1 引言
    强化传热的同时，流动阻力也显著增加，使强化传热的性能分析复杂化，权衡两者，使其具有较好的能量综合利用性能和应用价值以及如何评价各种强化传热形式的性能，一直是该领域中有待解决的问题。目前在强化传热研究中，较常用的评价分析方法是直接比较法和Webb评价法^[1]。前者采用强化传热管的性能（传热、阻力性能）与光管性能比较直接获得强化增长程度，后者依据热力学第一定律建立的强化管与光管比拟式作为判据进行评价分析。用上述方法评价分析管内强化换热，虽然直接方便并可获得确定的结果，但是由于评价分析中没有将传热性能和流动性能有机地结合起来，未能很好地解决能量有效利用的综合评价问题，因此评价是不完备的。
    一般而言，换热过程往往包含有温差的热量传递过程和压力损失的流体流动过程以及化学势差下的质量传递过程。这3种过程均是不可逆的热力学过程，必然会引起由此构成的热力系统熵产，从而表现为有用能损失。为此，通过分析流动热质传递过程的熵产，就可综合评价换热系统的能量有效利用程度。就传热管强化而言，通过强化前后的比较，可获得能量利用程度的增强效果，作为理论分析和实际应用的依据。正因为如此，基于熵产分析法的强化换热系统的能质综合分析、评价和优化研究正引起了国内外众多学者的关注^[2,3]。
    本文在前期研究工作的基础上^[4]，针对强化换热元件的综合热力性能分析和评价问题，基于局域平衡热力系统过程熵产分析普遍化方程，首先建立一般意义下统一的管内综合热力性能分析和评价方程，并以管内强化传热为例介绍其应用。
2  对流热质传递过程的熵产分析普遍化方程的建立
    对包含热质传递的流体流动，考虑图1(a)、(b)所示内、外部流动问题，其中(a)表示流体经过一任意形状的通道与壁面之间进行热质交换；(b)表示流体内存在一不运动的任意形状固体，流体与该固体之间存在热质交换，采用控制体法取图示热力学分析系统，设控制体远大于该物体，从而保证控制体的边界条件不因物体的存在而受影响。
    对图1内、外部流动控制体由质量守恒及热力学第一、二定律可得如下3个方程：

式中 r,h,v,q,s,T分别为介质的密度、比焓、速度、热流密度、比熵和温度，下标k表示混合介质的组分。详见文[4]。
    基于不可逆热力学的局域平衡假设^[5]，将系统划分为几个均匀的平衡局域，这样整体非平衡的控制系统可由诸平衡局域组成，从而保证各种热力学函数都有确切的意义。为此对每一局域采用广义吉布斯方程得

    由式(1)～(3)结合上面推出的公式消去控制体进、出口截面的积分，并应用多元工质流体热质传递的一些基本关系式可得^[4、6-8]：

    根据流体作用在物体表面上的阻力与上式最后一项之间的关系，并假定质传递方向上压力梯度可忽略，对上式应用文[9]中理想混合物的热力学关系式可得：

    此即为基于局域平衡假设下热力系统对流热质传递过程熵产分析的普遍化方程，从中清楚地看出第1项是由对流热质传递过程中温差传热引起的熵产部分，第2项是由浓度差引起的传质过程的熵产部分，第3项是由流阻不可逆引起的熵产部分，当质量传递不存在时，显然另两项构成了对流换热过程的熵产表达式，它与文[2]推出的熵产表达式是一致的。
3管内流动与传热综合热力性能分析方法的建立
3.1 管内流动传热公式
    考虑一般性，由式(11)对单纯管内流动传热问题有：

式中P为管壁周长，T、Tw分别为主流和管壁温度，p、m分别为流体密度和质量流量。
3.2  壁面恒热流条件 
    考察如图2所示管段控制体，假设管内流动处于稳定的充分发展状态，壁面热流为q，不计轴向导热和散热的影响，由热力学第一定律知：

将式(16)、(17)、(18)代入式(15)得：

由此可解得流动工质沿管长方向不同地点处的流体温度

式中 K=aP/mc_p, M=lT₀/(d×q)；Nu为努谢尔特无量纲数。
    为准确衡量各种条件下强化换热管的用能效果，引入无因次熵产量表征有能损失程度如下：

   该式表示单位换热温差换热量的熵产，利用该参数来表示能量有用能的损失程度，可在单位换热量的前提下，比较评价各种工况条件下的管流传热过程的综合能量利用程度和效果。
    由式(23)和式(24)整理即得管内恒热流条件下有用能损失参数无因次方程：

    上式中第1项和第2项分别表示传热引起的损失部分和流动引起的损失部分。
3.3  壁面恒壁温条件
    考察如图3所示管段控制体，假设管内流动处于稳定的充分发展状态，同前面壁面恒热流条件一样由热力学第一定律可知：

    由此可解得流动工质沿管长方向不同地点处的流体温度

式中  K =αP/mc_p；a = T_w/ΔT₀；e为指数函数。
      同样用式(24)无因次有用能损失参数表达式即可整理得恒壁温条件下的无因次有用能损失方程：

    至此，在推导出对流热质传递过程熵产分析普遍化方程的基础上，本文建立了管内两种常见工况条件下的无因次可用能损失参数的表达式。
    为了分析和评价传热管管内强化传热的综合用能效果，不失一般性，现定义如下强化传热性能因子来表征能量的综合利用程度：

式中  (N_S)₀、(N_S)_e分别为未强化光管和强化管管内流动传热过程无因次可用能损失参数的表达式。显然当F＞1，则表明强化管的综合用能效果是有效的；若F＜1，则强化管的综合用能效果是无效的，若通过试验研究得到强化传热管的传热及流阻性能，就可利用该评价判据评判强化效果，分析能量利用程度，确定合理的运行工况参数、最佳结构参数及合适的强化形式。
    这就是管内强化传热的综合热力性能分析和评价统一方法的分析表达式，运用该方法即可对管内强化传热的综合热力性能进行分析和评价。
4 内插螺旋线圈强化传热管的综合热力性能分析和评价
    管内强化换热的方法很多，原则上可分成两大类，第一大类为增加管子内侧的换热面积，如内肋管；第二大类是使管内换热系数提高，按提高管内换热系数的原则来实现传热强化，其出发点为：① 采用各式各样的粗糙表面； ② 在管内造成流体旋转。作为管内插入物以实现以上两种强化传热方式的有以下3种主要方式：
     （1）内插螺旋线圈；
     （2）内插扭曲带；
     （3）静态混合器
    考虑到管内采用扭曲带插入物时，在湍流工况下，由于流体阻力增加较大，其热力性能指标提高不大，且扭带耗材相对较大，效果不很理想^[10,11]，因此本节以在扭曲带基础上发展起来的静态混合器作为比较对象，以光管为基准，运用上节中建立的管内综合热力性能分析和评价公式对不同结构参数的内插螺旋线圈强化管的用能效果及热力学完善程度进行分析和评价，为内插螺旋线圈强化管的结构参数选择及优化设计提供依据。
    文[12]中作者通过试验已得到内插螺旋线圈强化管的流阻及传热性能准则关联式，现以空气为流动工质，在其试验的工况范围内进行主要性能的评价分析，分析中根据工程实际使用情况，假定管壁平均温度风为150℃，考察N_S的表达式可知其与雷诺数Re、长径比L／d、入口温差ΔT₀以及流动工质和强化元件的结构参数等几个因素存在密切的关系，下面逐一予以考察。
   

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