指標,能更準確反應強化傳熱的性能。