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多股流换热器的柔性特性及柔性设计研究点击：1758 日期：[ 2014-04-26 22:32:04 ] |
| 崔国民 杜娟丽 卢洪波 李美玲 张勤 (1.上海理工大学热工程研究所432信箱，上海200093; 2.东北电力学院动力系，吉林吉林132012) 作者简介:崔国民(1969--)，男，吉林双辽人，教授，从事能源系统优化和控制、数值传热及工业目动化控制研究. 1前言 任何一台换热器都是针对其特定工况设计和制造的，因此，保证设计工况运行的高效性是其最基本的要求。但是，任何的工业过程都是一定范围内的动态过程，完全静止于设计工况的情况是十分罕见的。那么，当实际的工况在设计工况附近发生长期或者短时间的偏离后，换热器的性能会发生怎样的变化?流体出口的工艺参数是否会产生的大的偏离?这些都是在实际运行中经常遇到和需要解决的问题。 另一方面，换热器的设计是决定其投资和运行费用以及保证生产工艺的最重要环节之一，好的设计方案直接决定了其投资和运行的经济性，因此，关于换热器的优化设计尸直是国内外研究的一个热点，国外许多大公司都相继推出了自己的换热器设计软件.鉴于此，本文在分析现有换热器设计方法的基础上，通过分析换热器自身的柔性，提出了基于变工况的柔性设计思想，旨在融合换热器的设计和运行，为换热器的优化设计提供一种新的思路。 2换热器的柔性 当给换热器提供稳定的工况参数后，换热器将进入一种运行的平衡状态一一稳定运行状态，其各种参数及自身状态都处于平衡，不再随时间变化。但是，当有外来作用使其偏离稳态工况后，如果没有外界的作用，系统将不能恢复到原来的工况的平衡点，换热器将以偏离工况点和新的出口参数建立一种新的平衡。据此，我们分析当工况发生偏离后换热器性能和出口参数偏差的变化情况。 当换热器到达一个新的平衡状态，其性能和出口参数都将发生变化。考虑到换热器针对于设计工况的优化设计，在小范围内，我们认为其性能处于最优，该范围的大小由优化设计方法决定。那么，这个小范围内，能近似地认为换热器性能和出口参数的变化关系具有图1的形状，即:当换热器偏离原设计工况后，其性能将降低、出口参数偏差将增大。 对于不同换热器来说，出口参数偏差随着工况变动的变化是不一样的，如图1所示.图l(a)的情形表明，当偏离很大时，换热器性能和出口参数偏差仍然能够维持在设计工况附近，可以认为没有发生变化;而图1(b)的情形则正好相反，很小的工况偏离就能造成很大的性能和出口参数偏差变化，即(a)的虚线范围(参数近似不变区间)远远大于(b)。根据这一通用特性，我们定义换热器柔性的概念: (l)换热器在偏离设计工况或其他稳态工况后，能够维持原有性能参数的能力叫做换热器的柔性; (2)当工况发生偏离后，换热器的性能能够基本维持不变的工况区间，称为柔性区间; (a)柔性区间的大小反映了换热器柔性的大小. 从这些定义可以看出，所谓的换热器柔性就是指换热器的变工况或者偏离设计工况的能力。因此，我们可以应用换热器柔性的概念来衡量一个换热器的变工况适应能力，并且作为换热器设计的一个评价指标。 3换热器柔性分析 如前所述，分析换热器柔性的目的是为了提高换热器自身适应工况变动的能力，并用其指导换热器的设计。因此，本文主要从换热器的结构参数和设计参数等方面研究其柔性特性，即这些参数对柔性大小的影响。 以换热器目标流体的出口温度作为衡量偏离工况的指标，即作为柔性参数，分别讨论在不同入口参数偏离条件下的柔性区间大小，由于偏离可以来自于不同的入口参数的单独作用，也可以来自于多个入口参数的同时作用，这样就会得到分别作用下和联合作用下的多变量空间，称这个空间为换热器的柔性空间。对表1所示5通道换热器及其流体参数进行分析。 根据工艺要求，柔性参考指标取为0.1℃，可以分别获得换热器单独入口参数作用下的柔性区间，如表2所示。