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    扭帶結(jié)構(gòu)影響管內(nèi)傳熱與熵產(chǎn)的研究進(jìn)展

    2022-12-15 08:29:04林清宇王祝馮振飛凌彪陳鎮(zhèn)
    化工進(jìn)展 2022年11期
    關(guān)鍵詞:雷諾數(shù)管內(nèi)結(jié)果表明

    林清宇,王祝,馮振飛,凌彪,陳鎮(zhèn)

    (1 廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,廣西 南寧 530004;2 廣西大學(xué)廣西石化資源加工及過程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西南寧 530004)

    換熱系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于化工、制冷、電力、核工業(yè)等領(lǐng)域中。這些工業(yè)應(yīng)用中的換熱通常采用流體來(lái)進(jìn)行熱量的交換,因此大部分換熱系統(tǒng)為間接式換熱[1]。換熱管作為換熱系統(tǒng)基礎(chǔ)元件之一,其換熱性能直接決定整個(gè)系統(tǒng)的效率。近年來(lái),隨著工業(yè)不斷發(fā)展,傳統(tǒng)換熱管已不能滿足高熱流器件的換熱要求,最終造成熱損失增大和傳熱效率大幅度降低。因此,提高換熱管性能迫在眉睫,這也促使學(xué)者們探索不同的方法來(lái)提高換熱管的換熱能力。

    插入扭帶作為一種常見的被動(dòng)強(qiáng)化傳熱方法,具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易安裝等優(yōu)點(diǎn)[2],通常被研究人員作為解決換熱管強(qiáng)化傳熱的方法。與光滑管道相比,流動(dòng)工質(zhì)流過扭帶時(shí),可以在主流方向產(chǎn)生旋渦流。這種旋渦流迫使管道中心和近壁區(qū)域的流體進(jìn)行置換,增大冷熱流體混合程度,并在強(qiáng)化傳熱的同時(shí)最大化降低溫度梯度和熱損失。為了進(jìn)一步強(qiáng)化管內(nèi)傳熱性能,部分研究人員選擇將納米流體作為流動(dòng)工質(zhì),并結(jié)合不同配置的插入扭帶來(lái)提高換熱管的傳熱性能。近年來(lái),研究人員探究了扭帶幾何結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)、流動(dòng)工質(zhì)等對(duì)換熱管內(nèi)對(duì)流傳熱的影響,并從摩擦阻力系數(shù)(f)、努塞爾數(shù)(Nu)、熵產(chǎn)(Sgen)、?損失(Xd)、綜合性能等方面對(duì)其換熱能力進(jìn)行評(píng)估,為扭帶的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一定參考。

    改變扭帶結(jié)構(gòu)及流動(dòng)工質(zhì)最終都是為了提高換熱管的換熱能力,并且盡量減少流動(dòng)阻力。雖然目前關(guān)于內(nèi)插扭帶管流動(dòng)與傳熱特性的綜述性文章[3-6]已公開發(fā)表,但是基于綜合熵產(chǎn)最小化原則進(jìn)行分析的綜述性文章鮮有報(bào)道。因此,本文從傳熱性能最大化和熵產(chǎn)最小化兩個(gè)方面出發(fā),對(duì)最新扭帶的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究進(jìn)行綜述,特別是綜述扭帶結(jié)構(gòu)和納米流體復(fù)合強(qiáng)化傳熱研究工作,希望對(duì)今后的研究有幫助。

    1 扭帶結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱的影響

    在扭帶強(qiáng)化傳熱研究中發(fā)現(xiàn),扭帶不僅強(qiáng)化傳熱,而且增大壓降。因此,為了更好地比較扭帶插入管的綜合傳熱性能,引入綜合性能評(píng)定因子(PEC),具體表達(dá)式如式(1)[3]。

    式中,Nu0和f0分別為光滑通道的努塞爾數(shù)和摩擦阻力系數(shù);Nu/Nu0和f/f0分別為插入扭帶管的傳熱增強(qiáng)比率和流阻增加比率。PEC>1表示在相同泵功下?lián)Q熱管內(nèi)傳熱增量大于流阻增量,綜合性能較參考通道的好;反之則表示流阻增量大于傳熱增量,綜合性能較參考通道較差。

    1.1 普通扭帶對(duì)傳熱的影響

    扭帶作為插入物與管道之間的配合通常會(huì)存在一定的間隙,如圖1所示。Eiamsa-ard等[7]和Chang等[8]研究了間隙比對(duì)傳熱性能的影響。Eiamsa-ard等[7]選擇在恒壁溫條件下進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)扭帶與圓管間沒有間隙(緊配合)時(shí),傳熱性能最高。Chang 等[8]則選擇在非均勻熱流下進(jìn)行研究,結(jié)果表明,間隙的減少會(huì)使得摩擦系數(shù)和傳熱性能大大增加,但隨著雷諾數(shù)的增加這種影響會(huì)減弱。另一方面,間隙的存在會(huì)降低綜合性能,當(dāng)間隙比增加到0.1以上時(shí),PEC會(huì)急劇下降[3]。但是在工程應(yīng)用中為了便于清潔,通常會(huì)在扭帶與管道間留有一定的空隙。此外,大多數(shù)學(xué)者在進(jìn)行研究時(shí)也會(huì)在扭帶和管道之間留有一定的間隙,這主要是為了減少部分扭帶產(chǎn)生的摩擦損失,同時(shí)也為扭帶結(jié)構(gòu)進(jìn)一步研究做準(zhǔn)備。Guo 等[9]研究了中心間隙比c/D(c表示中心間隙大小,D表示管道內(nèi)徑)在均勻熱流下對(duì)傳熱性能的影響。研究結(jié)果表明,傳熱性能在c/D=0.3 時(shí)最高,同時(shí)其PEC 值為c=0 時(shí)的1.07~1.2倍。而當(dāng)中心間隙繼續(xù)增大時(shí),高速流體完全聚集在中心區(qū)域,近壁旋渦大大削弱,最終導(dǎo)致綜合性能下降。綜上所述,切除扭帶的外緣部分會(huì)惡化管內(nèi)傳熱性能,但切除扭帶中心部分并不意味著傳熱的減弱。

