层流-过渡区下采用水、丙二醇及甘油混合物的管壳式换热器热工水力与第二定律分析

《Scientific Reports》：Thermo-hydraulic and second-law analysis of a shell-and-tube heat exchanger using water, propylene glycol, and glycerol mixtures in the laminar–transition regime

　　

本研究对逆流工况下运行的管壳式换热器（shell-and-tube heat exchanger）的热工水力（thermo-hydraulic）及第二定律（second-law）性能进行了全面的实验研究。研究人员采用水、不同浓度的丙二醇/水（propylene glycol/water，PG/water）及甘油/水混合物作为工质，以评估热物理性质对传热、水力及?（exergy）特性的影响。研究在雷诺数（Reynolds number，Re）400–4800范围内（涵盖层流与过渡流区）共进行了105次实验运行，系统分析与比较了相同工况下的总传热系数（overall heat transfer coefficient，Uo）、压降（pressure drop，ΔP）、努塞尔数（Nusselt number，Nu）、摩擦因子（friction factor，f）、熵产（entropy generation，?gen）及?效率（exergy efficiency，ηex）。结果表明，提高雷诺数显著增强传热性能，使总传热系数与努塞尔数升高，但伴随压降与熵产增加，反映了传热强化与不可逆性之间的热力学权衡。在所研究流体中，水表现出最高的热学与?性能，而甘油/水混合物因较高粘度及相关流动阻力导致性能最低。为提供实用预测工具，研究人员基于完整实验数据集建立了努塞尔数与摩擦因子的经验关联式：Nu = 2.43·Re0.30·Pr0.094 与 f = 5.47·Re-0.62·Pr-0.08，与实验测量值吻合良好。通过与已有文献关联式验证，确认所提模型能在研究雷诺数范围内预测热工水力性能。本工作创新点在于在相同工况下对水、丙二醇/水及甘油/水混合物进行比对实验评估，同时评价热学、水力及第二定律性能指标，并基于大量实验数据库建立预测关联式。研究结果为工业热力系统中采用粘性传热流体的换热器设计、优化及基于?的评价提供了可靠的基准数据与工程关联式。

论文发表在《Scientific Reports》。当前管壳式换热器在工业热能系统中应用广泛，其性能主要受雷诺数（Reynolds number，Re）与普朗特数（Prandtl number，Pr）等无量纲参数控制。尽管已有大量研究关注纳米流体、几何改型等对换热强化的影响，但在相同工况下系统比较水、丙二醇（propylene glycol，PG）/水及甘油/水混合物在层流-过渡区（laminar–transition regime，Re 400–4800）内同时耦合热工水力（thermo-hydraulic）与第二定律（second-law）性能的实验研究仍较为缺乏。现有文献多单独关注传热或压降，或仅针对单一流体，缺乏对粘性流体物性变化对总传热系数（overall heat transfer coefficient，U_o）、熵产（entropy generation，?_gen）及?效率（exergy efficiency，η_ex）综合影响的直接实验比对。因此，研究人员开展此项综合实验，旨在为工业选用防冻、高沸点传热流体（如HVAC、制冷、地热、太阳能热系统常用的乙二醇类混合物）时提供热-水力-热力学权衡的基准数据与预测关联式。

研究人员开展了在逆流条件下管壳式换热器中使用水、PG/水（10、20、30 wt%）及甘油/水（10、20、30 wt%）混合物的实验，热流体入口温度设60、70、80 °C，热流体流量1.0–3.0 L/min，冷侧水流恒为2.0 L/min，共105组实验；采用Armfield HT33换热器与HT30X服务单元，以汞差压计测管程压降，K型热电偶测温，涡轮流量计测流量；通过热平衡取冷热侧换热量算术平均确定有效传热率，依对数平均温差（logarithmic mean temperature difference，LMTD，ΔT_lm）算U_o，由压降算达西摩擦因子（Darcy friction factor，f），基于Gouy–Stodola定理算熵产与?毁（exergy destruction，?_d）及?效率；并用不确定度分析验证可靠性，最终回归得到Nu与f关联式并在±10%–20%内验证。

研究结果如下：

整体传热性能（Overall heat transfer performance）：研究人员通过分析U_o随Re的变化发现，所有流体U_o均随Re增加而非线性上升，处于层流-过渡区；水全程最高，PG混合物次之，甘油混合物最低；同流体类别中浓度越高（10至30 wt%）U_o越低，源于粘度增大、热阻上升；入口温度升高因降粘而改善传热。表明流体粘度主导U_o，粘性抑制湍流与对流效应。

水力性能（Hydraulic performance）：压降（ΔP）随流速单调增加，甘油混合物最高，PG次之，水最低；高粘度放大管内摩擦损失，曲线平滑稳定，符合基础流体动力学行为，证实实验测量可靠。

对流换热特性（Convective heat transfer characteristics）：由实验U_o推算的有效努塞尔数（Nusselt number，Nu）随Re增加而上升，数值处于层流-过渡区预期范围；水Nu最高，甘油溶液最低，浓度增加降低Nu，因粘度不利动量与热扩散；证明换热受流动动力学与流体物性共同强烈影响。

摩擦因子分析（Friction factor analysis）：达西摩擦因子（f）随Re增加而下降低，低Re时粘性效应主导致f较高，高Re惯性力显著降阻；甘油混合物f高于PG与水，与其高粘度一致，结果符合光滑管内经典流动行为。

