利用TRIZ物-場模型分析換熱器的工程應用案例

李英利，陳 群，顏 康

(常州工程職業技術學院，江蘇 常州 213164)

換熱器在很多行業中應用廣泛，由此引發的有關強化傳熱的問題也常被提及。考慮一臺換熱器的工作能力不能只單純考慮其傳熱面積，在傳熱溫度差一定的情況下，傳熱面積和總傳熱系數的乘積KA才能真正代表一臺換熱器的工作能力。傳熱面積和換熱管尺寸有關，談到換熱管常用的尺寸(外徑×壁厚)主要為Φ19 mm×2 mm、Φ25 mm×2.5 mm和Φ38 mm × 2.5 mm 的無縫鋼管以及Φ25 mm×2 mm和Φ38 mm×2.5 mm的不銹鋼管。標準管長有1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0 m等。采用小管徑，可使單位體積的傳熱面積增大、結構緊湊、金屬耗量減少、傳熱系數提高。據估算，將同直徑換熱器的換熱管由Φ25 mm改為Φ19 mm，其傳熱面積可增加40%左右，節約金屬20%以上。但小管徑流體阻力大，不便清洗，易結構堵塞。一般大直徑管子用于粘性大或污濁的流體，小直徑管子用于較清潔的流體。

在TRIZ理論中，技術系統的功能模型可用一完整的物質-場(Substance—Field)三角形來表示。物場模型就是從功能角度對問題所處的最小限度的可工作技術系統的模型化描述。從標準解法中查詢適用于這種模型的解法，就得到了解的模型。ltshuller認為，所有的功能都可分解為兩種物質和一種場，即一種功能由兩種物質及一種場，共三個要素組成[1]，分別是目標(有的書中稱為對象)、工具和場，用字母S1，S2，F表示。一個完整的物-場模型如圖1所示。

圖1 具有完整期望的物場模型圖

依據Altshuller發現的規律：如果問題的物場模型是一樣的，那么解決方案的物場模型也是一樣的，和這個問題來自于哪個領域無關。他一共發現總結了76個解模型，所以也叫76個標準解。按照問題的類型分為五級，建立起了標準解法系統。除了測量類問題之外，所有的皆可歸類于以下四種：

(1)完成不完整的物場模型來解決問題。

(2)修改系統中現存的物質和場來解決問題。

(3)增加新物質、新場解決問題。

(4)轉換至更高或更低的級別解決問題。

圖2 TRIZ理論解決問題流程簡圖

圖3 利用物-場模型與標準解(1)

從TRIZ理論所提供的一般解法或76個標準解法中選擇一個或幾個適合解決該問題的方案。需要注意的是，不要輕易排除可能的解，看似不適合的解可能會從另一個角度得到很好的運用。要充分挖掘和利用其他知識性工具。最后，可結合具體的領域知識，實現具體解，使問題得到解決。 圖3或4所示為利用物場模型解決問題的流程圖，該圖明確地指出了設計人員如何運用物場模型實現創新。從圖中可以看出，其中的分析性思維和知識性工具之間有一個固定的轉化關系。

圖4 利用物-場模型與標準解(2)

1 問題描述和解決過程

1.1 確定相關的元素

工程案例介紹[2]：根據某化工產品的生產裝置中，混合液在分解塔中進行反應時，放出大量的熱量，不能夠及時移走這些熱量的話，分解塔內溫度將不斷升高，會產生大量過量焦油，不僅使產品質量下降，而且堵塞管道造成事故。為維持該分解塔內88℃的恒定溫度，可利用外循環冷卻的方法，具體做法為采用一U型管式換熱器(雙管程列管式，雙管程換熱器多了一個管程，因此每程的換熱管數量比單管程少了一半，也就是流通面積少了一半。所以在同樣的流量下，管內的理論流速也就比單管程多了一倍。)，用冷卻水(走管程)冷卻混合液(走殼程)，所用換熱器A的主要參數為：殼程直徑為1 m ,雙管程，換熱管長2.5 m，規格為?38×2.5 mm ，換熱管數為370根，總傳熱面積測算過程如下，大約為110m2。

