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1、冷水表面式冷却器的熵增分析与换热器强化传热评价准则研究摘要： 提出并采用了换热器强化传热性能评价准则，即强化换热器单位换热量的熵增应小于原来换热器单位换热量的熵增。这一准则，试图从热力学第一定律与第二定律结合的角度，对强化传热效果进行质和量两方面的综合评价。基于该评判准则，选用了一种冷水表面式冷却器，对于不同翅片结构的两种换热器方案进行了流动、传热及热力学特性的计算；通过对计算结果的比较分析，确定了一种较优的冷却器翅片结构，并认为所采用的换热器强化传热评价准则是合理可行的，可以在换热器的优化设计中应用。 关键词： 熵增 强化传热 冷水表面式冷却器1 引言强化传热是传热学研究的重要方向，被称为第
2、二代传热技术。换热器强化传热性能的方法较多，见于报道的已有几十种。对单相对流换热、沸腾换热和凝结换热，许多强化措施在传热增强的同时也引起了流动阻力增加，从而导致换热器强化传热综合效果可能降低。因此，对换热器强化传热性能评价准则的研究是十分重要且必要的。传热增强与阻力增加是一对较难完全解决的矛盾，一个好的换热器设计、优化工作往往是在双方之间取得了较好的折衷。以往的换热器强化性能评价准则大多是从能量数量角度衡量，如Nu/Nu0、(Nu/Nu0)/(/0)、（Nu/Nu0）/(/0)1/3、Kay-London的j（传热因子）-f（摩擦因子）因子分析法，R.L.Webb的纵向比较法等1，这些评价准则
3、虽然反映了换热器一些重要的流动与传热特性；但随着强化传热与节能研究的深入，也需要从热力学第二定律的角度对能量质量进行衡量。在用热力学第二定律评价换热器强化性能方面，已经开展了一些初期工作，如A.Bejan的熵产单元数法、火用分析法等，但对换热器的换热量却没有考虑。本文试图从传热过程中能量的数量、质量两方面来对换热器的强化传热进行评价，提出并采用的评价准则为；强化后换热器单位换热量引起的熵增值应该是减小的，减小的程度即表明了性能提高的程度。计算时，将综合采用热力学、传热学和液体力学的研究结果。 2 评价准则换热器强化前后的模型见图1、2。图1 原来换热器图 图2 强化换热器 对换热器强化的假设：
4、 (1) 冷热流体的质量流量（1、2）分别不变； (2) 冷热流体进入换热器的状态参数分别不变； (3) 换热器体积不变； (4)环境温度为T0。 按热力学第一定律进行能量平衡分析： （1） 1(h1-h1)= =2(h2-h2) （2） 按热力学第二定律进行熵增分析： 原来换热器的有效能损失n1 n1=1(ex1-ex1e)+2(ex2-ex2e) =1(h1-h1e)-T0(s1-s1e)+2(h2-h2e)-T0(s2-s2e)(3) 这里，h,s,ex分别代表比焓、比熵、比火用。将式（1）代入式（3） n1=1(s1e-s1)+2(s2e-s2)T0 (4) 强化换热器的有效能损失n2
5、 n2=1(ex1-ex1)+2(ex2-ex2) =1(h1-h1)-T0(s1-s1)+2(h2-h2)-T0(s2-s2) (5) 将式（2）代入式（5），得到： n2=1(s1-s1)+2(s2-s2)T0 （6） 本文制订评价准则的根据是：换热器强化传热后，强化换热器单位传热量的有效能损失应该小于原来换热器单位传热量的有效能损失，即： （7） 将（4）、（6）两式代入（7），得到： （8） 式（8）即为本文采用的换热器强化传热性能评价准则，其左右两边的相差程度，也就表明了换热器性能改善程度。上式说明在传热量保持不变时，强化传热应向换热器熵增量减小的方向进行。在传热过程中，由于存在传热
6、温差、流动摩擦等不可逆过程，因而整个换热器的熵是增大的。强化传热措施的采用，应该在换热量不变时，使整个换热器的熵增程度降低；愈是有效的强化措施，换热器的熵增降低程度也应愈大。在利用评价准则式（8）时，可以采用以下两种方式。 (1) 图表法 在换热器优化实验过程中，对于强化换热器与原来换热器，先从测量得到冷热流体的进出口温度、压力与流量等参数，再查关于焓、熵等参数的热力性质图表，来判断式（8）是否成立。现在常用工质的热力性质图表已相当齐全，故这种方法简单易行，宜于工程使用。 (2) 计算法 在换热器的计算机模拟过程中，若以式（8）评价准则作为目标函数，通过对换热器有关敏感参数调节比较，即可完成该