从表中可以看出，当其他参数不发生变化时，任何一个入口参数都将存在一个可以上下波动的区间，该参数在这个区间内的任何变化不会对目标流体的出口参数产生大的影响，即不会使目标流体出口参数超出工艺要求范围，因此该区间即为变化参数单独作用的柔性区间。另外，对于不同的入口参数，其允许变化的区间有很大的不同，一般来说，辅助流体的柔性区间总是大于目标流体，而温度的柔性区间总是小于流量。因此为了保证目标流体的工艺条件，对辅助流体的要求可以适当放宽一些，目标流体则要求较高;而对流量的要求低于温度的要求。 上面是对单一入口参数变化所进行的柔性分析，但是，换热器的所有参数总是同时在波动的，并且参数之间存在强烈的祸合作用，因此，多参数联合作用而产生的换热器柔性区域并不能通过单一参数作用柔性区间的简单合成得到，而是要充分考虑参数间的相互作用。另外，由不同数目入口参数而产生的柔性区域图形也是不同的，对于单参数是线区间，双参数则是面区域，而三参数及以上则得到三维柔性空间或多维柔性空间。为了简化，认为柔性区间内的换热器特性是线性的，符合叠加原理，则可作图2和图3所示的入口流量和入口温度柔性平面. 从图2和图3可以看出，在双参数联合作用下，柔性区间形成一个狭长的平面带状区域，在该区域内，由于流体的相互作用，使得两参数同时增加或减小的柔性区域缩小，而两参数出现增加和减小匹配情况时，柔性区间显著增大，即可以沿着该趋势一直延伸下去，这主要是流体参数正变化的作用与另一参数负变化相抵消的结果，这就使得内.柔性分布平面上产生二、四象限区域增大，而一、三象限区域减小。然而，实际的工况尽管存在波动，但是，其总是在一定参数范围内变化的，因此该范围给出了实际的柔性空间图形区域。因此，在换热器运行中，多参数产生的同方向小的变化所造成的出口参数偏差也将大于单参数大的变化，这是运行中更需要注意的问题。总之，多参数共同变化的柔性空间内，换热器的目标流体温度将不会偏离工艺要求，因此说在此区间内换热器具有柔性，工况的偏离可以通过换热器自身的调节来适应。 4换热器柔性对其设计的指导 根据前文分析，当以两个参数对换热器进行柔性分析时，不管以换热量还是目标流体出口温度，抑或是换热器的换热效率等参数作为柔性参考指标，都能得到换热器的一个柔性运行工作带，在此带中的所有工况点都能实现大致相同的换热效果。那么，如果换热器所涉及的所有工况点都分布在该带内部，则在所有工况点中都能达到换热要求。这样，就不必担心工况点变动后换热性能的恶化问题，因此这是多工况点换热器柔性设计的基本指导思想。但是，在实际中，由于工况点的分布不同，有时其参数变化很大，即工况点很分散，而任何一台换热器的柔性是有限的，我们不能通过针对任何一个工况点的设计来将所有工况点全都包括进入柔性运行带，因此，这就又给柔性多工况点设计提出了新的问题。 4.1多工况点具有相同权重的虚拟工况点引入 在实际运行中，有时换热器运行的多个不同工况点具有同样的重要性，即具有相同的权重，例如，四季交迭的工况点变迁就属于这种情况.这时，我们不能忽视任何一个工况点的性能。这里，我们以两参数变化来研究这种情况的柔性设计问题.根据文的分析，针对任何一个工况点的设计都可以得到一个以该点为中心的柔性工作带，对于具有相同权重的工况情况，可以用下图示出以不同工况点进行设计的柔性工作带分布情况。 从图4四季工况及其可能的柔性运行空间分布图可以看出，当以任何一个工况作为原始设计点时，都不能使其柔性运行空间包括所有的工况点:春季工况点的柔性运行空间只包含夏季，而将秋冬两季排除在柔性空间以外;夏季的柔性运行空间可以包含春冬两季，但将秋季排除于柔性空间以外;秋季工况柔性空间只包括冬季，夏季则处于其柔性空间的外边缘，而秋季则距之很远;冬季的柔性运行空间也只能包含春季一个工况点。虽然上图只是一个示意性的，但其却反映出一个换热器设计中的本质问题，即以任何一个工况点作为设计基准，都不能完全兼顾所有工况，都会造成部分工况换热性能恶化，否则只能以浪费换热面积来补偿。 