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基于最小熵产的多股流换热器通道排列分析及设计点击：1820 日期：[ 2014-04-26 22:54:53 ] |
| 基于最小熵产的多股流换热器通道排列分析及设计 崔国民1，周霄1，赵永芹2 （1上海理工大学热工程研究所，上海200093；2空调国际（上海）有限公司，上海200001） 摘要：多股流换热器的通道排列一直是其优化设计的重点和难点，本文通过建立其熵产数学模型，分析了多股流换热器换热过程中的上产生机理，得到了熵产与不同通道排列对应性能之间的关系，探讨了基于最小熵产的多股流换热器通道排列的优化设计，同时应用场协同温差均匀性优化原则进行了比较。结果表明，单位换热量的熵产最小可以作为多股流换热器通道排列的优化指标。 关键词：最小熵产；多股流换热器；通道排列 多股流换热器在低温、空分等领域得到了广泛的应用。其最重要的性能指标是它能够向冷却对象提供冷量的大小及所能达到的温度水平，而这些指标首先取决于换热器的性能。其性能好坏不仅牵涉到设备的经济指标，而且决定着设备的存在价值。所以多股流换热器必须进行优化设计以提升其性能。通道分配、通道排列是多股流板翅式换热器设计的关键问题，目前对此问题的处理还缺乏明确的指导原则，没有成熟的进行预计算的数学模型和计算方法，所以有必要进一步探讨以得到利于其设计的、定量的指导原则[1-2]。 众所周知，黏性耗散和热交换都是固有的不可逆过程，必然导致可用能的损失。过程不可逆的程度或可用能损失的多少可以用过程中的熵产来表示。所以熵产生分析以及使熵产生最小可提高热设备或热系统能量利用率[3]。在以往的文献设计中，往往涉及的都是两股流的熵产。而对于具有复杂换热过程的多股流换热器以及两股流换热器网络的熵产分析以及在此基础上的优化设计尚不多见[4]。 基于此，本文运用熵产分析法，以多股流板翅式换热器为研究对象，通过建立换器传热过程的熵产率关系式。并根据不同的通道排列方式，建立了单位换热量的熵产最小的通道排列优化指标。从熵产最小的角度出发，提出了一种新的多股流换热器的通道排列优化设计思路。 1·多股流换热器熵产生数学模型 以平行流三股流五通道的板翅式换热器为例，采用平直翅片。换热器长度为0.57 m，宽度0.08 m流体为水，根据不同的入口参数分为A，B，C。流体采用换热器逆流布置方式，用0和－1分别表示不同的流动方向。工况参数如表1所示。 2·结果分析与验证 基于上节的流体参数，根据流体通道排列方式的不同，计算了11种工况，得到了不同通道排列方式下的熵产和换热量。结果如表2所示。为了更直观地找出换热量与熵产以及换热量与单位换热量的熵产之间的定性关系，图2、图3示出了熵产与换热量关系。 从图2可以看出，在一定的温度下，熵产大则换热量也大，这虽然符合热力学的定律，但是由于熵产与换热量并不存在一一对应的大小关系，所以其不能衡量换热器的性能；而从图3可见，第8、9两种排列方式下换热器的换热性能最好，而其单位换热量的熵产也最小，为0.184528 J/(K·kW)，换热量达到41.842 kW，第5、6两种最差，单位换热量的熵产最大，高达22.651 J/(K·kW)，换热量低至19.977 kW。从整体上观察可以发现：单位换热量的熵产ΔSgenb、ΔSgenh的值越小，换热量Q越大，表示换热性能越好。因此，单位换热量的熵产可以作为评价多股流换热器通道排列水平的一个评价指标，即多股流换热器单位换热量的熵产越小，换热量越大，其换热性能越好。因此单位换热量的熵产最小原则可以应用于通道排列方式的选择和优化，即单位换热量的熵产可以作为通道排列的评价指标。 3·应用温差均匀性优化原则的比较分析 根据对流换热场协同理论，多股流换热器的温差均匀性因子可以应用于设计，指导通道排列，均匀性因子越小，说明该种排列方式越好，反之亦然。基于此，本文比较了温差均匀性因子和单位换热量熵产在多股流换热器通道排列优化上的应用。仍然针对前面算例，计算每种排列方式的温差均匀性因子和各通道的换热量，计算结果如表3所示。 从图中可以看出在误差允许的范围内，温差均匀性因子φmulti和单位换热量的熵产ΔSgenb、ΔSgenh三者的变化趋势是一致的，最大值和最小值均发生在同种排列方式下。例如，ΔSgenb、ΔSgenh的极大值点横坐标为5，极小值点横坐标为8，而φmulti的极大值点与极小值点的横坐标分别也是5和8。其他排列方式的温差均匀性因子和单位换热量的熵产大小也是一一对应的，即温差均匀性因子越小，单位换热量的熵产也越小。 针对表3中每种排列方式下各通道的换热量，根据Suessman的局部热负荷平衡型通道排列法的思想，作过剩热负荷与通道排列的关系图（见图5）。此图中，纵坐标为过剩热负荷，横坐标为通道数，冷热负荷具有相反的符号，纵坐标偏离零最小，平衡单元尺寸最小的排列即是最好的排列。从图中可以看出，第8、第9种排列方式最好，而第5、第6种偏离零最大，平衡单元尺寸也最大，属于最差的排列，与用单位换热量的熵产最小理论和温差均匀性因子方法得出的结论是一致的。至于其他排列方式的好坏，经过仔细比较分析，在误差允许的情况下，与两者计算出的结论基本上是一致的。从而通道排列的热负荷平衡法证明了单位换热量的熵产最小理论用于多股流换热器设计的可行性。 4·结论 通过对多股流换热器换热过程的熵产建模，研究与分析了其单位换热量的熵产和换热量的关系，得到如下结论： （1）换热过程的总熵产并不能评价多股流换热器通道排列水平，而应以单位换热量的熵产作为评价指标； （2）多股流换热器的单位换热量的熵产可以定量地衡量通道排列的水平，单位换热量的熵产越小，所对应通道排列的换热性能越好。 参考文献 [1]黄为民．热工设备和系统的设计优化[M].北京：高等教育出版社，1998：7-8. [2]崔国民，吕岩岩，张勤.换热器网络温差场分析及温差均匀性因子的建立[C]//中国工程热物理学会传热传质学术会议论文集，南京：2006，1608-1611. [3]郭佳，崔国民，吕岩岩.基于量纲Ⅰ温差均匀性优化因子的多股流换热器的优化设计[C]//全国石油和化工行业节能节水技术——第二届论坛论文选编.北京：化学工业出版社，160-163. [4]高孝忠，崔国民，关欣，等．流体在不同定性温度下对换热网络模拟及优化的影响[J]．石油机械，2008，36（7）：23-26. |
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