7、换热器的优化计算。本文采用FORTRAN 77语言，针对冷水表面式冷却器，进行了两种方案的比较计算。 3 冷水表面式冷却器计算选用某种常见的冷水表面式冷却器结构，对空气侧采用平直翅片与百叶窗式翅片的不同情况，进行关于评价准则的分析计算。表冷器主要结构特点如下2。 翅片： 片厚f=0.3mm 片高hf=7 片距sf=2.5mm 管：外径d0=16mm 内径di=12mm 表面根数：24 排数： 4 散热面积： 57.6m2 迎风面积： 0.97m2 空气侧热阻一般为气-液换热器的控制热阻。百叶窗式翅片因可以不断地切断空气层流边界层的连续生成，增强空气流动的紊流度，而比平直翅片具有明显的传热强化作
8、用。本文采用了文献3推荐的一种百叶窗翅片结构，利用换热器强化传热评价准则式（8），完成了两种方案的比较计算。 湿空气入口参数 干球温度td1=35 相对湿度1=60% 湿球温度tw1=28.2 迎面风速v=2.5m/s 冷冻水入口参数 进水温度tj=7.2 水流速度w=1.0m/s (1)干、湿工况判断 若表冷器表面温度低于空气的露点温度，则为湿冷工况，否则为干冷工况。露点温度对应的饱和水蒸汽分压力即为空气的分压力，即pv=ps(Td)。 （9） 其中，C(n)(n=0,6)为常数。 (2) 管内侧流动、传热计算 光管传热采用Dittus-Boelter公式： （10） 流动阻力为沿程阻力损失
9、与局部阻力损失之和。 （11） 1-沿程阻力系数 （12） 2-局部阻力系数 (3) 空气侧流动、传热计算 a. 平直翅片 紧凑式换热器表面基本数据往往用j-Re和f-Re来表示。 传热因子 (13) 摩擦因子 (14) 其中：L-换热器流动长度； B-翅片间距。 b.百叶窗式翅片 传热因子 (15) 摩擦因子 (16) 其中：h-翅片高度； Dh-当量直径。 (4) 传热系数计算（基于翅表面） （17） 其中：-肋化系数； t-管壁厚度； -管壁导热系数； 0-肋表面全效率，与干湿工况有关； aw-空气侧换热系数； an-管内侧换热系数。 (5) 传质系数计算 为从含湿量来定义的传质系数。在
10、空气-水系统的热质交换过程中，空气侧换热系数与传质系数之间满足刘易斯关系式： (6) 管束传热特性 在气流横掠管束换热中，由于前排对后排的扰动，以及最后一排无来自管后气流的压缩，使第一排与最后一排的换热系数较稳定值偏低。这里，取第一排换热系数修正值为0.8，最后一排换热系数修正值为0.95。 (7) 冷冻水、湿空气状态参数计算 管内的过冷水与湿空气中的水蒸气的热力状态参数计算采用1967年国际公式化委员会（IFC）推荐的公式，包括比体积、比焓、比熵及蒸汽压；按要求采用双精度。笔者就湿空气编写了干球温度、温球温度、露点温度、相对湿度、含湿量、比体积、比焓、比熵等参数的计算程序。 (8) 冷冻水、
11、湿空气物性计算 对水、湿空气的平衡物性与迁移物性，如比热容、导热系数及粘度等，笔者分别编写了子程序以便调用。 在以上工作基础上，即可应用换热器强化性能评价准则来进行方案的比较分析。 4 换热器方案方案1 空气与水逆向交叉流动，水流分流数为24，采用平直翅片。 方案2 结构与方案1类似，但空气侧采用百叶窗式翅片。 5 分析与结果 笔者编写了冷水表面式冷却器的模拟计算程序，并对结果进行了分析。 图3表明了两方案中冷冻水、湿空气温度随管排的变化情况。表1为两方案的焓熵变化计算结果；对于传热强化的方案2，则给出各管排焓熵变化的具体情况。 表1 两方案及方案2各管排焓熵变化 两方案与方案2的各排 冷冻水
12、焓增/kW 湿空气焓减/kW 冷冻水熵增/W/k 湿空气熵减/W/k净熵增/W/k 单位焓变化的熵增/10-3K-1 方案1 方案2 第1排 第2排 第3排 第4排 155.31 172.59 95.84 40.67 23.12 12.96 157.25 170.91 94.89 40.30 22.89 12.84 540.16 599.83 329.13 142.61 81.89 46.20 508.92 568.47 311.19 134.97 78.02 44.30 31.24 31.36 17.94 7.64 3.87 1.900.1999 0.1826 0.1882 0.1888 0