熵产分析（Entropy generation analysis）：熵产（?_gen）随Re增加而增加，反映流速提升伴随传热与摩擦不可逆性上升；虽高Re强化传热，但粘滞耗散与温差贡献更多熵产，呈现传热强化与热力学损失的权衡；甘油混合物?_gen最高，水最低，粘度与Re是主控参数。

?效率（Exergy efficiency）：?效率（η_ex）随热流体流量总体上升，低流量时增幅明显，高流量后趋缓，因不可逆性影响增大；水最高，PG次之，甘油最低，浓度增加因不可逆损失大而降低η_ex；值在紧凑式换热器预期范围内，显示流动速率与粘度共同控制热工水力行为。

与文献比较（Comparison with literature）：实验Nu与经典Sieder–Tate关联式大部分数据点接近完美吻合线，偏差源于几何、流动发展、物变及关联式简化假设；U_o与Nu随Re增加、PG与甘油浓度升高而性能下降的趋势与Sieder and Tate、Shah and London、Kaka? and Liu等经典结论一致；高粘度流体压降与f增大符合Darcy–Weisbach公式及层流-过渡区关联式；熵产随Re增加与Bejan第二定律分析一致；?效率水最优、甘油最差与文献相符，验证实验方法、数据处理与性能分析有效。

关联式建立与验证（Correlation development and validation）：基于全数据集回归得Nu = 2.43·Re^0.30·Pr^0.094（R² = 0.81，平均偏差约±10%），适用于400 ≤ Re ≤ 4800及所测Pr范围之水、PG/水（10–30 wt%）、甘油/水（10–30 wt%）；另得f = 5.47·Re^-0.62·Pr^-0.08，预测值与实验值多数在±20%内，少数偏差来自不确定度、物性波动及流态过渡；两式在限定条件内为工程预测可靠工具。

热工水力权衡分析（Thermo-hydraulic trade-off analysis）：Re升高提升Nu与U_o但伴生更高f、ΔP与泵功，存在传热增益与水力惩罚的明确权衡；对粘性流体尤为关键，传热改善可能被流动阻力与能耗抵消；相比扭带、波纹管、板式换热器及纳米流体系统等强化技术，本研究管壳式虽换热增益可能较低，但其机械稳健、运维简便、适用多流体，更具工业普适性；结果可为工业选传热流体时热-水力权衡提供基准。

讨论部分总结指出，本研究在同一逆流管壳式换热器中对水、PG/水及甘油/水混合物进行综合实验，证实Re增加显著提升传热（U_o、Nu升高）但伴随ΔP与?_gen增加，体现热性能与不可逆损失的内在权衡；流体物性主导行为：水因低粘度具最高传热与η_ex，甘油混合物因高粘阻力性能最低，浓度升高一致劣化热与?表现；?_gen随流量增因摩擦与传热效应而增，η_ex在低流量范围随流量增而升，高流量后因熵产影响增益受限；所建Nu与f关联式与实验吻合良好，较经典关联式在层流-过渡区更准；成果强调优化工况以平衡传热强化与热力学效率的重要性，尤其对粘性流体；结果与关联式可为同类管壳式换热器设计评价提供参考；工业中PG类混合物因防冻、高沸广泛用于HVAC、制冷、地热、太阳能热及过程工业，但浓度增致粘度升、恶化对流换热并增ΔP与泵功，需在热性能与水力损失间谨慎权衡。

结论部分原文翻译如下：

本研究对逆流工况下采用水、丙二醇（PG）/水混合物及甘油/水混合物的管壳式换热器之热工水力与第二定律性能进行了全面实验研究。结果表明，提高雷诺数显著增强传热性能，体现为总传热系数与努塞尔数升高，但伴随压降与熵产明显上升，表明系统内不可逆性增加，证实了热性能与水力及热力学损失间固有之权衡。

研究发现流体物性在系统行为中起主导作用。水因其较低粘度表现出最高传热性能与?效率，而甘油混合物因粘滞阻力增加导致性能最低。增加粘性组分浓度会持续劣化热与?性能。熵产分析揭示不可逆性随流量增加而升高，主要源于流体摩擦与传热之综合效应。相应而言，?效率在较低流量范围内随流量增加而改善，但因熵产影响增大在高流量下增益有限。

基于实验数据建立了形式为 Nu = 2.43·Re^0.3·Pr^0.094 的经验关联式，与测量值吻合良好，决定系数约0.81，大多数实验数据落在±10%误差带内。与经典关联式比较证实所提模型在本研究层流-过渡流区内提供更准确预测。

总体而言，研究结果强调了优化运行条件以平衡传热强化与热力学效率的重要性，尤其在处理粘性流体时。所得结果与提出之关联式可作为相似工况下管壳式换热器设计与性能评估的有用参考。

从工业角度看，乙二醇类混合物因低冰点、高沸点及严苛环境下运行可靠性，广泛用于HVAC、制冷设备、地热装置、太阳能热系统及过程工业之传热流体。然而，提高乙二醇浓度会导致流体粘度增加，不利影响对流换热并增大压降惩罚与泵功需求。因此，尽管乙二醇类流体提供增强之操作安全性与防冻保护，其使用需谨慎平衡热性能与水力损失。

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