    圖1 普通扭帶幾何模型[7]

    節(jié)距表示扭帶每旋轉(zhuǎn)180°的長(zhǎng)度,其與扭帶寬度的比值稱為扭率,是扭帶重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。因此,Naveenkumar 等[10]討論了層流和湍流狀態(tài)下,節(jié)距變化對(duì)管內(nèi)傳熱性能的影響。研究結(jié)果表明,管內(nèi)節(jié)距小的扭帶傳熱性能普遍高于管內(nèi)節(jié)距大的扭帶。但也有一些學(xué)者發(fā)現(xiàn),扭帶節(jié)距的變化并沒有改變管內(nèi)傳熱性能。對(duì)于普通扭帶來(lái)說,整個(gè)扭帶的扭率一般是恒定的,但扭帶也可以沿著流動(dòng)方向有不同的扭率。Jafar等[11]通過實(shí)驗(yàn)分析了不同扭率扭帶對(duì)系統(tǒng)傳熱性能的影響,結(jié)果表明,在高雷諾數(shù)情況下,努塞爾數(shù)和摩擦系數(shù)會(huì)隨扭率的減小而增加。因此,扭率被認(rèn)為是影響傳熱性能的主要參數(shù)。

    1.2 帶孔、切口扭帶對(duì)傳熱的影響

    普通扭帶具有平坦的表面,研究人員為強(qiáng)化傳熱將“切割”、“切斷”或“穿孔”應(yīng)用于扭帶。Singh 等[12]研究了V 形切割扭帶的傳熱性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,最大深度比和寬度比的V形切割產(chǎn)生了最高的傳熱性能。同時(shí)V形切割扭帶的流阻增加比值范圍為1.95~4.86,傳熱增強(qiáng)比值為1.40~2.18,而PEC 隨著雷諾數(shù)的增加呈現(xiàn)先減小后增加最后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。為了進(jìn)一步強(qiáng)化管內(nèi)傳熱,Kumar 等[13]在此基礎(chǔ)上對(duì)扭帶進(jìn)行穿孔研究,得到的扭帶結(jié)構(gòu)如圖2所示。研究結(jié)果表明,具有穿孔的V形切割扭帶可以產(chǎn)生更好的旋渦流,有助于核心區(qū)域與管壁附近流體更好地相互混合,Kola等[14]研究了不同截面切割扭帶的傳熱性能,研究結(jié)果表明,流體通過切割段會(huì)經(jīng)歷再循環(huán)并發(fā)生逆向流動(dòng),從而提高壁面區(qū)域的傳熱。因此切割角度和切割直徑較質(zhì)量流量對(duì)傳熱系數(shù)的增強(qiáng)更加明顯。

    圖2 具有穿孔的V形切割扭帶幾何模型[13]

    Sheikholeslami等[15]對(duì)比研究了具有擋板的扭帶和具有穿孔擋板的扭帶對(duì)管內(nèi)傳熱性能的影響,所研究的扭帶結(jié)構(gòu)如圖3所示。研究結(jié)果表明,擋板的加入加劇了湍流,傳熱因此得到了增強(qiáng)。而擋板的加入也產(chǎn)生了更大的壓降損失,但具有擋板穿孔的扭帶壓降變化微小,這表明擋板產(chǎn)生的壓降損失可以通過在擋板上放置孔來(lái)補(bǔ)償。Fan 等[16]研究了扭帶穿孔率對(duì)傳熱性能的影響。研究結(jié)果表明,穿孔率較小時(shí),孔的存在會(huì)使流體形成旋轉(zhuǎn)流和二次流,這對(duì)熱交換有利。當(dāng)穿孔率較大時(shí),流體難以形成正常的旋轉(zhuǎn)流和二次流,不利于傳熱的進(jìn)行。與普通扭帶相比,帶有穿孔或切口的扭帶具有相對(duì)較低的壓降損失,這是因?yàn)槠涠嘧兊膸缀巫兓芍苯佑绊懢植炕旌?,這種影響可以帶來(lái)更高的綜合性能。

    圖3 具有穿孔擋板的扭帶幾何模型[15]

