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换热器特性参数与热力性能熵产分析点击：1793 日期：[ 2014-04-26 22:21:20 ] |
| 换热器特性参数与热力性能熵产分析 余敏 马俊杰 杨茉 卢玫 (上海理工大学动力工程学院 上海200093) 摘要:引入无量纲熵产数ＮＳ表示换热器热力完善程度,对换热器进行性能熵产分析与评价,研究了表征换热器换热性能的特性参数:进口温度比α、预热温度比β、水当量比Ｗ、效能ε、传热单元数ＮＴＵ及流型对换热性能的影响及相关关系。研究表明,ＮＳ值随α增大而增大;提高β值(大于临界值),可降低ＮＳ值;ＮＴＵ值应大于1,考虑经济性,其值不宜过大;Ｗ<1的非平衡流是造成有效能损失的原因;应使Ｗ趋于1;ε值大于0.5而趋于1,可减少不可逆性及提高换热率。通过熵产分析,可揭示换热器能耗产生的原因,确定热力参数的优化匹配,达到节能目的。 关键词:换热器;热力特性参数;熵产分析;热力性能评价 中图分类号:ＴＫ124 文献标识码:Ａ 引 言 能源消耗的飞速增长要求人们更有效地利用能源,减少能量损失显得尤为重要。换热器作为能源、化工、轻工和动力等众多工业领域中使用最为广泛的热力设备之一,对其进行优化以提高性能,对于改进热力系统用能过程,降低能量消耗具有非常重要的意义。熵产分析基于热力学第二定律,从能量利用的质量角度出发,是评价换热器热力性能完善程度的指标[1]。用它指导换热器设计,使其接近热力学上的理想状况,还可从能源合理利用角度比较不同换热器传热和流动性能的优劣。本文根据表征换热器换热性能的诸因素,提出了换热器热力特性参数的概念,同时引入无量纲熵产数ＮＳ,对基本流型换热器进行热力过程不可逆性分析和完善程度评价,探讨了热力特性参数对换热性能的影响及相互关系,为工程应用提供参考。 1 换热器熵产数分析 Ｂｅｊａｎ将熵产数的概念应用于换热器热力不可逆分析[2],它是换热器热力性能完善程度的评价指标,其值大表明换热器热力不可逆性高,有效能损失大,热力完善程度低;ＮＳ值低则相反。 以换热器为控制容积系统,进出口有工质流动,外表面视为绝热,并与环境无功交换,冷热流体间只有热传递。对于这样的换热器模型,其熵产为: ｓｉｒｒ=Δ ｓｈ= ｍｈΔｓｈ+ ｍｃΔｓｃ(1)由热力学第一定律知:Ｔｄｓ=ｄｈ-(1/ρ)ｄｐ,得到: 式中:Ｗ—水当量比。下标:ｈ和ｃ—热、冷流体;1、2—进口和出口。式右边第一、二项是传热引起的不可逆损失;第三、四项是粘性流动引起的不可逆损失,对换热器不可逆性的分析应考虑传热与粘性流动两方面。Ｈａｎｙ对平衡流和非平衡流换热器[3],在不同Ｒｅ数、换热通道几何参数(4Ｌ/Ｄ)、进出口参数(Ｔｃ/Ｔｈ)条件下,进行传热和粘性流动与熵产关系的研究,发现换热器中流动引起的熵产和由传热引起的熵产相比很小,ＮＳ主要取决于传热因素。也可通过对下式分析得出: 由式(4)～式(7)看出,当Ｒｅ数为一定值时质量流率和阻力系数可得到确定,压降也相应确定。式(3)中,ＮＳ值只和温度比有关。Ｒｅ数增加会使ＮＳ相应地增加,但与温度变化导致ＮＳ值的增加相比是非常小的。式(3)显示,流动熵产项乘了因子Ｒ/ｃｐ(Ｒ/ｃｐ<1)。