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工业换热设备能效评定方法及其研究点击：1886 日期：[ 2014-04-26 21:35:52 ] |
| 工业换热设备能效评定方法及其研究 吴 菲1 张 红1 李 维1 缪春生2 (1·南京工业大学能源学院, 2·江苏省特种设备安全监督检验研究院) 摘 要：综述了现有换热器性能的评价方法,根据工业换热设备的特点提出了以单台工业换热设备作为评定单元,以基本特征参数测试为基础,综合考虑设计、制造和使用管理等诸多因素的工业换热设备能效评定方法。 关键词：工业换热设备 能效评定 传热单元数 热效率 工业换热设备是工业生产中重要的设备,在石油、化工、动力、能源、冶金、航空、车辆、制冷和食品等领域被广泛使用,是保证加工过程正常顺利运行不可缺少的关键设备之一,在材质消耗、动力消耗及工程方面占有重要的份额,因此工业换热设备也是重要的节能设备。目前,能源日益成为社会、经济发展的瓶颈,节能和能源的合理有效利用显得尤为重要。在工业生产中占有重要地位的换热设备作为能量传递的基础,其传热性能的好坏对节能有着重要影响。随着工业装置的大型化及高效化,换热设备也趋于大型化,并向低温差、低压力损失方向发展。为了提高工业生产的能源利用水平,实现节能降耗的目标,有必要对各种工业换热设备的能效进行评定。目前,单纯用一个或多个指标从热性能方面来评价工业换热设备能效的方法有很多[1-2],但尚未综合考虑设计、制造和使用管理等诸多因素。为此,提出一种新的工业换热设备能效评定方法,以单台工业换热设备作为评定单元,以基本特征参数测试为基础,结合设计、制造与使用管理因素评定其能量利用的技术水平和经济性,以期为工业应用的能效评定提供一个科学实用的方法。 1·换热设备性能评价方法 换热设备性能的评价一直是研究者和工程技术人员关注的热点,有多种换热设备性能的评价方法与评价指标。早期对换热器进行评价都采用单一参数,例如总传热系数K和压降ΔP,这两个参数均与流体的流速有关,故一般工程上采用在相同流速下比较总传热系数和压降。有学者采用换热量Q与消耗的泵(或风机)的功率N的比值,即能量系数作为评价指标,还有采用K/ΔP以及无因次化的Nu /ζ来进行评价,为了更准确地反映强化传热的性能,进一步也可以使用K/ΔP1/3及Nu /ζ1/3作为指标[3-4]。随着传热技术的发展,工业换热设备日益向体积小、重量轻的方向发展,同时在提高效率的前提下,要求操作费用降低。这些评价都只是分析换热器的能量在数量上转换、传递、利用和损失的情况,即以热力学第一定律为基础。也有人提出了以熵产单元数Ns作为评价指标[5],在熵产分析的基础上提出强化传热性能因数来对换热设备热效率进行评价。为了更准确地反映热量交换过程中能量在质量上的损失,在理论研究中也提出了许多基于热力学第二定律的评价方法,即分析换热设备中火用的转换、传递、利用和损失的情况[6-7],采用各种火用效率来作为评价指标。它与熵产分析法类似,能从能量的质量上来讨论流动与传热的关系。 有些学者还提出热经济分析法[8],它是将技术和经济融为一体,不仅研究体系与环境之间的相互作用,还研究体系内部的经济参数和环境经济参数之间的关系,是热力学第二定律和经济优化技术结合的产物。通过二者的结合,可对热交换器做出全面的性能分析。它以第二定律分析法为基础,而最后得到的结果却能直接地给出以经济量纲表示的答案。热经济分析模型的建立,包括确定热分析目标函数、约束条件的确定和换热器热分析模型求解及分析等。由于热经济学分析法涉及面很广,比较复杂,使用中还有许多具体问题,所以国内目前尚未在工程设计中正式使用。 2·工业换热设备能效评定方法 从上述换热设备评价方法可以看出,目前已在使用和正在探索中的一些针对工业换热设备的能效评定方法一般都是用一个或多个指标从一个方面或几个方面来评价换热器的性能[9]。由于工业换热设备的类型众多,且各种强化传热手段层出不穷,所以对换热设备能效的评价主要是应用已发表的著作和文献中提供的方法,缺乏全面、完整的评价体系。文章旨在提出一种工业换热设备能效评定方法,既能真实综合反映工业换热设备的实际现状,又具有实际可操作性。 2·1 工业换热设备能效评定框架 虽然用于工业过程中进行热交换的工业换热设备种类和影响因素繁多,许多参数测试存在一定的难度,但其均依据相同的换热基础理论。基于此提出以工业换热设备易于测试的温度、压力、流量和换热面积等基本特征参数为基础,以其换热基础理论的基本定义为计算依据,计算得到其热效率、实际换热热流量、最大理论换热热流量、对数平均温差、总换热系数、传热单元数、一次流体相对压降、二次流体相对压降和相对总压降等参数。在综合考虑工业换热设备的实际使用现状和发展趋势的基础上,以热效率、相对总压降和传热单元数作为测试评定依据。 2·2 工业换热设备换热元件的热效率 工业换热设备换热元件的热效率η[10]为换热元件的实际换热热流量Φ与最大理论换热热流量Φmax之比,同时也是冷热流体中热容量小的流体的“进出口温度差”与“冷热流体进口温度差”之比,反映了换热元件中“冷热流体进口温度差”的利用率。流过换热元件的热流体释放或冷流体获得的热量即实际换热热流量,由热容量Gcp和进出口温差求得。换热元件中可能利用的最大温差是冷热流体的进口温度差,理论上只有冷热流体中热容量小的流体可能获得最大温差。 η=Φ/Φmax×100% (1) Φ=(Gcp)minΔtmin(2) Φmax=(Gcp)min×(t1i-t2i) (3) 式中:η为热效率,%;Φ为实际换热热流量,W;Φmax为最大理论换热热流量,W; G为一次、二次流体的质量流量,kg/s; cp为一次、二次流体的平均比热容,J/ (kgK); (Gcp)min为一次、二次流体热容量的较小值,W /K;Δtmin为一次、二次流体中热容量较小的流体的进出口温差,K; t1i为一次流体的进口温度,K; t2i为二次流体的进口温度,K。 