13、.1683 0.1469图3 方案1、2温度分布 可以得知：采用百叶窗翅片时，温度分布、焓差及所采用的评价准则等参数均有明显改善。百叶窗具有扰动气流的作用，使边界层的发展只能是生成一破坏这一过程的单调重复，而难以连续发展变厚，从而强化了空气侧传热。 6 结论6.1 采用强化换热器单位换热量的熵增应小于原来换热器单位换热量的熵增作为换热器性能评价准则是合理可行的，这一准则不仅适用于单相换热，也适用于相变换热。 6.2 采用这一评价准则可以对不同的换热器方案进行优化设计，确定出各方案中的较优者。这在实际工程设计中具有很大的应用价值。几种BCHP技术及其能源利用效率的简要分析摘要： BCHP是能量梯
14、级综合利用的技术，对于解决我国面临的环境、能源问题有重要作用。本文对BCHP与传统空调用能方式的优缺点进行了分析，讨论了现有技术条件下几种BCHP技术的性能和特点，对基于微型燃气轮机和燃气内燃机的BCHP技术进行了分析，结果表明，在目前的技术水平下，当”以热定电”时，燃气内燃机方案较微燃机方案的一次能耗要低。 关键词： BCHP 微型燃气轮机 燃气内燃机 以热定电1 引言能源、环境问题是中国实现可持续发展战略所面临的重大挑战之一，应对这一挑战，需要各行各业密切协作，在各自的领域里作出巨大努力，空调制冷业也不能例外。事实上近年来空调制冷业的发展，正在造成我国乃至全球能源、环境危机：空调用电不仅已
15、成为城市能源消费最多的领域之一，还在夏季造成电网尖峰负荷，致使电力供应出现紧张局势；而空调在全球的使用也直接、间接地造成诸如大气臭氧层破坏，温室气体排放，城市热岛1等环境问题。因此，解决能源、环境问题，空调制冷行业有着不可推卸的责任，理应有所作为和贡献。提高设备性能虽然是解决问题的一个重要方面，但在空调使用飞速增长的中国，仅仅这样还远不够，必须从提高整个能源系统效率的角度出发，研究提高空调系统用能的高效化、清洁化，有效降低空调制冷能耗，减少环境污染，这是一个不可忽视的领域1,2，而BCHP作为一种能量梯级综合利用的技术，可以在这方面发挥重要作用1,2,3，本文就几种BCHP技术的能效作一初步分
16、析。2 BCHP的概念及其优越性BCHP即楼宇冷热电联产，是Building Cooling, Heating and Power的缩写，其原理是：燃料（油、气等）先经热功或电化学过程转换为电力供建筑物使用，燃料发电后的余热则用于建筑物供热、空调等，如图1所示。而在传统的以电力为能源的空调系统中，高品质的能源在中国目前最主要的部份是煤首先以较低的效率被转换为“清洁的”二次能源电力，经输配电设施到建筑物，再经制冷制热设备转换为低品位的空调冷热源通常是冷水或热水，在此过程中能量不仅在质上贬值了高品位的能量被转换成了低品位的空调冷热水，且数量上也“减少了”：大部份排热因远离用户而作为废热与NOx、S
17、O2、粉尘等污染物一起被排入大气，造成环境污染，如图2所示。比较上面两种空调用能模式可见，BCHP的用能方式具有诸多优点：用能合理，实现了能量的梯级利用，减少了能量转化和利用过程中的不可逆损失；高效，燃料作功后的余热也得到充份利用；清洁，可使用天然气等清洁燃料；环保，燃气内燃机、燃气轮机、燃料电池均有低排放特点；分布式现场发电，提高供电可靠性。在当今中国，空调用电持续增加，而污染严重的矿物燃料煤又占能源消耗绝对多数比例，为缓解环境、能源问题，国家已启动了一系列天然气工程，预计未来天然气在能源消费中所占比例将有较大幅度提高。但我国是一个人均能源、资源稀少的国家，已探明天然气储量并不能满足国内能源
18、需求，因此，应当尽可能高效、经济地使用，如BCHP，CCHP，DHC等等，使之在解决人口密集的城市的能源、环境问题方面有效发挥作用。3 几种BCHP技术3.1 BCHP的系统构成根据其功能，BCHP系统可分为三个子系统：燃料电力转换及接入设备、空调冷热源热备、包括空气处理末端的空调系统。各子系统均有多种技术方案，各有特点。3.2 几种 BCHP技术方案的性能特点3.2.1 微型燃气轮机余热溴化锂机组方案此方案中，微型燃气轮机（出力300kW以下）发电后的余热被直接用以驱动吸收式制冷机，制冷量不足时可补燃以增加冷机出力。目前小型燃机发电效率在30以下，国外有数家公司有商品化机组，国内也已开始投入