S=nπdL=370×3.14×0.038×2.5=110.37m2

該案例中，可確定S1為功能載體，列管式換熱器；S2為接受動作的客體，冷熱流體；F為熱量場。

現將塔內溫度降為60℃操作，要求冷卻器的熱負荷增至4×105kW/h。則問題出現了，該換熱器不能滿足變化了的條件，即：換熱器自身的換熱能力小于工藝要求的熱負荷。

1.2 根據問題的情形，確定并完成最初的物-場模型繪制

本問題屬于第3類模型，即效應不足的完整模型，3個元素齊全，但技術人員所追求的換熱效果未能有效實現，其物-場模型如圖5所示。

圖5具有效應不足的物場模型圖

1.3 選擇物-場模型的一般解法

針對本問題屬于第3類效應不足的完整模型，應用標準解法第2級中的23個標準解法和標準解法第3級中的6個標準解法。

1)技術人員首先選擇了標準解法第2級中的第2個解法，雙物-場模型。具體做法是原換熱器不變，即傳熱面積S不變，增加了一臺流量很大的泵，從而加入第2個易控制的機械場，使混合液循環量增加(走殼程)，將混合液循環量增加至原來的3倍，這樣可以提高冷卻器的傳熱系數K，而從理論上講，根據Q=KSΔt，如果S和 保持不變，K值增加，傳熱速率Q也會提高。其物-場模型如圖6所示。

圖6 第一次改進的雙物-場模型

但是結果發現，效果并不令人滿意。A換熱器的熱負荷只是稍微提高了一些，并不能完全符合工藝要求，經后來分析原因在于技術人員沒考慮到“循環量雖然增大了，但是K值卻并沒有大的改變”，具體測算過程如下：

可見對換熱器A，管內冷卻水和管外混合液雷諾數分別只有700和350，即都處于層流狀態，用層流流動的公式計算對流傳熱系數，加上污垢熱阻后的總傳熱系數僅為75W/m2·K，即使將混合液循環量增加至原來的3倍后，殼側的雷諾數也僅為1000左右，對應的總傳熱系數僅為87W/m2·K，提高不大。

所以圖6的物-場模型仍然是屬于3個元素齊全，但效應不足的完整模型，技術人員所追求的換熱效果仍然未能有效實現。

2)技術人員接下來選擇了標準解法第2級中的第8個解法，構造物質。

S0=BD(1-d0/t)，其中S0是殼程流體流通面積，B為折流板間距，d0為傳熱管外徑，t為傳熱管間距，D為殼體內徑。

S=nπdL=1234×3.14×0.025×3=290.75 m2

但是結果發現，效果并不令人滿意。B換熱器的熱負荷還不如A換熱器，更加不能符合工藝要求，其原因是：雖然A、B兩換熱器的傳熱面積都不小，后者更大一些，但是這是以直徑很大的殼內安置過多的換熱管來獲得的，這使得該換熱器管程和殼程的流通截面積都很大，在流量一定的情況下，由流體連續性方程可知，流速變低，故換熱管兩側的對流傳熱系數下降，故主要原因在于技術人員沒考慮到“S值雖然增大了，但是K值卻變小了”。圖3的物-場模型仍然是屬于3個元素齊全，但效應不足的完整模型，技術人員所追求的換熱效果仍然未能有效實現。

3)技術人員接下來重新利用標準解法第2級中的第8個解法，S2.2.6構造物質[1](P110)。

后來廠家在廢品庫里發現了兩臺小換熱器殼程直徑為270 mm，雙管程，換熱管長3 m，規格為?38×2.5 mm，換熱管數為48根。將兩臺小換熱器串聯使用技術人員稱為換熱器C。其物-場模型如圖8所示。總傳熱面積測算過程如下，大約為37.5 m2。