    1.3 自旋扭帶對(duì)傳熱的影響

    扭帶一般固定安裝在管道中,此類扭帶為固定式扭帶(靜止扭帶),還有一類扭帶是在固定式扭帶基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的,陶振宇等[17]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其特殊結(jié)構(gòu)能在管內(nèi)流體作用下產(chǎn)生自旋效果,因此這類扭帶稱為自旋扭帶。Dong等[18]在圓形管道中研究了一種自轉(zhuǎn)式扭帶對(duì)熱性能的影響。與固定式扭帶相比,自旋扭帶可以擁有一定的角速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在較低雷諾數(shù)下自旋扭帶有效提高了傳熱率,并且在壓降方面有更好的表現(xiàn)。而當(dāng)雷諾數(shù)大于57967 時(shí),PEC 下降至1 以下,這一現(xiàn)象意味著高雷諾數(shù)下自旋扭帶不能成為提高綜合性能的強(qiáng)化手段,即不能有效地節(jié)約能源。Bahiraei 等[19]研究了自轉(zhuǎn)式扭帶對(duì)傳熱性能的影響,研究結(jié)果表明,在較高轉(zhuǎn)速下,交叉流更加強(qiáng)烈,流體沖擊壁面更強(qiáng)烈,大大降低了壁面溫度。而在較低的轉(zhuǎn)速下,交叉流只在扭帶轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生,這也是高轉(zhuǎn)速下傳熱性能更高的原因。Arasteh等[20]研究了扭帶旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下節(jié)距對(duì)管內(nèi)傳熱性能的影響。研究結(jié)果表明,扭帶旋轉(zhuǎn)時(shí),節(jié)距的變化對(duì)傳熱性能沒有太大影響。他們認(rèn)為這是由于扭帶旋轉(zhuǎn)干擾了速度邊界層的生成,這種現(xiàn)象削弱了節(jié)距變化的影響,說明不同工況下扭帶節(jié)距對(duì)內(nèi)插扭帶管傳熱性能影響不同。另外,較低雷諾數(shù)下旋轉(zhuǎn)扭帶增加了PEC,而在較高雷諾數(shù)下,隨著扭帶的旋轉(zhuǎn),PEC 也隨之減少并且小于1。因此,只有在雷諾數(shù)較低的情況下,旋轉(zhuǎn)扭帶代替靜態(tài)條件才是實(shí)用和有益的。Bahiraei 等[21]進(jìn)一步研究了同軸交叉扭帶旋轉(zhuǎn)情況下的傳熱性能。研究結(jié)果表明,傳熱性能改善的主要原因之一是速度梯度的增加和更多湍流區(qū)域的產(chǎn)生。昝永超[22]則是研究了不同螺距的自旋扭帶對(duì)管內(nèi)傳熱和流動(dòng)的影響。研究結(jié)果表明,自轉(zhuǎn)式扭帶管的努塞爾數(shù)Nu明顯高于光滑管道,但不同螺距自轉(zhuǎn)式扭帶管的Nu基本一致。他們認(rèn)為這是不同螺距扭帶在相同流速下轉(zhuǎn)速雖然不同,但不能形成旋渦流,流線幾乎保持直線所導(dǎo)致的。這說明自旋扭帶對(duì)傳熱的影響程度受到實(shí)驗(yàn)工況的限制,此外扭帶旋轉(zhuǎn)會(huì)削弱節(jié)距對(duì)傳熱性能的影響。

    1.4 不同軸的扭帶對(duì)傳熱的影響

    相較于普通扭帶的連續(xù)不間斷,交替軸則有一定角度的軸線移動(dòng),突然或周期性分離并引導(dǎo)流入的流體。Wongcharee等[23]通過實(shí)驗(yàn)研究了交替軸對(duì)系統(tǒng)傳熱性能的影響,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。研究結(jié)果表明,交替軸提供的傳熱性能比普通扭帶高89%左右。這說明交替軸對(duì)系統(tǒng)的傳熱性能有一定的影響,因此交替軸對(duì)提高性能有一定的研究?jī)r(jià)值。Nakhchi 等[24]研究了交替軸橫切扭帶的傳熱性能。研究結(jié)果表明,流體擾動(dòng)隨著切割比的增大而減小。在靠近管壁的區(qū)域,交替軸產(chǎn)生的高軸向速度促進(jìn)了中心流體向近壁區(qū)域轉(zhuǎn)移,從而導(dǎo)致傳熱性能提升25.84%~46.04%。Eiamsa-ard 等[25]在交替軸的基礎(chǔ)上,研究了扭帶旋轉(zhuǎn)方向順逆交替對(duì)管內(nèi)傳熱特性的影響。研究結(jié)果表明,漩渦方向因新型扭帶的加入發(fā)生周期性變化,同時(shí)變化后重組的流體強(qiáng)烈沖擊壁面,導(dǎo)致了卓越的混沌混合和更好的傳熱。此外,胡斐等[26]設(shè)計(jì)了一種間歇半扭帶并將其應(yīng)用到煉油廠換熱器中。研究結(jié)果表明,間歇半扭帶換熱管的傳熱效率比連續(xù)扭帶換熱管最大提高了12%左右,并且隨著連桿長(zhǎng)度的增大,傳熱效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。此類研究為煉油廠換熱器強(qiáng)化傳熱研究提供了理論依據(jù)。

    圖4 普通扭帶與交替軸扭帶物理模型[23]

    鄭年本等[27]則研究了空心軸螺旋片的湍流傳熱過程,結(jié)構(gòu)如圖5所示。作為一種改進(jìn)的扭帶,相比扭帶形成兩股平行旋流,螺旋片形成的則是單股旋流,因此兩者的強(qiáng)化傳熱機(jī)理并不完全相同。研究結(jié)果表明,內(nèi)插螺旋片可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱,并且隨著中空比越大,內(nèi)插螺旋片管內(nèi)傳熱性能越強(qiáng)。他們認(rèn)為中空比大的螺旋片更靠近壁面,對(duì)壁面處的擾動(dòng)更強(qiáng),整個(gè)管內(nèi)流體混合更均勻,流體平均溫度更高。

    圖5 圓管內(nèi)插螺旋片幾何模型[27]