鉴于此，我们提出了一个虚拟运行工况的设计思想，即在众多的运行工况中间，建立一个假想的工况点，以此工况点作为原始设计依据，使其柔性空间能够包容所有工况点.又由于该虚拟工况点只有界于所有工况点之中才能实现上述目的，因此，以该点作为设计基准不会造成大的换热性能偏差.虚拟工况点设计示意图如图5所示。 图5中，V所代表的工况点为引入的虚拟工况点。从图中可以看出，虚拟工况点不属于任何实际的运行工况点，但是，通过比较图4和图5，可以看出，即虚拟工况点必须位于部分实际工况或全部实际工况的柔性运行空间之内，这样才能保证基于虚拟工况点的设计与针对实际工况点的设计具有近似相同的换热能力，也是选择虚拟工况点必须遵循的一点;另一方面，也可以看出，通过虚拟工况点的设计，不能实现任何一个实际工况点的最优化，但是，却实现了所有工况点运行性能同处于较优水平，这样就兼顾了所有实际工况。在这里，设计的主要任务是在所有工况点中间适当位置确定虚拟工况点，然后再对虚拟工况点的柔性空间进行结构优化。 4.2不同权重的主要运行工况设计法 与上节讨论的问题不同，有时，在实际运行过程中，虽然工况点很多，但是，换热器在多数时间只是运行于部分工况点处，其他工况点虽然也会涉及到，只是短时间和暂时的，例如，实际运行中的负荷变动过程、工艺调节过程以及其他的间歇过程都会出现这种情况。在这种情况下，如果一味地追求兼顾所有工况，那么就很可能造成主要工况性能变差，次要工况尽管性能得以保证，但是换热器却很少光顾，因此造成了无端的性能下降(如图6所示)，图中，实心点是主要工况，空心点为次要工况。从图中可以看出，尽管兼顾了所有工况点，但是虚拟工况点处于主要工况点一侧，使得设计的换热器性能将很大地偏离主要工况点的最优值。 鉴于此，这里提出了围绕主要工况点的多点柔性设计方法，即:首先对实际运行过程进行分析，找出主次工况点，使得主次工况点尽量处于同种权重(主次界限可以由实际情况具体分析)，然后，采用前面的虚拟工况点设计方法进行设计，针对图6所示的情况，可以得到图7所示的设计方案。 从图7可以看出，采用围绕主要运行工况点的设计方法，虽然没能把所有工况点全部包容入柔性工作区，但却使虚拟工况点更接近实际的主要运行工况点，因此将很大地提高主要工况点处的运行性能，实现换热器总体的高效运行。 总之，柔性设计的思想就是要求把设计和实际运行结合起来，用运行来指导设计，从而得到具有高效运行性能的设计方案。 5结论 本文从运行和调节的角度提出了换热器柔性的概念，并对柔性空间及其对换热器设计的指导进行了分析。结果表明:换热器的柔性直接关系到其实际运行的变工况适应能力，如果在设计换热器的同时就将柔性考虑进来，那么对于获得性能稳定、适应性强的换热器是极其有益的。 在换热器设计方面，考虑变工况运行的柔性设计思想，分别对多工况点等权重设计条件和多工况点不等权重设计条件进行了具体分析，并且相应地提出了虚拟工况点设计方法和主要运行工况点决定设计工况的方法。该文的柔性设计思想为换热器的设计提出了一种新的思路和方法。 参考文献 【1」C C Lakshamanan，0 E Potler.Cinematic Modeling of Dynamics of Counter-current Systems.Computer Chem. 1990，14(9):945一956 [2]陈长青，沈裕浩编著.低温换热器.北京:机械工业出版 社，1993.1一36 【3」prasad B 5 V.The Performance prediction of Mult stream Plate-Fin Heat Exchangers Based on Stacking pattern·Heat升ansfer Engineering，1991，12(4):58一70 [s]卢洪波.多股流板翅式换热器特性及运行研究:[博士论 文l·上海:上海理工大学，2003 |
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