鉴于流动引起的熵产和由传热引起的熵产相比很小,可忽略不计,式(3)变为: ＮＳ=(1/Ｗ)ｌｎ(Ｔｈ2/Ｔｈ1)+ｌｎ(Ｔｃ2/Ｔｃ1)(8) 2 换热器特性参数 式(8)中,温度Ｔｈ1、Ｔｈ2与效能ε相关,为深入对换热器熵产数分析和换热性能的认识,定义以下无量纲数(换热器热力特性参数): 由图1和图2可见,在水当量比Ｗ和进口温度比α一定情况下,ＮＳ随着温度比β的增加而呈抛物线状发展,从ＮＳ低值增至最大值后递减。ＮＳ最大值对应的β值可由式(9)得到:临界βｃ=(Ｗ+α)/(Ｗ+1),βｃ对应的温度Ｔｃ2为临界温度,Ｔｃ2=(Ｔｈ1+ＷＴｃ1)/(1+Ｗ)。水当量比Ｗ为1.0时,当α=β(理想情况),可使ＮＳ=0;Ｗ小于1.0时,即使理想情况下,即α=β,ＮＳ也不为零,在α和Ｗ一定时,尽可能使β大于βｃ,而趋近于α可减小ＮＳ。适当选择Ｗ和β可以减少传热过程中的ＮＳ。而对于Ｗ和β一定情况下,热流体的进口温度愈高,α愈大,ＮＳ愈高,可用能损失就愈大。 2.2 特性参数ＮＴＵ、Ｗ及流型对换热性能的影响 熵产数ＮＳ不仅取决于Ｗ、α、β,还取决于传热单元数ＮＴＵ、流动型式等。下面分析了换热器的流动型式、ＮＴＵ及Ｗ对换热性能的影响。 顺流换热器的对数平均温差: 由上式可得不同水当量比Ｗ和传热单元数ＮＴＵ与熵产数ＮＳ的关系(见图3和图4)。 由图3可知,顺流换热器在α和Ｗ一定情况下,ＮＳ随着ＮＴＵ单调递增,在ＮＴＵ小于0.5范围内递增过程非常明显;当ＮＴＵ趋于1,ＮＳ缓慢趋于一稳定值。ＮＴＵ是换热强度的无量纲度量,在ＮＴＵ小于0.5的区域,熵产数虽甚小,但换热能力差,对于实际工程应用是不可行的。由图4可知,对于ＮＴＵ和α一定情况下,Ｗ愈大,其传热过程的熵产数愈小。当Ｗ远大于1,其ＮＳ的确较小,但在工程应用中,这种非平衡流配置不合理,因此从能量合理匹配与利用角度,使Ｗ趋于1,相应取得较小的熵产数ＮＳ。 逆流换热器平均温差代入能量平衡式,得: 可得不同水当量比Ｗ和传热单元数ＮＴＵ与熵产数ＮＳ的关系(见图5和图6)。 值相等[4],但随着ＮＴＵ的增加而逐步减少。逆流换热器当ＮＴＵ很大时,熵产数可以很小,即可用能损失很小。因此在逆流换热器设计时,ＮＴＵ应远大于1,这样不仅换热能力量大,而且有用功损失明显减少,ＮＴＵ愈大,熵产数愈小。图6显示,ＮＴＵ取较大值时,ＮＳ随Ｗ增加而减少,在Ｗ=1处取得最小值。 由图7和图8知,叉流换热器的热力性能介于顺流和逆流换热器之间,在ＮＴＵ小于1范围内,ＮＳ(叉流)和ＮＳ(逆流),ＮＳ(顺流)差别不大,ＮＳ(逆流)略高于ＮＳ(顺流)。ＮＴＵ大于1时,ＮＳ(逆流)总是低于ＮＳ(顺流),差别非常明显,可见,逆流和叉流换热器总体上是优于顺流换热器的。ＮＴＵ越大,一定程度上传热量也越大,对于叉流和逆流换热器,却可以得到更小的熵产数,能量损失也越少,但随ＮＴＵ的增加,ＮＳ减小趋势相应减缓,所以不宜采用过高的ＮＴＵ值,否则投资费用的增加大于熵产数ＮＳ降低所获得的效益。 2.3 熵产数Ｎｓ与效能ε的关系 文献[6]指出,在进出口温度均匀条件下换热器的效能与熵产数之间存在对应关系,它们都是表征热力学完善程度的。这种对应关系对于换热器优化与设计的影响,相关文献所提供的信息很少。本文对效能与熵产数的对应关系进行了探讨。 