    1.5 多扭帶對(duì)傳熱的影響

    相較于單扭帶流動(dòng)變化的單一,幾何結(jié)構(gòu)變化對(duì)傳熱的影響可以隨著扭帶數(shù)量的增加而增加,因此多扭帶在引導(dǎo)和干擾流動(dòng)方面具有無(wú)限的可能性。Alnaqi 等[28]則研究了多扭帶旋轉(zhuǎn)方向?qū)鳠嵝阅艿挠绊?。研究表明在雷諾數(shù)大于30873時(shí),選擇異向流扭帶更有利于傳熱的進(jìn)行。Eiamsa-ard 等[29]則針對(duì)管內(nèi)多扭帶不同的排列組合方式進(jìn)行研究,旨在提高系統(tǒng)的傳熱性能。研究結(jié)果表明,反向排列的傳熱性能比同向排列更高。值得注意的是,反向交叉布置的管內(nèi)傳熱得到了極大增強(qiáng)的同時(shí),也獲得了相對(duì)較低的摩擦系數(shù),因此反向交叉布置的PEC 最高,可以達(dá)到1.45。在所有扭帶排列情況下,隨著雷諾數(shù)的下降,摩擦系數(shù)略有下降,而流阻增加比略有增加。此外,旋渦數(shù)的增加促進(jìn)了邊界層中的壓力和慣性力的相互作用,因此插入四條扭帶的管內(nèi)摩擦系數(shù)最高,當(dāng)扭帶在圓管內(nèi)為共旋排列時(shí),流阻增加比最大,最大值為11.85。研究發(fā)現(xiàn)PEC 隨著扭帶數(shù)量的增加而增加,帶有四條、三條和雙扭帶的管內(nèi)PEC 分別為1.13~1.45、1.06~1.27、0.95~1.18。Bahiraei 等[30]對(duì)比研究了內(nèi)插單扭帶和雙扭帶管內(nèi)傳熱性能,同時(shí)也考慮了雙扭帶中同向流和異向流的影響。研究結(jié)果表明,相同條件下雙扭帶的傳熱性能更好。他們認(rèn)為這是因?yàn)閱螚l扭帶的管中只有一個(gè)旋渦流,而裝有雙扭帶的管中至少產(chǎn)生兩個(gè)旋渦流。此外,同向流時(shí)中心區(qū)域的交叉流沒有特定方向,對(duì)中心區(qū)域的渦流強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。另一方面,異向流中心區(qū)域產(chǎn)生了匯聚的旋渦流,加強(qiáng)了流體對(duì)管壁的沖擊,因此強(qiáng)化了傳熱效果。Eiamsa-ard 等[31]主要從流場(chǎng)分布分析同向流和異向流扭帶對(duì)傳熱性能的影響,管內(nèi)流場(chǎng)分布如圖6所示。他們認(rèn)為同向流扭帶的再循環(huán)區(qū)出現(xiàn)在渦流核心的頂部和底部,中間只顯示出很小的接觸,所以同向流扭帶的流體混合主要靠相當(dāng)獨(dú)立的漩渦流加強(qiáng)。反觀異向流扭帶產(chǎn)生的漩渦在兩個(gè)扭帶之間匯聚,流體混合更加均勻,不會(huì)再產(chǎn)生再循環(huán)區(qū),導(dǎo)致流體溫度更加均勻。通過以上研究可以得知,反向布置的扭帶在實(shí)際使用中具有較好的綜合性能,特別是在低雷諾數(shù)下。而在多扭帶研究中,扭帶間狹窄的縫隙會(huì)降低努塞爾數(shù)并增加摩擦系數(shù),這說明扭帶的數(shù)量可能存在限制。

    圖6 內(nèi)插扭帶管流場(chǎng)分布[31]

    1.6 其余類型扭帶對(duì)傳熱的影響

    使用沖壓技術(shù)在扭帶表面產(chǎn)生凹陷或凸起的形狀,優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)須切割或去除任何材料。Zheng等[32]對(duì)扭帶表面凹陷與凸起部分對(duì)傳熱影響的研究表明,在壓降適度增加的情況下二者都實(shí)現(xiàn)了極大的傳熱增強(qiáng),而凹陷處更有利于傳熱性能的提高。他們分析認(rèn)為凹陷處的流體向上沖刷并與主流局部混合,導(dǎo)致低溫區(qū)域大都在凹陷后緣區(qū)域。此外,凹陷處的湍流強(qiáng)度也得到明顯提升,特別是在管壁和中心區(qū)域可能因此產(chǎn)生更強(qiáng)的二次流,從而再次強(qiáng)化傳熱。但由于扭帶厚度的限制以及沖壓需要在兩面形成對(duì)比,因此沖壓技術(shù)在通用性方面受到了限制。

    Eiamsa-ard 等[33]通過實(shí)驗(yàn)研究對(duì)比了具有直三角和斜三角翼片的扭帶對(duì)換熱管傳熱性能的影響。研究結(jié)果表明,具有斜三角翼片扭帶的換熱管傳熱性能更高。這可能是因?yàn)槿且聿糠之a(chǎn)生的二次流動(dòng)和扭帶產(chǎn)生的主旋流引發(fā)了協(xié)同效應(yīng),從而導(dǎo)致了更高的傳熱效果。翼片對(duì)管內(nèi)流動(dòng)有一定的干擾作用,有利于提高管內(nèi)傳熱性能。因此,Wongcharee等[34]研究了翼片在交替軸扭帶邊緣對(duì)傳熱性能的影響。研究結(jié)果表明,相比僅有交替軸扭帶,翼片與交替軸扭帶組合使得管內(nèi)傳熱效果更好,這是因?yàn)橐砥构鼙诟浇牧黧w更好地混合在一起。在三種不同形狀的翼片中,三種翼片的PEC均大于1,其中梯形翼最大值為1.42,這表明交替軸與翼片的結(jié)合相較普通扭帶具有更好的綜合性能。梯形翼產(chǎn)生的摩擦系數(shù)最大,其次是矩形翼,然后是三角形翼,梯形翼片的傳熱增強(qiáng)比和流阻增加比分別為2.84 和8.02。而Eiamsa-ard 等[35]將翼片放在交替軸扭帶中心,結(jié)果表明在相同條件下,裝有交替軸與翼片結(jié)合的扭帶管內(nèi)努塞爾數(shù)、摩擦系數(shù)以及綜合性能始終高于單獨(dú)交替軸或翼片的扭帶,PEC 最大值為1.4。他們認(rèn)為這是因?yàn)榕纬傻闹餍?、中心翼產(chǎn)生的渦流以及交替點(diǎn)后重組流強(qiáng)烈碰撞產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),傳熱增強(qiáng)比在較低雷諾數(shù)下很高,但隨著雷諾數(shù)的增加而不斷下降,最終趨于常數(shù)。Wongcharee等[34]主要研究翼片對(duì)近壁區(qū)域流體的干擾,而Eiamsa-ard等[35]主要研究核心區(qū)域流體的干擾。對(duì)比他們的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),近壁擾動(dòng)可能比核心干擾更好。

