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从热力学角度对传热及强化传热问题的探讨点击：1957 日期：[ 2014-04-26 22:42:47 ] |
| 石锦妹,刘彦丰,梁秀俊 (华北电力大学能源与动力工程学院,河北 保定 071003) 为实现可持续发展,能源界不断对热力学节能的理论和技术进行深入研究和探讨。火用作为评价能量价值的重要参数引起人们的重视。它从“质”与“量”的结合上规定了能量的价值,深刻地揭示了能量转换过程中能量变质退化的本质。火用分析与优化则是从火用平衡方程和火用效率出发,对能量的转换和传递、用能过程、能量的回收和利用等方面进行分析研究,揭示过程的火用损失,指出火用损失的关键部位,并进一步进行节能改造和优化。本文试图应用火用分析的方法对传热及强化传热领域的一些问题进行合理解释,以期揭示出过程的经济性及合理性所在。 1 火用及火用分析法 能(用Q表示)有两个属性:数量的大小和品质的高低。在环境条件下任一形式的能量在理论上能够转变为有用功的那部分称为能量的火用,用EX表示;其不能转变为有用功的那部分称为该能量的火无,用An表示。在一定的能量中,火用占的比例越大,其品质越高。建立了能量的品质观后,关于能量的概念发生了根本性变化。热力学第一定律可表述为:“在任何能量转换过程中火用和火无的总和保持不变”。而热力学第二定律可综述为“孤立系统火用减火无增原理”。根据热力学第二定律,能量转化过程是沿火用减火无增的方向进行的。火用的减少不但表明能量数量的损失,而且表明能量质量的贬值,这才是真正意义上的能量损失。所谓用能,实质上就是用火用;节能,实质上就是节火用;因此在用能过程中,就应该充分、有效地发挥火用的作用,尽可能减少不必要和不合理的火用损失,尽量避免宝贵的火用轻易地退化为火无。当前,传热与流动系统的火用分析研究向着以下几个方向发展:a)拓宽研究领域;b)发展更科学合理的评价方法和指标;c)与传热学和流体力学更加紧密地结合,实现火用损准确计算,可以肯定地说火用分析将在能源问题的解决上发挥重要的作用。 2 对流换热过程分析 对流换热过程是在有温差下的传热和有压力损失的流体流动过程的综合,是一个不可逆的热力学过程。要减少传热过程的不可逆损耗,就应该从减少传热温差和减少阻力着手。结构一定的换热器,通常流体阻力一定(忽略随着换热器内垢层增厚,阻力增大的因素)。因此,影响传热过程火用损耗的因素主要是传热温差。实际在换热设备中,往往由于流体的温差分布不合理,有较大的传热温差引起的火用损。概括地说,在热力学中,温差是不可逆因素,故人们希望温差越小越好。可是,从传热学角度看,温差的存在是热量传递的推动力,自然希望它越大越好。这就构成了矛盾!设某换热器,若不计此换热器的散热损失,高温流体A在温度为TA时将热量Q传给温度为TB的低温流体B,TA>TB。 根据热力学第一定律,高温流体放出的热量QA即为低温流体得到的热量QB,即|QA|=|QB|=Q。 传热过程的火用损耗应为: ΔEX=QA(1-T0/TA)-QB(1-T0/TB)=T0Q(TA-TBTATB),(1) 式中,Q为高、低温流体的传热量,取正值。若为变温传热,即TA、TB都是变量,此时将式(1)中的TA、TB都用热力学平均温度TA、TB来代替即可。应用火用损耗的基本关系式,传热过程的火用损失还可用下式计算: ΔEX=T0ΔS物系=T0(ΔSA+ΔSB), 式中,ΔSA、ΔSB分别为高、低温流体的熵变。式(1)表明,换热设备即使没有热损失,热量在数量上完全回收,仍然有火用损失。当环境温度T0、传热量Q一定时,传热过程的火用损失正比于传热温差(TA-TB)。这说明:能耗费随传热温差减小而降低,但对一定的传热量,为减少传热温差必须增加传热面,这就势必导致设备投资费用的增大。这里存在能耗费与投资费的矛盾。 3 矛盾的解决:最佳推动力原则 任何热力学势差都是不可逆因素,都会导致过程的火用损失。因此,能量利用的中心环节是在技术和经济条件许可的前提下,采取各种措施,寻求过程进行的最佳推动力,设法减少火用损失,以提高能量的有效利用率。这也正是在矛盾的相对性和绝对性原理面前,我们应该采取的科学态度。有了此准则,以上分析过程中出现的一系列矛盾就迎刃而解了。