经推导得: ＮＳ=ｌｎ{[(α-1)ε+1][1-(1-1/α)εＷ]1/Ｗ}(15) 图9为Ｗ=1(平衡流)和Ｗ=0.5(非平衡流)时,熵产数ＮＳ随着不同温度比α与效能ε的关系,图中1、2分别代表在Ｗ=0.5和Ｗ=1情况。对于平衡流,ＮＳ～ε呈抛物线型,ＮＳ随着ε增加,增加到最大值(此时ε=0.5,ｄＮＳ/ｄε=0)然后逐渐减小,ＮＳ最小值出现在ε最小或最大处。ε的减小意味着传热的减弱,ＮＳ明显地减小而趋于零。对ε值小的换热器,因其较差的工况和不合理的设计是没有存在的必要。由图可见,换热器的效能应大于0.5,这样在较大ε的情况下,不仅工况合理且可实现较小的不可逆损失。 对于非平衡流换热器,ＮＳ随着α增大而增大,随着Ｗ增大而减小。相同α情况下,ＮＳ(非平衡流)与ＮＳ(平衡流)曲线相比,随ε增加过程中有所不同,其ＮＳ值在ε=0.5后,继续增大至最大值,然后减小,减小幅度也没有平衡流换热器那么明显。 在ε=1,忽略压降理想情况下,式(15)可简化为: ＮＳ=ｌｎ{α[1-(α-1)Ｗ/α1/Ｗ}(16) 对于平衡流Ｗ=1,ε=1,压降为零,ＮＳ=0,可视为不存在不可逆损失;对于非平衡流Ｗ≠1,其不可逆性随温度比增大、水当量比减小而增大。可见,流动的非平衡配置造成换热器不可逆性的发生[3]。综上分析,ε的增加会使ＮＳ增加,直至ＮＳ最大值(取决于α的不同)然后减小。对于平衡流换热器,其最大值位于ε=0.5处。非平衡流换热器则在大于0.5处。鉴于低效能意味着低换热率,建议换热器的ε大于0.5而趋于1,可兼顾低不可逆性及高换热率。提高Ｗ使其趋于1的平衡流配置,可降低换热器不可逆损失。 为验证上述理论,本文对一用于水源热泵的逆流式套管换热器进行实验研究。在热流体水当量和进口温度比α恒定,冷流体不同流量情况下,对换热器熵产数ＮＳ(由式(13)得到)和实验计算值(根据进出口参数由式(1)和工质热物性得到)进行比较。 由图10可见,理论和实验计算值相当吻合,证明本文的数学模型及方程的建立是正确的。 3 结 论 (1)熵产数ＮＳ值大表明换热器热力不可逆性高,热力完善程度低,有效能损失大,能量未得到有效利用;ＮＳ值低则相反。 (2)对于Ｗ和β一定情况下,α愈大,ＮＳ愈高,可用能损失就愈大。在α和Ｗ一定时,尽量提高预热比β,使其大于临界值,相应ＮＳ减小。 (3)ＮＳ随ＮＴＵ的变化视流动型式的不同而不同。ＮＳ在ＮＴＵ小于0.5范围变化显著,在ＮＴＵ为1趋于最大值。ＮＴＵ值小于0.5时,对工程应用没有意义,ＮＴＵ值应大于1。当ＮＴＵ增加到一定范围,ＮＳ降低趋势减缓,鉴于投资经济性,换热器不宜采用过大的ＮＴＵ。 (4)ＮＳ随α增大而增大,随Ｗ增大(趋于1)而减小。在其它条件相同情况下,平衡流传热过程中ＮＳ最小。水当量比Ｗ<1的非平衡流是造成有效能损失的一大原因,应使Ｗ趋于1可降低换热器不可逆损失。 (5)ＮＳ随ε增加呈抛物线趋势达到最大值(取决于α的不同)后逐渐变小,对于平衡流换热器,其ＮＳ最大值位于ε为0.5,非平衡流换热器的ＮＳ最大值在ε大于0.5处。换热器的ε应高于0.5而趋于1,可兼顾低不可逆性及高换热率。 在工程技术领域中,换热器的应用非常广泛,通过熵产分析可揭示换热器能耗产生的原因,确定热力参数的优化匹配,提供热力优化手段,达到节能目的。 |
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