    上述研究表明,扭帶作為主要的管內(nèi)插入物之一可以提高傳熱率。一般隨著雷諾數(shù)的增加,插入扭帶的管內(nèi)流動(dòng)處于湍流狀態(tài)時(shí)綜合性能會(huì)下降,但處于層流狀態(tài)時(shí)會(huì)上升。這些幾何變化可使局部區(qū)域流動(dòng)分離,并在近壁區(qū)域或核心區(qū)域產(chǎn)生額外的湍流。其中最大優(yōu)點(diǎn)在于多變的幾何形狀,可以直接影響局部混合。因此扭帶導(dǎo)致的壓降損失在合理范圍內(nèi),適當(dāng)修改扭帶結(jié)構(gòu)對(duì)提高傳熱效果是必要的。關(guān)于扭帶結(jié)構(gòu)變化的研究成果在熱交換器中得到了應(yīng)用,但扭帶產(chǎn)生的壓降損失較大,PEC往往小于1,因此在工程上應(yīng)用不多。不過扭帶結(jié)構(gòu)在傳熱優(yōu)先的領(lǐng)域,例如航天器中進(jìn)行熱動(dòng)控制的裝置及系統(tǒng)、太陽(yáng)能集能儲(chǔ)熱、太陽(yáng)能電池以及太陽(yáng)能蒸餾海水淡化等方面應(yīng)用前景廣大,這些領(lǐng)域壓降損失通常會(huì)作為第二考慮因素[3]。

    2 扭帶結(jié)構(gòu)對(duì)熵產(chǎn)的影響

    在工程領(lǐng)域中,建立在熵概念基礎(chǔ)上的熵產(chǎn)最小化原則是過程優(yōu)化的重要準(zhǔn)則,并認(rèn)為熵產(chǎn)最小時(shí)系統(tǒng)的?損失最小,即系統(tǒng)的熱力學(xué)性能最優(yōu)。熱力系工質(zhì)的可用能定義為?,?損失的大小與熵產(chǎn)成正比,兩者間的比例系數(shù)與參考熱源的選取有關(guān),因此熱能利用率和熵產(chǎn)有著直接影響[36]。

    Farshad 等[37]研究了內(nèi)插扭帶管內(nèi)熵產(chǎn)分布情況,發(fā)現(xiàn)熵產(chǎn)隨著扭帶扭率和直徑的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。而當(dāng)相關(guān)參數(shù)取最大值時(shí),?損失達(dá)到最小,這說明扭帶結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變會(huì)影響第二定律特性,因此有必要討論結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)管內(nèi)熵產(chǎn)的影響。Khetib 等[38]研究了扭帶橫向比對(duì)?損失的影響。研究結(jié)果表明,在雷諾數(shù)和納米流體體積分?jǐn)?shù)恒定的情況下,橫向比從14mm 增加至20mm,?損失也隨之降低21.13%。Jafaryar 等[39]則分析具有擋板的扭帶對(duì)熵產(chǎn)和?損失的影響,發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)為5000 時(shí),擋板的加入導(dǎo)致?損失增加了21.21%。而隨著雷諾數(shù)的增加,擋板對(duì)?損失的影響得到了增強(qiáng)。Shafee 等[40]通過改變寬度分析雙扭帶結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)?損失的影響。研究結(jié)果表明,壁面的溫度梯度和摩擦系數(shù)隨扭帶寬度的增加而增加,從而導(dǎo)致?損失變大。此外,Sheikholeslami等[41]同樣研究了不同結(jié)構(gòu)扭帶的寬度對(duì)熱能利用率的影響。作者發(fā)現(xiàn)熱能利用率隨著寬度的增加而減小,作者認(rèn)為在多扭帶中更大的寬度可以獲得更好的傳熱性能。但從熵產(chǎn)最小化的角度來(lái)看,較低的寬度可以產(chǎn)生更少的?損失。

    除了扭帶參數(shù)外,學(xué)者們也十分關(guān)注操作參數(shù)對(duì)熵產(chǎn)的影響。Bahiraei 等[42]研究了雙扭帶管內(nèi)布置對(duì)熵產(chǎn)的影響。研究結(jié)果表明,反向布置的雙扭帶可以制造更強(qiáng)的旋渦,從而打斷邊界層并降低總熵的產(chǎn)生。Sheikholeslami等[41]則分析了納米流體在內(nèi)插多扭帶管的熵行為,他們認(rèn)為更多的扭帶會(huì)導(dǎo)致更強(qiáng)的渦流,這種渦流會(huì)讓納米顆粒沖擊壁面,使得管內(nèi)傳熱強(qiáng)化,進(jìn)而減小熵產(chǎn)和?損失。不同的是,Bahiraei 等[43-44]針對(duì)不同結(jié)構(gòu)扭帶在靜止和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的熵產(chǎn)分布進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明,旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的扭帶具有更高的能量利用效率,他們認(rèn)為高旋轉(zhuǎn)下系統(tǒng)能夠以更高的效率將軸向流轉(zhuǎn)換為漩渦流,這種轉(zhuǎn)化改善了系統(tǒng)的熱力學(xué)第二定律性能。此外,相較于傳熱熵產(chǎn)因角速度變大而減小的程度,摩擦熵產(chǎn)的增加卻是微小的,而傳熱熵產(chǎn)占總熵產(chǎn)的主導(dǎo)地位,因此角速度增加,系統(tǒng)可以獲得更大的熱能利用率。Ebrahimpour等[45-46]研究了內(nèi)插不同結(jié)構(gòu)扭帶換熱管中流體進(jìn)口溫度對(duì)不可逆性的影響。研究結(jié)果表明,僅提高進(jìn)口溫度的情況下,系統(tǒng)的熱能利用率平均減小了23.7%。

    上述研究結(jié)果表明,在傳熱過程中,雖然熱量是守恒的,但由于存在熱阻,熱功不能全部轉(zhuǎn)換。熵產(chǎn)最小化的目的是熱功轉(zhuǎn)換效率最大,從而獲得最大的熱能利用率。扭帶的寬度、扭率、間距比、高度比等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熱能利用率有著重要的影響,但其影響的程度也會(huì)受到實(shí)驗(yàn)工況的限制。

