張 寧（遼寧建筑職業(yè)學院，遼寧 遼陽 111000）

用場協(xié)同原理強化換熱器傳熱性能的分析與計算

張 寧
（遼寧建筑職業(yè)學院，遼寧 遼陽 111000）

以翅片管式換熱器的換熱性能的提高作為研究重點，通過場協(xié)同原理（即在同速度和溫度邊界條件下，對流換熱的性能取決于流體速度場與熱流場協(xié)同的程度）的運用，以橢圓管來替代圓管來作為將換熱器的基管可實現(xiàn)換熱器換熱性能的提高。經(jīng)數(shù)據(jù)測算得，其換熱系數(shù)有所提升，且阻力系數(shù)也發(fā)生部分降低。這為強化換熱器的熱力性能提供了一種較實用的方法。

翅片管式換熱器；場協(xié)同原理；傳熱系數(shù)；熱力計算；對流換熱

傳熱強化技術(shù)的采用所帶來的各種換熱設(shè)備的功率及效率提高，及重量和體積的減少，故其在科技界和工業(yè)界一直獲得高度認可。上世紀出現(xiàn)的世界性能源危機，推動了人們對傳熱強化技術(shù)的探討和研究。世界各國對其的科學研究的重視，在近二十多年的時間里，形成的與傳熱強化相關(guān)的研究文獻不勝枚舉［1-3］。在國民生產(chǎn)的各部門中換熱器扮演著極其重要的角色，特別在制冷空調(diào)應用領(lǐng)域更是翹楚。

從傳熱的基本公式Q=KF△t可看出，換熱量Q的增大可借助與之成正比的傳熱系數(shù)K的提高，傳熱面積F的擴大及傳熱溫差△t的提高這三個方式來完成［4］。可采取具有針對性的相關(guān)技術(shù)措施，來提升上述3條基本途徑的傳熱效率的方法主要有5-6］：1）流體的流動情況產(chǎn)生改變；2）流體物性發(fā)生改變；3）換熱表面情況產(chǎn)生改變。借助粗糙度在傳熱壁面上的增加，及形狀、大小、表面結(jié)構(gòu)于換熱面發(fā)生相變并在表面增加涂層可促進第3種方法的完成。本文中，作者基于場協(xié)同原理并綜合運用第3種方法進行了換熱器換熱性能的強化性針對翅片式管式的專門研究。

1　物理機制及場協(xié)同原理在對流強化上的體現(xiàn)

1.1對流強化所體現(xiàn)的物理機制

熱傳導、熱對流和熱輻射可以歸結(jié)為熱量傳遞常運用的3種模式。而翅片管式換熱器在運行中，對流換熱占主導的同時三種換熱形式共同運轉(zhuǎn)作用。能攜帶熱量的流體宏觀運動作為對流換熱（熱對流）的物理機制，形成了熱量傳遞速率上的對流換熱高于純導熱。

從另一方面可知，內(nèi)熱源的導熱在對流換熱本質(zhì)上是存在的，發(fā)揮當量熱源作用的即流體的運動。在強度層面，對流換熱與當量熱源密切相關(guān)，流體與壁面溫差、流速和流體熱物理特性及運輸性質(zhì)在發(fā)揮決定作用的同時流體速度矢量與熱流矢量的夾角也發(fā)揮重要決定作用。速度矢量與熱流矢量在流體中處于平行時，即達最大的熱源強度，且形成換熱的強化大幅度提升；而遵循等溫線進行的流體運動，其無貢獻于熱量的運輸，與純導熱模式無異［7］。故實際中存在這種對流換熱強度高于純導熱的錯誤認識。其實熱量傳遞基本的運行方式并不是對流換熱，這僅是流體處于運動情況存在的導熱問題。純導熱模式若不依靠流動仍可存在，但對流換熱的模式若離開導熱則無法存在。

