高壓加熱器過熱段耗散研究

郭 婷，張明智

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

郭 婷，張明智

(華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

高壓加熱器為火電機組回熱系統的主要換熱設備，其換熱過程的優劣直接影響火電機組回熱系統的熱經濟性。基于熱力學第二定律，為動態分析高壓加熱器內換熱過程優劣，利用耗散理論，從傳熱效率的方向建立了高壓加熱器過熱段平衡方程，推導出了高壓加熱器過熱段耗散的計算方法。以某高壓加熱器的過熱段為例，得到了高壓加熱器過熱段的耗散分布規律，計算結果表明：對冷熱流體進出口參數固定、對流換熱系數為常數的高壓加熱器，總耗散為管長的單調函數；耗散量的增長速度取決于溫度梯度的大小，即耗散理論與溫差均勻性理論的一致；高壓加熱器內流動阻力引起的耗散對總耗散影響較小。

耗散；高壓加熱器；溫差均勻

0 引言

高壓換熱器作為一種熱量轉換裝置，主要應用于大型火電機組回熱系統，其傳熱性能的優劣直接影響機組的經濟性與安全性。因此提高高壓加熱器的傳熱效率，減小熱量傳遞過程中的不可逆損失，成為解決能源高效利用的重要措施之一。作為評價物質熱量傳遞能力的物理量—，具有表征熱量傳遞效率的物理意義，基于耗散理論，研究加熱器內部耗散情況，可為高壓加熱器高效運行提供指導。

換熱器內的能量傳遞是一種典型的非平衡熱力學過程，流體的粘性及溫差的存在等都是不可逆因素的體現。以往評價換熱器性能多集中在熵產方向。文獻[1～3]基于最小熵產原理，從有限溫差與流動阻力引起的熵產最小為目標對換熱器進行優化分析，取得較好的效果。但熵產分析法并不適用于所有換熱器的能效優化分析，有時會出現熵產悖論[4]。文獻[5，6]的耗散理論基于熱力學第二定律，從熱量傳遞效率的角度表征傳熱過程的不可逆性。目前，耗散理論在換熱器的優化設計方面的應用研究很多。文獻[7]對耗散量進行無量綱化，給出了換熱器內耗散無量綱化的形式-耗散數，可作為評價換熱器性能的指標之一。文獻[8]提出了耗散均勻分布原則，結果表明：在給定熱負荷和換熱面積條件下，換熱系數不固定時，耗散均勻分布所得的總耗散率小于溫差均勻分布所得總耗散率；換熱系數固定時，耗散均勻分布與溫差均勻分布的總耗散率相差不大。目前有關加熱器的熱力學分析主要為傳遞理論，文獻[9]導出了逆流換熱器的高低溫流體的局部傳遞系數，通過分析傳遞系數得出換熱器的損分布。文獻[10]在考慮壓力損失的情況下,給出了換熱器傳有效度的計算式。

由于高壓加熱器過熱段內不涉及相變，本文針對高壓換熱器的特點，結合耗散理論，建立了高壓加熱器過熱段內的平衡方程，推出耗散的表達式，通過實例計算出高壓加熱器過熱段的耗散沿流程的變化趨勢，為高壓換熱器的優化分析提供理論依據。

1 高壓加熱器過熱段內的平衡方程

高壓加熱器的實際能量傳遞過程是一系列的復雜換熱過程，包含熱流體與管外壁對流換熱、管壁間導熱、冷流體與管內壁的對流換熱過程。為簡化物理模型，可對高壓加熱器過熱段內的換熱過程做如下假設[11]:

(1)根據熱平衡方程可知給水側在抽汽對應三段內的分界點溫度；

(2)工質質量流量與定壓比熱容的積為常量；

(3)換熱器中無散熱損失；

(4)冷、熱流體無相變；

(5)冷、熱流體的對流換熱系數為常數。

換熱器內換熱過程的簡圖如圖1所示。T為

圖1 高壓加熱器簡圖

溫度；d和D分別為換熱管內、外徑；角標i,j分別代表熱、冷流體參數。在x-x+dx區間內，熱流體的耗散為本身減少量與管外壁吸收之差，平衡方程[12]為：

ΔΦhi=-mdehi-ΔEhi

(1)

