換熱器熵產分析

2012-07-04 02:45:38林紅良李志祝廣場

船電技術 2012年1期

林紅良李志祝廣場

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430223）

0 引言

中國是一個人口大國，隨著社會的發展和人民生活水平的提高，能源消耗迅速增長，能源危機已經成為逐漸顯露出來，節約能源已經成為當務之急。換熱器作為工程應用最為廣泛的熱力設備之一，其性能的好壞直接影響著能源的消耗量。熵產分析是能量品質的角度出發，評價換熱器熱力完善程度的重要指標。分析換熱器不同的特性參數對熵產數的影響能夠從本質上解釋熱力特性參數對換熱性能的影響以及其之間的相互關系，對于改進熱力系統消耗能量的過程，降低能源消耗具有非常重要的作用。

1 換熱器特性參數

1.1 數學模型

如圖所示為換熱器典型的換熱過程，c代表冷流體，h代表熱流體，i代表進口，o代表出口。

圖1 換熱器示意圖

圖2 換熱器各點溫度

1.2 特性參數

為了深入對換熱器性能的認識，有一下無量綱數最為換熱器的特性參數：

有效度：

流體進口溫度比：

水當量比：

預熱溫度比：

傳熱單元數：

其中：K為換熱器的傳熱系數，F為換熱器的傳熱面積。

傳熱單元數映冷熱流體間換熱過程難易程度的參數，也是衡量換熱器傳熱能力的參數。由定義式可知：在設計換熱器時，換熱要求越高，則所需傳熱面積越大，傳熱單元數也越大。對操作中的換熱器，傳熱單元數越大，表明其性能越好。

2 換熱器熵產分析

2.1 特性參數對熱性能的影響

引入無量綱熵產數 Ns表示換熱器熱力完善程度，其值大表示換熱器熱力不可逆性高，有效能損失大，熱力完善程度低；Ns值低則剛好相反。

將換熱器作為控制容積系統，進出口處有工質流動，外表面絕熱，冷熱流體之間只有熱量傳遞，沒有功的傳遞。作為這樣一個模型的換熱器，其熵產為：

由熱力學第一定律可知：

得：

以冷流體當量為基準，換熱器的熵產數為：

式中右邊第一和第二項是傳熱引起的不可逆損失，第三和第四項是粘性流動引起的不可逆損失，對換熱器不可逆性的分析要考慮傳熱和粘性流動兩方面。

鑒于流動引起的熵產和傳熱引起的熵產相比很小，則熵產可以表示為：

圖3 NS隨β變化圖

由此可以得知NS與ω、α、β有關，通過改變ω、α、β的值對比分析NS的變化可以得出特性參數ω、α、β對換熱性能的影響。

由圖可知：α=1即Thi=Tci是沒有意義的，此時熵產數為負，違背了熱力學第二定律；當 α=2時，水當量ω和進口溫度比α一定時，Ns隨著溫度預熱溫度比的增加而呈現拋物線形狀發展，Ns有一個最大值，即當臨界預熱溫度 βcri=(ω+α)(ω+1)。水當量比 ω=1，α=β（理想狀態）時，Ns=0；水當量ω<1,即使是理想狀態，Ns也不等于0。在實際過程中， α和ω一定時，盡量使β大于 βcri，并且趨近于 α，可以減小 Ns；而對于 ω和β一定時，熱流體進口溫度越高，α就越大，Ns就越大，可用能損失就越大。