    3 扭帶與納米流體復(fù)合傳熱

    相比傳統(tǒng)流動(dòng)工質(zhì),納米流體不同的傳熱特性和現(xiàn)象為化學(xué)、能源、工業(yè)等領(lǐng)域帶來(lái)了前所未有的發(fā)展前景。比如,納米流體取代原有換熱工質(zhì),可以提高航天器系統(tǒng)的傳熱效率,降低控制系統(tǒng)的熱阻,滿足航天業(yè)中高負(fù)荷傳熱要求,保證航天器內(nèi)熱動(dòng)控制系統(tǒng)的溫度要求和部件本身不超過極限溫度,對(duì)保障航天器的可靠運(yùn)行有深遠(yuǎn)影響[47]。程想等[48]研究了飛行器燃料結(jié)焦的問題,在管內(nèi)插入扭帶可以大大減少結(jié)焦量并提高了換熱性能。這一現(xiàn)象表明扭帶產(chǎn)生的旋渦流可能有利于抑制納米顆粒的沉積,因此納米流體協(xié)同插入物強(qiáng)化傳熱逐漸成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。Sunder等[49]通過實(shí)驗(yàn)研究了扭帶對(duì)Al2O3/H2O納米流體湍流傳熱性能的影響。研究結(jié)果表明,在納米顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.5%、雷諾數(shù)為10000 和22000 條件下,納米流體的傳熱系數(shù)分別比水高22.76%和30.3%,并且建立了努塞爾數(shù)和摩擦系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。Dong等[18]則在管內(nèi)設(shè)置自旋扭帶的條件下,研究了氧化鋁納米顆粒對(duì)傳熱性能的影響。研究結(jié)果表明,傳熱增強(qiáng)比與流阻增加比隨著雷諾數(shù)的增加均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。在雷諾數(shù)為19322、納米流體濃度為3%時(shí),其傳熱增強(qiáng)比和流阻增強(qiáng)比達(dá)到最大值,分別為2.08 和1.84。此類研究的重點(diǎn)在于納米流體是否穩(wěn)定,這是納米流體傳熱研究的基礎(chǔ)。

    Bahiraei 等[19]研究了自轉(zhuǎn)式扭帶與納米流體復(fù)合對(duì)管內(nèi)傳熱性能的影響。研究數(shù)據(jù)表明,采用低扭率和高轉(zhuǎn)速的扭帶,同時(shí)增加納米流體的濃度會(huì)產(chǎn)生很大的對(duì)流傳熱系數(shù),但也導(dǎo)致泵功的增加。為了達(dá)到最佳狀態(tài),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、濃度和扭率的整體效果,他們研究了管道整體的綜合性能(PEC)。結(jié)果表明,在所有條件下PEC都大于1,其中最大值為1.6。Eiamsa-ard等[29]則研究了納米流體濃度對(duì)多扭帶不同布置方式的影響。從PEC 來(lái)看,雙扭帶的PEC 隨著濃度的提升幾乎都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)并大于1,這表示傳熱增強(qiáng)比大于流阻增加比。而單條扭帶的PEC值并不穩(wěn)定且小于1,這意味著流阻增加比大于傳熱增強(qiáng)比。同時(shí)隨著濃度的增加,反向布置的雙扭帶造成的摩擦損失更大,這表明是扭帶的排列可能造成更多的摩擦損失,不利于工程上的應(yīng)用。

    此外,F(xiàn)arshad 等[37]發(fā)現(xiàn)納米顆粒間的互相作用可以減小?損失,有利于提高熱能利用率,因此部分學(xué)者開始關(guān)注流動(dòng)工質(zhì)對(duì)熵產(chǎn)的影響。Zheng等[32]則針對(duì)納米流體顆粒直徑進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,較小直徑的納米顆??梢垣@得較小熵產(chǎn),他們認(rèn)為較小直徑的納米顆粒有著更大的傳熱面積,這有利于減小管內(nèi)溫度梯度從而導(dǎo)致熵產(chǎn)減少。另外,Krishnan 等[50]在管內(nèi)插入扭帶的情況下,研究了不同顆粒形狀但粒徑相同的氧化鎂對(duì)傳熱和熵產(chǎn)的影響。研究結(jié)構(gòu)表明,相比于片狀顆粒,球形納米顆粒具有更高的熱導(dǎo)率,有利于傳熱的進(jìn)行。同時(shí)根據(jù)熵產(chǎn)理論分析,片狀顆粒在雷諾數(shù)超過7200 時(shí)不推薦使用,這是因?yàn)樗趥鳠徇^程中產(chǎn)生的摩擦熵產(chǎn)較高。

    近年來(lái),由兩種或多種不同的納米顆?;旌隙傻膹?fù)合納米流體是學(xué)者們重點(diǎn)研究的方向之一,學(xué)者們?cè)噲D通過不同納米材料間潛在的協(xié)同效應(yīng)來(lái)進(jìn)一步提高納米流體強(qiáng)化傳熱的優(yōu)勢(shì)。Vallejo等[51]總結(jié)并分析了復(fù)合和單一納米流體在換熱器應(yīng)用中的研究成果,希望有助于研究人員選擇復(fù)合或單一納米流體進(jìn)行強(qiáng)化傳熱研究。翟玉玲等[52]提出使用同類型但不同粒徑混合的納米流體,試圖以此來(lái)減弱密度差帶來(lái)的不穩(wěn)定性,并利用粒子間協(xié)同作用來(lái)增強(qiáng)傳熱。研究結(jié)果表明,體積分?jǐn)?shù)為1%、混合比50∶50 的納米流體形成的團(tuán)聚體較小,顆粒分散較好。他們認(rèn)為局部粒子富集區(qū)和粒子界面層的形成,產(chǎn)生了高導(dǎo)熱滲透通道及低熱阻區(qū),使熱導(dǎo)率增大從而強(qiáng)化傳熱。Khetib 等[53]對(duì)拋物線型太陽(yáng)能集熱器中扭帶對(duì)MgO/Cu 納米流體綜合性能以及能量利用率的影響進(jìn)行了數(shù)值評(píng)估。研究結(jié)果表明,隨著扭率的增加,PEC以及能量利用率都呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì),并且PEC值均大于1,而能量利用效率最大可提升21.15%。Bahiraei 等[42]選擇混合納米流體作為流動(dòng)工質(zhì),并研究納米流體濃度對(duì)熵產(chǎn)的影響。研究結(jié)果表明,納米流體濃度的增加大大促進(jìn)了傳熱熵產(chǎn)的減少,這有利于總熵產(chǎn)的減少。