式中：Φh為單位時間耗散，(kJ·K)/s;m為質量流量,kg/s ;Eh為單位時間，(kJ·K)/s;eh為單位,(kJ·K) /kg。式中左邊為微元長度內熱流體單位時間內耗散量，右邊第一項為熱流體單位時間內減少量，第二項為管外壁單位時間內吸收。由定義可知：

deh=TΔq=T2ds

(2)

ΔEh=Twqdx

(3)

式中：q為單位長度熱流,W/(kg·m)；s為比熵，kJ/(K·kg)；角標w表示管壁參數。由能量守恒可知：-mdh=qdx，根據焓定義可知：dh=Tds+vdp

ΔΦhi=(Ti-Twi)qdx+miTividpi

(4)

式中：v為比容，m3/kg;p為壓力,pa。由上式可知，耗散量由有限溫差引起的耗散與流動阻力引起的耗散組成。同理可得微元長度內管壁平衡方程與冷流體平衡方程分別為：

ΔΦhwij=(Twi-Twj)qdx

(5)

ΔΦhj=(Twj-Tj)qdx+mjTjvjdpj

(6)

(7)

式中：f為摩擦因子；u為流體流速，m/s；kx為總換熱系數，W/(m2·℃)。上式中摩擦因子f的取值與流體雷諾數及相對粗糙度[13]有關，對(7)式中令

ΔΦhT=kx(Ti-Tj)2dx

(8)

(9)

則(7)式可為：

ΔΦh=ΔΦhT+ΔΦhp

(10)

由文獻[14]可知熱、冷流體溫度隨流程分布分別為：

(11)

(12)

式中：W為工質當量，W/(s·K)；α為單側對流換熱系數，W/(m2·℃)；λ為導熱系數，W/(m·℃)。將(11)、(12)式代入(7)式可得：

(13)

對幾何結構及冷熱流體參數確定的高壓加熱器而言，A，B，APi,APj,Ai,Aj,Bi,Bj為常數。

2 實例計算

以某三段式U形管高壓加熱器過熱段[9]為例，該加熱器為二流程，臥式，各參數如表1圖2所示。

表1 某高壓加熱器過熱段參數

圖2 高壓加熱器熱力計算參數

根據表1及圖2所示參數，代入式(11)、(12)可得冷熱流體溫度分布如圖3所示。代入式(11)并積分可得該高壓加熱器過熱段耗散隨管程的分布如圖4所示。

圖3 高壓加熱器過熱段溫度分布

圖4 高壓加熱器過熱段總耗散分布

圖5 有限溫差耗散分布

圖6 壓差耗散分布

3 結論

(1)對幾何參數及冷熱流體進出口溫度固定的高壓加熱器，總耗散為管長的單值函數，總耗散增長速度不斷減慢，總耗散的分布與溫差均勻性分布一致。

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Study of Entransy Dissipation of Superheating Section in High-pressure Heater

Guo Ting，Zhang Mingzhi
(School of Energy and Power Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

High pressure is the main heat exchange equipment of heat recovery system in thermal power unit , and the quality of its heat transfer process directly affects the thermal efficiency of heat recovery system in thermal power unit. Based on the second law of thermodynamics, in order to dynamically analyze the thermal process in high pressure heater, entransy balance equations and the calculation method for the superheating section in high-pressure heater are developed in this paper with entransy dissipation theory.Then taking the superheating section of certain high-pressure heater as an example, entransy dissipation distribution of the superheating section of high-pressure heating is calculated. The results show that the total entransy dissipation is a monotonic function of the tube length in high pressure hearter with the import and export of hot and cold fluid parameters being fixed and the convective heat transfer coefficient being constant; the growth of entransy dissipation depends on the value of the temperature gradient, that is the entransy dissipation theory being consistent with the uniformity of the temperature difference theory; the impact of entransy dissipation caused by flow resistance weaker entransy dissipation is weaker in high-pressure heater.

entransy dissipation; high-pressure heater; uniform temperature difference

2014-08-26。

郭婷(1988-)，女，碩士研究生，研究方向為耗散及傳遞理論,E-mail:guotingenergy@163.com。

TK124

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.01.002