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    換熱器熵產(chǎn)分析

    2012-07-04 02:45:38林紅良李志祝廣場
    船電技術(shù) 2012年1期
    關(guān)鍵詞:熱力當(dāng)量換熱器

    林紅良 李志 祝廣場

    (中國船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所, 武漢 430223)

    0 引言

    中國是一個(gè)人口大國,隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,能源消耗迅速增長,能源危機(jī)已經(jīng)成為逐漸顯露出來,節(jié)約能源已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。換熱器作為工程應(yīng)用最為廣泛的熱力設(shè)備之一,其性能的好壞直接影響著能源的消耗量。熵產(chǎn)分析是能量品質(zhì)的角度出發(fā),評(píng)價(jià)換熱器熱力完善程度的重要指標(biāo)。分析換熱器不同的特性參數(shù)對(duì)熵產(chǎn)數(shù)的影響能夠從本質(zhì)上解釋熱力特性參數(shù)對(duì)換熱性能的影響以及其之間的相互關(guān)系,對(duì)于改進(jìn)熱力系統(tǒng)消耗能量的過程,降低能源消耗具有非常重要的作用。

    1 換熱器特性參數(shù)

    1.1 數(shù)學(xué)模型

    如圖所示為換熱器典型的換熱過程,c代表冷流體,h代表熱流體,i代表進(jìn)口,o代表出口。

    圖1 換熱器示意圖

    圖2 換熱器各點(diǎn)溫度

    1.2 特性參數(shù)

    為了深入對(duì)換熱器性能的認(rèn)識(shí),有一下無量綱數(shù)最為換熱器的特性參數(shù):

    有效度:

    流體進(jìn)口溫度比:

    水當(dāng)量比:

    預(yù)熱溫度比:

    傳熱單元數(shù):

    其中:K為換熱器的傳熱系數(shù),F(xiàn)為換熱器的傳熱面積。

    傳熱單元數(shù)映冷熱流體間換熱過程難易程度的參數(shù),也是衡量換熱器傳熱能力的參數(shù)。由定義式可知:在設(shè)計(jì)換熱器時(shí),換熱要求越高,則所需傳熱面積越大,傳熱單元數(shù)也越大。對(duì)操作中的換熱器,傳熱單元數(shù)越大,表明其性能越好。

    2 換熱器熵產(chǎn)分析

    2.1 特性參數(shù)對(duì)熱性能的影響

    引入無量綱熵產(chǎn)數(shù) Ns表示換熱器熱力完善程度,其值大表示換熱器熱力不可逆性高,有效能損失大,熱力完善程度低;Ns值低則剛好相反。

    將換熱器作為控制容積系統(tǒng),進(jìn)出口處有工質(zhì)流動(dòng),外表面絕熱,冷熱流體之間只有熱量傳遞,沒有功的傳遞。作為這樣一個(gè)模型的換熱器,其熵產(chǎn)為:

    由熱力學(xué)第一定律可知:

    得:

    以冷流體當(dāng)量為基準(zhǔn),換熱器的熵產(chǎn)數(shù)為:

    式中右邊第一和第二項(xiàng)是傳熱引起的不可逆損失,第三和第四項(xiàng)是粘性流動(dòng)引起的不可逆損失,對(duì)換熱器不可逆性的分析要考慮傳熱和粘性流動(dòng)兩方面。

    鑒于流動(dòng)引起的熵產(chǎn)和傳熱引起的熵產(chǎn)相比很小,則熵產(chǎn)可以表示為:

    圖3 NS隨β變化圖

    由此可以得知NS與ω、α、β有關(guān),通過改變?chǔ)?、α、β的值?duì)比分析NS的變化可以得出特性參數(shù)ω、α、β對(duì)換熱性能的影響。