    綜上所述,扭帶的插入促使了納米流體在管內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)流動(dòng),這種現(xiàn)象有助于抑制納米顆粒的團(tuán)聚,并強(qiáng)化納米流體與管壁表面的擾流,因此傳熱往往得以強(qiáng)化。但管內(nèi)扭帶結(jié)構(gòu)形式對(duì)傳熱性能的影響很大,不恰當(dāng)?shù)倪x擇會(huì)導(dǎo)致納米流體在強(qiáng)化傳熱的同時(shí)壓降損失較大。

    4 傳熱與熵產(chǎn)預(yù)測(cè)模型

    多年來(lái)人們針對(duì)內(nèi)插扭帶管建立了大量的模型,用于預(yù)測(cè)內(nèi)插扭帶管內(nèi)流動(dòng)特性、傳熱特性和熵產(chǎn)。以往學(xué)者們建立傳熱模型能夠較好地預(yù)測(cè)管內(nèi)努塞爾數(shù)(Nu)和摩擦系數(shù)(f),但對(duì)于熵產(chǎn)模型的建立卻很少,主要是由于管內(nèi)傳熱熵產(chǎn)和流動(dòng)熵產(chǎn)難以計(jì)算。下文從傳熱和熵產(chǎn)兩種模型對(duì)內(nèi)插扭帶管結(jié)果預(yù)測(cè)進(jìn)行介紹,表1和表2分別總結(jié)了近十年文獻(xiàn)中內(nèi)插扭帶管內(nèi)傳熱模型和熵產(chǎn)模型,關(guān)聯(lián)式中的符號(hào)說明參考相關(guān)文獻(xiàn)。

    表1 內(nèi)插扭帶管內(nèi)傳熱模型

    續(xù)表1

    表2 內(nèi)插扭帶管內(nèi)熵產(chǎn)模型

    4.1 傳熱模型

    許多學(xué)者基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了新的傳熱模型,旨在預(yù)測(cè)內(nèi)插扭帶管內(nèi)流動(dòng)的流動(dòng)與傳熱特性,為實(shí)際應(yīng)用提供參考。Eiamsa-ard等[31]通過對(duì)Dittus等[64]和Blasius[65]提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P瓦M(jìn)行對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)得到的努塞爾數(shù)數(shù)值偏低,而摩擦系數(shù)則在低雷諾數(shù)區(qū)域較高,在湍流區(qū)域數(shù)據(jù)相對(duì)準(zhǔn)確。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P鸵约皩?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得,Eiamsa-ard等提出了修正后的傳熱模型。相對(duì)于其他學(xué)者研究的普通扭帶,Wongcharee等[62]則是研究了交替軸扭帶對(duì)傳熱性能的影響,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立內(nèi)插交替軸扭帶管的傳熱模型,其預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差范圍在8%以內(nèi)。Eiamsa-ard 等[33]在確保光滑通道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)典模型預(yù)測(cè)值誤差在20%以內(nèi)的情況下,提出了帶三角形翼片扭帶的傳熱模型。結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與建立的傳熱模型預(yù)測(cè)值誤差保持在10%內(nèi),縮小了模型預(yù)測(cè)的誤差。

    Godson等[66]對(duì)納米流體傳熱模型進(jìn)行了綜合分析,認(rèn)為納米流體本質(zhì)上是多組分流體,而研究人員進(jìn)行理論研究時(shí)一般有兩種處理方式:一是將納米流體認(rèn)為是一種傳統(tǒng)的單相流體,且納米顆粒與基礎(chǔ)流體之間無(wú)滑移;二是將納米流體看成固液兩相流,且兩者間存在滑移。He 等[67]對(duì)比研究了單相與兩相模型之間的差異,結(jié)果表明采用兩相模型會(huì)使結(jié)果更加接近實(shí)際。他們認(rèn)為兩相模型反映了流體和顆粒間反應(yīng)的傳熱增強(qiáng),而單相模型卻忽略了這一現(xiàn)象。

    上述研究表明,現(xiàn)有的內(nèi)插扭帶管經(jīng)驗(yàn)?zāi)P瓦m用范圍較廣但誤差較大。因此許多學(xué)者根據(jù)不同結(jié)構(gòu)扭帶的特性,提出了針對(duì)性預(yù)測(cè)的傳熱模型。新的傳熱模型雖然縮小了誤差,但是適用范圍較窄。因此,適用廣泛、預(yù)測(cè)精準(zhǔn)的內(nèi)插扭帶管傳熱模型還有待研究。另外由于納米流體的復(fù)雜性,要建立嚴(yán)格意義上的傳熱理論模型十分困難。