1.2場協(xié)同原理在對流強化上的體現(xiàn)［7］

當流速和流體物理性質(zhì)處于既定范疇中，流動當量熱源強度主導著邊界上的熱流（界面上的換熱強度），或者Nu數(shù)在Re數(shù)、Pr數(shù)既定中，無因次流動當量熱源是決定因素。速度場和熱流場本身是流動當量熱源中的一個決定因素，同樣它們間的夾角也是重要因素，也就是說速度場、熱流場、夾角場的絕對值在起決定的同時，相互配合的這3個標量值也起著同等決定作用。速度場與熱流場的配合在吐過對路換熱中能實現(xiàn)無因次流動當量熱源強度的提升，進而促進換熱的強化性能，此說明速度場與熱流場的較佳協(xié)同。速度場與溫度梯度場可借助下面三個層面獲取協(xié)同：

夾角余弦值在速度矢量與溫度梯度矢量兩者中達到最大限度，即兩矢量的夾角β達到最?。é拢?0°）或β達到最大（β＞90°）。

最大限度得讓流體速度剖面和溫度剖面達到均勻（流速最大化和溫差既定的狀態(tài)）。

最大限度讓3個標量場（速度絕對值、溫度梯度絕對值、夾角余弦值）中的大值與大值相匹配，即要讓3個標量場的大值在整個場上的某些域中最大限度呈現(xiàn)。

結(jié)合文中信息，場協(xié)同原理借助傳熱強化闡述為：速度和物性于流體中的表現(xiàn)及閉面與流體間的溫差在關(guān)乎著對流換熱的性能同時，協(xié)同程度在流體速度場與流體熱流場兩者間也不容忽視。速度和溫度邊界處于等同的狀態(tài)中，其換熱強度于協(xié)同程度兩者成正比。

1.3場協(xié)同原理具體應用的表現(xiàn)

基于對流換熱中流場與溫度場（熱流場）的耦合狀況，故通過改善場的協(xié)同來獲取傳熱性能強化的確艱難異常，若從以下幾個層面來嘗試，也有達到目的的可能。（1）熱邊界條件產(chǎn)生變動。 原來的流場不會因熱邊界條件變動而發(fā)生改變，特別是在溫度變化對流體的物性影響較小之際。管理Nu的存在差別的原因即等壁溫與等熱流的充分發(fā)展，根由存在于他們的熱邊界條件相異。若達到一定邊界熱流，沿流向增加的分布邊其換熱得以強化；若達到一定溫度邊界條件，沿流向壁溫升高，其傳熱得以強化。（2）速度分布發(fā)生改變 。速度發(fā)生的改變勢必會帶來溫度場（熱流場）的變動，速度熱流矢量的夾角的縮減可借助速度邊界條件產(chǎn)生變動來完成，抑或是通過更好配合的3個標量場，以期來實現(xiàn)強化換熱?；诠軆?nèi)流動的常規(guī)換熱，孟繼安［8］等借助橢圓界面的放置發(fā)生周期性變動，來完成管內(nèi)流場的改變。（3）具備特殊屬性的肋或插入物［9］。與常規(guī)情況相異的肋和插入物是參照按照場協(xié)同原理而設(shè)計而得，它不是為了湍流度和傳熱面積的增加均不是它的目的。高導熱材料構(gòu)成了纖毛狀插入物，正因金屬絲相比于管徑更細，故有得纖毛狀之稱。纖毛肋因金屬絲與管壁的良好接觸而得名，不完全接觸即構(gòu)成纖毛狀插入物。管內(nèi)纖毛絲呈稀松狀分布，填充率也只有0.5%～1.0%［8］。

2　傳熱系數(shù)在強化翅片管式換熱器上的體現(xiàn)

2.1換熱器中所體現(xiàn)的場協(xié)同原理

場協(xié)同原理在強化的換熱器中可理解為：冷熱流體溫度場間的協(xié)同在換熱器中與換熱性成正比關(guān)系［7］。借助兩種方式可使得換熱器在性能上獲得的提升：其一為對流換熱系數(shù)在流體與壁面間的提升，其中涵蓋各種肋片、紊流發(fā)生器、插入物等；其二為處于同等的對流換熱系數(shù)條件，換熱器性能的提高借助別的方式，譬如熱邊界條件的改變等。