    由圖可知:α=1即Thi=Tci是沒有意義的,此時(shí)熵產(chǎn)數(shù)為負(fù),違背了熱力學(xué)第二定律;當(dāng) α=2時(shí),水當(dāng)量ω和進(jìn)口溫度比α一定時(shí),Ns隨著溫度預(yù)熱溫度比的增加而呈現(xiàn)拋物線形狀發(fā)展,Ns有一個(gè)最大值,即當(dāng)臨界預(yù)熱溫度 βcri=(ω+α)(ω+1)。水當(dāng)量比 ω=1,α=β(理想狀態(tài))時(shí),Ns=0;水當(dāng)量ω<1,即使是理想狀態(tài),Ns也不等于0。在實(shí)際過程中, α和ω一定時(shí),盡量使β大于 βcri,并且趨近于 α,可以減小 Ns;而對(duì)于 ω和β一定時(shí),熱流體進(jìn)口溫度越高,α就越大,Ns就越大,可用能損失就越大。

    2.2 特性參數(shù)NTU、ω及流型對(duì)換熱性能的影響

    熵產(chǎn)數(shù)Ns不僅取決于ω、α、β,還取決于傳熱單元數(shù),流動(dòng)形式等。下面我們就從NTU、ω及流動(dòng)形式來分析其對(duì)熵產(chǎn)數(shù)的影響。

    換熱器的平均對(duì)數(shù)溫差:

    其中ΔTmax為換熱器兩端溫差較大者

    ΔTmin為換熱器兩端溫差較小者

    順流換熱器的平均對(duì)數(shù)溫差可以寫成:

    逆流換熱器的平均對(duì)數(shù)溫差可以寫成:

    將其代入

    得:

    由此可得:

    其中

    由上式可知Ns與α、ω、有關(guān)。

    當(dāng)NTU小于1時(shí)Ns隨著ω的增大而減小,當(dāng)NTU大于1時(shí),Ns并不隨著ω的變化而單調(diào)變化,而是隨著ω的增大先增大,然后再減小,在ω=1時(shí)出現(xiàn)最小值,這為我們選擇最小熵產(chǎn)數(shù)的換熱器提供了方向。

    Ns并不隨著 NTU的變化而單調(diào)變化,而是呈現(xiàn)拋物線形狀,在 NTU=1附近出現(xiàn)最大值,當(dāng)NTU=1時(shí),

    因此,在設(shè)計(jì)換熱器時(shí),我們應(yīng)該盡可能使得NTU大于1,只有這樣,熵產(chǎn)數(shù)才會(huì)可能很小,減小換熱器的熱量損失,增大換熱器的換熱能力。

    3 結(jié)論

    ⑴ 熵產(chǎn)數(shù) Ns大表明換熱器熱力不可逆性高,熱力完善程度,低有效能損失大;

    ⑵ 對(duì)于 ω和 β一定的情況下,α越大,Ns越高,可用能損失就越大,在α和ω一定時(shí)盡量提高預(yù)熱比β,使其大于臨界值,相應(yīng)Ns減小。

    ⑶ Ns隨 NTU的變化視流動(dòng)形式不同而不同,Ns在NTU小于0.5范圍變化顯著,在NTU為1時(shí)趨向于最大值,NTU小于0.5時(shí)對(duì)于工程沒有意義,NTU應(yīng)大于 1。當(dāng) NTU增加到一定范圍,Ns減低趨勢(shì)減緩,鑒于投資經(jīng)濟(jì)性,換熱器不宜采用過大的NTU。

    ⑷ Ns隨α增大而增大,隨ω增大而減小,在其他情況相同時(shí),平衡流傳熱過程中Ns最小。水當(dāng)量比ω<1是是造成有效能損失的一大原因,應(yīng)使ω趨向于1。

    [1]余敏, 馬俊杰. 換熱器特性參數(shù)與熱力性能熵產(chǎn)分析.上海理工大學(xué). 熱能動(dòng)力工程, 2000.

    [2]過曾元. 熱流體學(xué). 北京: 清華大學(xué)出版社, 1992

    [3]楊東華.不可逆過程熱力學(xué)原理及工程應(yīng)用.北京.科學(xué)出版社.1987.

    [4]李友榮, 吳雙應(yīng). 低溫?fù)Q熱器的火用效率分析.低溫工程, 1995.

    [5]項(xiàng)新耀. 工程火用分析. 北京:石油工業(yè)出版社,1990.

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