因此,设计热质交换设备时,要进行优化计算,以获得最大的经济效益。热质交换设备的优化设计,就是要求所设计的热质交换设备在满足一定的要求下,人们所关注的一个或数个指标达到最好。这实际上就是不同类型的最优化问题,可借助《规划数学》的知识来求解,求解方法有:单纯形法、惩罚函数法、拉格朗日乘子法等多种,在此不再详述,读者可参阅相关书籍来了解这些方法。 4 对强化传热(传统观念)的一些思考 4.1 关于工程上换热设备一般采用逆流式的思考以下以一个简单而具有典型意义的套管式 换热器为例:换热器的换热量为: Φ=kAΔtm(2) 式中,Δtm是整个传热面积上的平均温差。在各种流动型式中,顺流和逆流可以看作是两种极端情况。在相同的进、出口温度条件下,逆流的平均温差最大,顺流的平均温差最小。而其他流型(如:串联混合流,平行的混合流,交叉流)的平均温差介于它们之间。逆流的平均温差最大,却采用它,这看上去是矛盾的,其实不然。因为是在给定冷、热流体的入口温度的前提下,即冷、热流体的总温差一定了,在这个基础上,用强化传热的思路:改变温度分布—采用逆流(其平均温差大)来强化传热。从式(2)看,亦可得出同样的结论。又因为冷流体出口温度可以大于热流体的出口温度,说明和其他流型相比,逆流将冷流体的能量品位提高到更高的层次。从这些方面来看,换热器应当尽量布置成逆流,而尽可能避免作顺流布置。工程上就有“增强逆流传热效应”的提法。而板式、螺旋板式、板翅式、热管等各种新型换热器之所以能有更好的传热性能而深受欢迎,其中原因之一就是它们多有逆流传热效应好等优点。 4.2 适当减少过程的推动力 传统的设计方法,往往追求推动力来强化过程,这样虽然可以减少设备投资费,但却增加了过程的火用损,从而增加了长期运行的能耗费。这种做法在能源充足、价格相对低廉的条件下是可行的,但从节能的观点分析却是不合理的。适当地减少推动力,若不增大设备而又能保证必要的过程速率,就得设法降低过程的阻力,这就需要研制新型、高效的设备。例如,传热过程采用板式换热器、热管换热器等等。另外,在操作管理和设备上的维修上,要注意防垢、防腐,保持运行中热阻不增大,这样也可以避免因实际推动力增大而导致能耗的增加。对于完成确定换热量Φ任务的某换热器而言,当Φ和换热器面积A确定的条件下,k与ΔT成反比,显然为减少火用损失就要减少温差ΔT。这里就存在一个ΔT减少的极限问题,在这一极限条件下产生的火用损失就是换热器的不可避免火用损失。由传热方程式知,为减少温差ΔT,就必须增大传热系数k,最大的传热系数kmax所对应的最小温差ΔTmin所产生的火用损失即极限条件下换热器的不可避免火用损失。显然,对于单相流体而言,增加流体流速是增加k的重要途径。然而增加流速又势必造成压差引起的火用损失增加,因此kmax应以流体在对流换热过程中由温差传热和流动压差引起的火用损失最小为约束条件。事实上,换热器不可避免火用损失在不同的条件与前提下有所不同。而在实际热力过程中,由于存在技术上或经济上不可避免的火用损失,有必要将火用损失分为可避免的和不可避免的两种火用损失。超过ΔTmin的温差产生的火用损失就是可避免的火用损失,它可以通过强化传热的各种措施减少。实际热力工程中有意义的改进应该要通晓和灵活应用热力学、流体力学和传热学的原理,重要的是要注意避免片面性,综合考虑各种因素,尽量减少可避免的火用损失。 5 结论 能分析的特点是不同质的能量在数量上的平衡,它只考虑了量的利用程度,反映的只是量的外部损失。火用分析的特点是同质能量的数量平衡,能同时反映内部和外部火用损失,能真实揭示薄弱环节。事实证明:火用分析要比能分析更科学、更深入与更全面。流动换热过程是一个不可逆的热力学过程,过程的进行必然引起火用损失。我们的目标是希望换热过程能达到流动特征与换热性能的最佳组合。将火用分析的方法用在传热及强化传热上,能给出科学的、正确的信息,纠正传统思想的一些误区。其分析结果对换热设备优化和节能技改均有指导意义。相信随着时间的推移,火用分析方法会突出出来,它不再是“阳春白雪”,而是会最终取代能分析法,走出研究室并在工程实践中大放异彩! |
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