2·3 工业换热设备换热元件的传热单元数 工业换热设备换热单元的传热单元数NTU[11-12]由其理论定义式进行计算,即根据实际换热热流量Φ、对数平均温差Δtm和总换热面积A求得总换热系数测试值K,再由总换热系数测试值K、总换热面积A和冷热流体中较小热容量(Gcp)min求得。工业换热设备换热单元热效率是传热单元数和热容比的函数C*[13]。 在热容比一定的条件下,换热单元热效率随传热单元数的增加而增加,且最终换热效率均趋近于1;但当传热单元数的数值超过5时,换热单元热效率随传热单元数的增加而增加的幅度已很小。在传热单元数一定的条件下,换热单元热效率随热容比的减小而增加;该方法中按热容比C*=1来确定换热单元热效率,即换热单元热效率为在传热单元数一定条件下的下限值。 NTU=KA/(Gcp)min(4) K=Φ/AΔtm(5) Δtm=(Δtd-Δtx) /ln(Δtd/Δtx) (6) C*=(Gcp)min/(Gcp)max≤1(7) 式中: NTU为传热单元数; K为总换热系数测试值,W / (m2K); A为总换热面积,m2;Δtm为对数平均温差,K;Δtd为大温差端一次、二次流体间的温差,K;Δtx为小温差端一次、二次流体间的温差,K。 2·4 工业换热设备换热元件的相对总压降 工业换热设备换热元件的相对总压降ψ[14]为工业换热设备换热元件一、二次流体的进口压降ΔP1、ΔP2与工业换热设备换热元件一、二次流体的进口绝对压力P1i、P2i的比值之和。工业换热设备换热器换热元件一次、二次流体的相对压降与换热单元数NTU均存在如下函数关系: ψ=ΔP1/P1i+ΔP2/P2i×100% (8) ΔP /Pi=f×NTU (9) ψ=(f1+f2)×NTU (10) 式中:ψ为相对总压降;ΔP1为一次流体的进出口压降,Pa;ΔP2为二次流体的进出口压降,Pa; P1i为一次流体的进口绝对压力,Pa; P2i为二次流体的进口绝对压力,Pa; f为一次、二次流体的流速、换热面几何尺寸、流体物性等因素对压降影响的系数。 2·5 工业换热设备能效评定体系 工业换热设备能效评定不仅仅是热效率单一指标的评定,而是设计、制造和使用管理等诸多因素的综合评定,在能效评定的过程中所需测量的参数均应简单易得,具有一定的使用价值,其能效评定方法普遍适用各种类型的工业换热设备。在此能效评定的基础上,综合国内外工业换热设备的实际状况,结合能效标识制度予以分级表示,建立由高至低的工业换热设备的能效综合评定体系。 3·结束语 (1)综述了换热设备性能的评价方法。根据工业换热设备能效评定的特点,提出了在工业换热设备换热元件热效率η和相对总压降ψ之间引入传热单元数NTU这个无量纲作为中间量的框架,进而可以通过简单易测的数据完成工业换热设备基本特征参数的测试。 (2)提出的工业换热设备能效评定方法评定因素综合全面,评定结果简单明了,更能准确评定工业换热设备能量利用的技术水平和经济性,对于提高工业换热设备运行中的能效水平,推进新型高效节能工业换热设备的开发、制造和应用具有指导意义。 参考文献 [1]倪振伟等·评价换热器热性能的三项指标[J]·工程热物理学报, 1984, 5 (4): 387-389· [2]李友荣等·一项评价换热器性能的热力学指标[J].重庆大学学报, 1993, 16 (6): 51-55· [3]邓 先等·换热器在多种冲刷条件下的传热强化性能评价[J]·华南理工大学学报, 2002, 30 (3):44-45· [4]徐国想等·换热器传热强化性能评价分析[J]·淮海工学院学报, 2005, (2): 42-44· [5] Bejan A·The conceptof irreversibility in heat exchang-er design: counter flow heat exchangers for gas to gasapplications [J]. JHT transASME, 1977, 99 (1):374-380· [6]吴双应等·换热器性能的火用经济评价[ J]·热能动力工程, 1999, 14 (11): 437-440· [7]杨波涛,戚冬红·管壳式换热器火用损分析[J]·石油化工设备, 2001, 30 (4): 21-24· [8]郭宏伟·热交换器性能的热经济分析[J]·化学工业与工程技术, 2002, 23 (1): 19-20· [9]尾花英朗著,徐忠权译·热交换器设计手册[M]·北京:石油工业出版社, 1982· [10]史美中,王中铮·热交换器原理与设计[M]·南京:东南大学出版社, 2003· [11]杨世铭,陶文铨·传热学[M]·北京:高等教育出版社, 1998· [12] Tan J. O., Liu C. Y.. Predicting the performanceof a heat pipe heat exchanger using the NTU method[J]. Int. J. ofHeat Fluid Flow, 1994, 11 (4):376-379· [13]熊大曦等·换热器的效能与熵产分析[J]·工程热物理学报, 1997, 18 (1): 90-94· [14]李朝祥等·填充床蓄热式热交换器的阻力特性实验研究[J]·钢铁, 2003, 38 (10): 47-50·万雪：编辑 |
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