    4.2 熵產(chǎn)模型

    在傳熱和流動(dòng)的過程中,熵產(chǎn)的減少可使效率顯著提高,近幾年研究人員針對(duì)內(nèi)插扭帶管建立了熵產(chǎn)模型。Sheikholeslami等[72]基于以往的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P徒⒘诵碌哪P停糜陬A(yù)測(cè)均勻納米流體在內(nèi)插多螺旋扭帶管內(nèi)的熵產(chǎn)情況,并對(duì)不可逆性進(jìn)行分析,以幫助設(shè)計(jì)者找到最佳系統(tǒng)。研究結(jié)果表明,該模型在納米流體體積分?jǐn)?shù)低于0.05 時(shí)是有效的。Sheikholeslami等[69]利用數(shù)值模擬建立了內(nèi)插交替軸扭帶管的熵產(chǎn)模型,利用單相模型對(duì)納米流體的行為進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),扭帶轉(zhuǎn)角與雷諾數(shù)的增加會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的對(duì)流,這種現(xiàn)象可以減少?損失,從而提高熱能利用率。Wongcharee等[34]為了減少流動(dòng)阻力和增加管道內(nèi)的傳熱,參考Kim等[74]湍流狀態(tài)下的扭帶類型,以熵產(chǎn)最小化為目的設(shè)計(jì)出了雙螺旋扭帶結(jié)構(gòu)。此外,還研究了納米流體流經(jīng)扭帶時(shí)管內(nèi)傳熱性能和?損失,同時(shí)根據(jù)模擬數(shù)據(jù)建立了用于預(yù)測(cè)?損失的熵產(chǎn)模型。

    盡管研究人員對(duì)內(nèi)插扭帶管內(nèi)熵產(chǎn)分布進(jìn)行了廣泛研究并取得了一定成果,但由于實(shí)際過程中的熵產(chǎn)難以計(jì)算,熵產(chǎn)模型的建立仍處于剛剛起步的階段,因此對(duì)于熵產(chǎn)最小化的研究仍是挑戰(zhàn)。

    5 結(jié)語(yǔ)與展望

    內(nèi)插扭帶管傳熱性能普遍高于光滑圓管,應(yīng)用范圍極其廣泛。根據(jù)研究人員的探究結(jié)果,可以得到以下結(jié)論:扭帶的幾何結(jié)構(gòu)變化、管內(nèi)流動(dòng)工質(zhì)及實(shí)驗(yàn)工況等因素均會(huì)影響換熱管的傳熱性能和熵產(chǎn)。許多研究者基于研究數(shù)據(jù)提出了內(nèi)插扭帶管的傳熱和熵產(chǎn)模型,但研究結(jié)果表明大部分模型使用范圍有限。盡管目前關(guān)于扭帶傳熱模型的研究逐漸趨于成熟,但對(duì)內(nèi)插扭帶管熵產(chǎn)模型的研究還不夠完善。今后學(xué)者們可從以下幾個(gè)方面開展此類研究。

    (1)目前關(guān)于各種扭帶結(jié)構(gòu)的研究很多,主要集中在強(qiáng)化換熱管的傳熱性能。針對(duì)特定的結(jié)構(gòu),研究人員提出了與傳熱相關(guān)的關(guān)聯(lián)式,但這些關(guān)聯(lián)式應(yīng)用到類似結(jié)構(gòu)時(shí)存在一定的誤差,進(jìn)一步完善這些關(guān)聯(lián)式對(duì)于今后的研究具有重要意義。此外,依據(jù)綜合性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)扭帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,以達(dá)到更好的綜合傳熱效果。

    (2)扭帶產(chǎn)生的旋渦流與納米顆粒尺度效應(yīng)可進(jìn)一步提高傳熱,但由于納米流體物性的復(fù)雜性,對(duì)于納米流體傳熱模型的建立仍有難度,傳熱機(jī)理還需進(jìn)一步完善。以上問題的解決可使扭帶進(jìn)一步強(qiáng)化換熱管傳熱性能。

    (3)對(duì)內(nèi)插扭帶管熵產(chǎn)模型的研究。大量對(duì)扭帶傳熱的研究已經(jīng)證明改變扭帶結(jié)構(gòu)可以提升換熱管傳熱性能,但對(duì)換熱管熱能利用率的研究極少。傳熱性能的提高并不能代表熱能轉(zhuǎn)換效率的提高,因此針對(duì)扭帶的熵產(chǎn)還需要更完善的模型去理解和解釋熵產(chǎn)最小化原則。

    (4)研究表明扭帶的插入可以更好地降低微通道壁面溫度和熱阻[75],但目前對(duì)微細(xì)通道散熱器中插入扭帶的研究極少,因此這類工作具有進(jìn)一步的研究?jī)r(jià)值。此外,微尺度效應(yīng)會(huì)使管內(nèi)傳熱行為與宏觀情形下有所不同,建立合適的模型對(duì)微觀傳熱行為進(jìn)行預(yù)測(cè)將是今后扭帶強(qiáng)化傳熱的研究重點(diǎn)之一。

    符號(hào)說明

    b—— 扭帶厚度,m

    BR —— 寬度比,BR=2w/D

    D—— 水力直徑,m

    f—— 摩擦阻力系數(shù)

    GPR —— 幾何級(jí)數(shù)比

    L—— 管道長(zhǎng)度,m

    LIPR —— 線性遞增的比率

    l—— 扭帶插入的長(zhǎng)度,m

    N—— 扭帶的數(shù)量

    Nu—— 努塞爾數(shù)

    P—— 扭帶切割的周長(zhǎng),m

    Pr—— 普朗特?cái)?shù)

    Pp—— 孔之間的間距長(zhǎng),m

    PR —— 螺距比,PR=2y/D

    Re—— 雷諾數(shù)

    Sgen—— 熵產(chǎn)

    Sgen,th—— 傳熱熵產(chǎn)

    Sgen,f—— 摩擦熵產(chǎn)

    TR —— 扭率

    W—— 紐帶寬度,m

    w—— 扭帶切割長(zhǎng)度,m

    Xd—— ?損失

    y0—— 帶之間重疊的長(zhǎng)度,m

    y—— 節(jié)距,m

    φ—— 納米流體濃度

    η—— 傳熱性能

    下角標(biāo)

    p —— 穿孔

    d —— 凹穴

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