圖8 第三次改進的物-場模型

單臺換熱器傳熱面積為S=nπdL=48×3.14×0.038×3=17.18 m2

兩臺換熱器總傳熱面積為2S=17.18×2=34.36 m2

通過計算發現，雖然換熱器C的傳熱面積僅為換熱器A的37.5%，但由于殼徑小，管數少，管程和殼程流通截面積都較小，因而流速很高，管內外的傳熱系數分別可達450 W /m2·K，60075 W/m2.K，加上污垢熱阻和足夠的傳熱系數，總傳熱系數可達250W/(m2·K)以上，其KS值比換熱器A和B的大，總傳熱系數計算過程如下。

由此可知，第二級主要是強化物-場模型，共4個子級，計23個標準解。而技術人員采用的S2.2.6構造物質“即通過使用異質物質、或固定物質、或可調節立體結構替代同質物質或無組織物質，以加強物質模型”。

1.4 進一步發展所得解的概念，以支持獲得的最佳解決方案，重建物-場模型，從而達到系統的有效和完善

幾經選擇方案，直至最終確定，中間頗費周折，廠家最后采用了第三次改進方案，也引發技術人員不少思考。用C替代A和B的方案，用傳熱面積僅為37.5 m2的C取代了100 m2的A后，換熱效果不但沒有下降，反而有了大幅度的提高，生產能力相應的提高了75%，完全達到了改造的目的。

2 總結

(1)事實證明，考察一臺換熱器的能力，不能只看傳熱面積S，而應該綜合看Q=KSΔt。當冷熱流體的溫差Δt一定時，就要看總傳熱系數和傳熱面積的乘積KS，而K和S之間往往有“此

消彼長”的關系：例如對于管程而言，S↑～管數↑～流通截面積↑～流速↓～管程的傳熱系數αi↓,即過大的S值，常常因為流體流量的不匹配，而導致過低的K值，最終使KS的值并未增加，換熱能力并沒有得到提升。另外在尋找解決方案的過程中，我們了解到換熱器的傳熱面積與管殼程流速聯系密切，流速增大流體湍流程度增大，管程側對流傳熱系數增大(管程側對流傳熱系數αi與ui0.8成正比)，殼程側對流傳熱系數亦增大(殼程側對流傳熱系數αo與uo0.55成正比)；流速增大，還可減少污垢在管子表面沉積的可能，管壁內、外側表面上的污垢熱阻Rsi、Rs0減小，從而使換熱器總傳熱系數K值增大，換熱面積減小，設備投資減少；但同時流體阻力增大，壓力降增大，動力消耗增大，操作費用增大。由此可見，流速和壓降密切相關，u和Δp是換熱器設計的兩個重要參數。

(2)而應用物-場模型尋找標準解可依據整體流程圖，主要有四條路徑：

第一條路徑：利用第一級～第二級標準解改進不完整的、效應不足的和有害的系統以及向超級或微觀級系統進化的標準解。

第二條路徑：利用第四級標準解是專用于測量系統，它完全不是從檢測與測量角度出發的，它通過鐵磁粒子和場的應用使系統轉換和演化而解決。

第三條路徑：預測改變的時機 利用第三級標準解預測分支提供了一種描述系統改變可能性的方法，即使在系統沒有明確需要改進的時候，這種方法依然可行。對于超系統或子系統，需要考慮最小改變或系統改變或兩者都要考慮到。

第四條路徑：利用第五級標準解簡化和改善系統，使系統更加理想化。這是由于第一類到第四類標準解都需要引入新的物質或場，常常會使系統更復雜。

[1]楊清亮.發明是這樣誕生的[M].北京:機械工業出版社,2009:88-95,110.

[2]丁忠偉.化工原理學習指導[M].北京:化學工業出版社,2006:81-82.

(本文文獻格式：李英利，陳群，顏康.利用TRIZ物-場模型分析換熱器的工程應用案例[J].山東化工,2018,47(7):90-92,98)