此文中闡述的借助場協(xié)同原理來實現(xiàn)換熱性能的提高即是遵循第二方式，管截面形狀產(chǎn)生改變，即翅片管式換熱器管截面形狀以橢圓形來代替圓形。對于叉流換熱器換熱性能的提高可借助換熱面積的重新布局，來實現(xiàn)溫差場均勻性的增高，進而實現(xiàn)冷熱流體溫度的協(xié)同的改善。叉流換熱器的效能在換熱面積處于最優(yōu)分布時可獲取與同等的逆流換熱器的效能，因其本身逆流換熱器的換熱性較順流式和叉流式而言更優(yōu)。

2.2傳熱系數(shù)在矩形翅片橢圓管束換熱器中的運算

經(jīng)實驗所得經(jīng)驗公式相對于換熱系數(shù)而言可表述為

對流動阻力，其準則關(guān)系式為

式（1）、（2）中，Nu和Re中的特征尺寸De按下式計算：

來流的平均溫度可作為定性溫度，它的應用范疇為：

公式里：Ar表示每米管長光管的面積（m2/m）；Af表示每米管長總翅片面積（m2/m）；nf每米管上的翅片數(shù)用nf；橢圓管的當量直徑（m）用D表示，由下面公式計算其值：

值得表述說明的是：按式（1）計算的管束換熱系數(shù)可根據(jù)翅片管的特征尺寸De計算而得。故需得到整個管束的換熱量Q數(shù)值時，計算公式（4）應被遵循，即

上述公式中：h表示遵循式（1）算的換熱系數(shù)（W/m2·℃）；管長（m）用l所示；管子數(shù)目用n所示。

表1詳細列出了帶外翅叉排中橢圓管管束及圓管管束的各項幾何參數(shù)。從表2可見，換熱量比值中可見橢圓管管束較圓管管束而言有了15%的提升，且阻力發(fā)生了18%的降低。故處于場協(xié)同原理滿足的狀況中，在基管的選用中以橢圓管束代替圓管管束可達到換熱器的傳熱性能更佳，同時實現(xiàn)其阻力系數(shù)的降低。不過問題也隨之而生，承壓能力小是橢圓管的弊端且制造工藝繁雜，故為防止橢圓形變，管子內(nèi)外的壓力差在橢圓管應用中不宜過高，實際應用中此處應當引起重視。

［1］BERGLES A E. Application of heat transfer augmentation ［M］. New York： Hemisphere Pub， Co. ，1981.

表1　試驗管束的幾何參數(shù)

［2］BERGLES A E. Heat transfer enhancement-Encouragement and accommodation of high heat fluxes ［J］. Journals of heat transfer， 1995， 119：8-19.

［3］WEBB R L. Principle of enhanced heat transfer ［M］. New York：Wiley USA，1994.

［4］史美中，王中錚.熱交換器原理與設(shè)計［M］.南京：東南大學出版社，2003.

［5］BERGLES A E. Heat transfer Enhancement of heat transfer， a keynote lecture at 6thInt［C］. tronto： Heat Transfer Conf， 1978.

［6］ZUKAUSKAS A. Heat transfer augmentation in single-phase Proc. of 8thInt［C］. San Francisco： Heat Transfer Conf， 1986.

［7］過增元，黃素逸.場協(xié)同原理與強化換熱新技術(shù)［M］. 北京：中國電力出版社，2004.

［8］孟繼安，陳澤敏，李志信，過增元.管內(nèi)對流換熱的場協(xié)同分析及換熱優(yōu)化［J］.工程熱物理學報，2003，24（04）：652-654.

［9］WANG S，GUO Z Y. Heat transfer enhancement by using metallic filament insert in channel flow ［J］.International Journal of Heat Mass Transfer，2001（44）：1373-1378.

表2　叉排橢圓管管束和叉排圓管管束的傳熱性能及阻力系數(shù)的比較

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.054