19、力量进行研发。吸收式机组国内外均有生产厂家。此方案系统较简单，且不用氟利昂制冷剂，与建筑用能匹配也较容易。3.2.2 燃气内燃机余热投入型溴化锂机组方案在此方案中内燃机发电后的余热先进行回收，然后被导入直燃机用以预热溶液，减少燃料消耗量。燃气内燃机特别是带增压中冷的机组发电效率较高，目前在30-42间，依机组容量而异。冷（热）负荷较低时，也可仅以排热驱动制冷机。3.2.3 高温燃料电池余热溴化锂机组方案燃料电池是将燃料化学能直接转化为电能的装置，不受卡诺定律的限制，有很高的发电效率（50-79）。SOFC（固体氧化物燃料电池）和MCFC（熔融碳酸盐燃料电池）可直接以天然气作燃料发电4，不仅发电
20、效率高，且排热温度高，可达750，用以驱动吸收式制冷机，可获得较高的能效比。此方案因发电效率高，排热相应较少，也需要补燃才可提供足够冷量。3.2.4 燃气内燃发电机压缩式制冷这是一个无吸收式制冷技术的方案。燃气机除用以发电外，还可用以直接驱动蒸汽压缩式制冷机或热泵，也可以发电后驱动电动制冷机组，依建筑物需要而定。燃气机的余热可作各种用途，包括用于除湿干燥，这可以提高制冷机出水温度，使制冷机组能效比大幅提高；在热泵应用中则可以提高制热量，使之在外界环境温度下降时仍能维持一定的制热量。因燃气机热效率较高，这个方案的一次能利用效率也是较高的。除以上方案外，还可能有其它方案的组合，而其它技术如PAFC
21、（磷酸型燃料电池）、PEMFC（质子交换膜燃料电池）也是合适的BCHP动力设备，在此不一一述及。下表列出了国内外知名厂家如康明斯，卡特彼勒，宝曼等的发电机组所能达到的性能。由表可见，不同产品发电效率、余热品位（温度）相差较大，要分析与其相应的BCHP的能效，只有火用效率才是合理的指标1，但这在计算上有些不便，为使分析可行，本文将在一定的热（冷）、电负荷下进行不同方案的一次能消耗的分析比较。表1.几种动力转换设备的性能参数 项目参数内燃机外燃机微燃机*SOFC发电效率32-383015202550-60高温余热温度（）520/550/700制冷系数*1.0/1.0/1.25低温余热温度（）905
22、0/9595/制冷系数*0.75/0.80.8/*理论估计值，根据直燃机高发温度160度、COP较高值为1.35推算得到。*某公司热水型溴冷机数据。*见Bowman 公司产品介绍。4 两种BCHP技术的能效分析鉴于微型燃气轮机和燃气内燃机在目前是较成熟的技术，因此本文着重讨论基于这两种技术的BCHP技术：方案1 和方案4。设有一建筑物，其冷负荷为Qc，自发电负荷为W。则依方案1的能量转换方式可得：上式中，吸收式制冷机的性能系数；t燃气轮机发电效率；吸收式制冷机补燃功率。设补燃功率制冷量为总冷负荷的x倍，即，则设燃气内燃机发电效率为e，压缩式制冷机性能系数为，不考虑内燃机余热回收，则方案1的一次
23、能消耗量及方案4的一次能消耗量分别为由于关于补燃的溴冷机的性能参数比较少，为便于讨论，现假设x=0，即不考虑补燃，建筑物冷负荷全部由燃气轮机余热满足，这实际上是”以热定电”。以目前蒸汽压缩冷水机组的技术水平，高水平的螺杆机COPc可达5.2，离心机则可达7.0，这里取5.2。燃气内燃发电机效率取35%，代入表1的其它相关参数可得各方案的PE值，如表2所示，这里还未计入内燃机的可利用排热。由表2可见，在不补燃、不计入内燃机可利用排热的条件下，仅当微燃机效率大于25时，方案2.2.4的一次能耗才较方案2.2.1 为低，但由于此时余热温度较低，制冷性能系数低，为满足冷负荷要求，发电功率就将超出建筑自
24、身负荷，需要向电网售电，而这将遇到很大阻力；此外若将内燃机的排热用于空调制冷，如干燥除湿等，则方案2.2.4的一次能耗仍将低于方案2.2.1，将另文进行分析讨论。表2. 两种方案的一次能耗比较 方案PE值方案2.2.16.67W5W4W方案2.2.45.97W4.6W4.18W5 结束语BCHP是能量梯级利用的新型能源、环境技术，其技术仍在不断发展，在目前及可预见的将来，有多种技术方案可供选择，其中基于内燃机的BCHP技术在某些情况下具有较高的一次能效率，且目前内燃机远较微燃机廉价，未来内燃机效率更将高达50（见美国能源部网站），因此可以预计将有更好的技术经济性能。看来，只有在准确地预计建筑物电、热负荷的基础上，在可行的技术条件下结合能源价格和政策进行综合优化才能得到技术、经济均为最佳的BCHP技术方案。参考文献
