基于?分析的板式換熱器熱力學(xué)性能研究

徐曉虹

摘? ?要：換熱器作為石化、制藥、熱能工藝體系的重要構(gòu)成單元，在熱量傳導(dǎo)、營(yíng)造反應(yīng)環(huán)境方面發(fā)揮重要的作用。本研究采用?分析方法，對(duì)芳烴中產(chǎn)生的苯石化流程中的板式換熱器進(jìn)行了熱力學(xué)性能分析。結(jié)果表明，具有流體相變的換熱器比單相流體具有更好的性能。

關(guān)鍵詞：?分析法;熱力學(xué)性能;板式換熱器

1? ? 換熱器性能概述

換熱器是能量系統(tǒng)（如化工、動(dòng)力、制冷、制藥）中應(yīng)用最為廣泛的單元設(shè)備之一，板式換熱器廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。隨著能源需求的不斷增大，節(jié)能成為影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。板式換熱器作為換熱元件之一在使用過(guò)程中能源耗費(fèi)很高，對(duì)換熱器進(jìn)行全面合理的評(píng)價(jià)，對(duì)于改進(jìn)系統(tǒng)的用能過(guò)程、降低能量消耗和原材料消耗具有重要的意義。所以在板式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，更加注重?分析和節(jié)能問(wèn)題。換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要分為兩類(lèi)：早期的評(píng)價(jià)基于熱力學(xué)第一定律（由總傳熱系數(shù)、壓力降、傳熱有效度、傳熱單元數(shù)等參數(shù)構(gòu)成），這種評(píng)價(jià)僅從能量利用的量的角度評(píng)價(jià)了換熱設(shè)備的性能，忽略了能量品質(zhì)在轉(zhuǎn)換中的變化，并不能體現(xiàn)出換熱過(guò)程的不可逆性。后來(lái)，出現(xiàn)了以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)并結(jié)合熱力學(xué)第一定律的評(píng)價(jià)方法，其中常見(jiàn)的有?效率和無(wú)因次熵產(chǎn)數(shù)兩種分析方法。無(wú)因次熵產(chǎn)數(shù)的變化規(guī)律性較差，而單純的?效率分析法雖然能夠?qū)Ω鞣N熱力過(guò)程和循環(huán)的熱力學(xué)不完善性進(jìn)行分析，所以，本研究采用?效率分析法[1]。

2? ? 計(jì)算模型

?分析法是基于能源利用的合理性，對(duì)換熱器的熱力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，?分析法（見(jiàn)圖1）提出了?效率的概念。

冷熱介質(zhì)放出來(lái)的火用分別為[2]：

（1）

（2）

板式換熱器的?效率為：

（3）

在石化流程的芳烴制苯單元中，換熱器耗能占了較大的比例。本研究中，板片模型參考瑞典ALFA公司M6型板片的外形尺寸。流體相態(tài)的不同會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器體現(xiàn)出不同的效率特性，對(duì)于流體在其中發(fā)生相變的換熱器來(lái)說(shuō)，換熱過(guò)程中流體的溫度始終是飽和溫度，并且在換熱過(guò)程中又涉及到了相變潛熱，與單相流體換熱器的有所不同，本研究分別展開(kāi)討論。

本研究不考慮壓降，分析單相流體換熱器的?效率。對(duì)于相變工況，將采用熱量?效率分析法[3]，本文假設(shè)冷、熱流體在換熱過(guò)程中發(fā)生了相變，即熱流體由氣態(tài)變成液態(tài)，冷流體由液態(tài)變成氣態(tài)。

制苯單元的板式換熱器的?效率分析結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，相變換熱器的?效率大于單向流體換熱器，單相流體換熱器的?效率小于相變換熱器，并且單相流體換熱器的?效率比較分散，而相變換熱器?效率比較集中，相變換熱器的性能要優(yōu)于單相流體換熱器。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是單相流體無(wú)相變，換熱過(guò)程中未涉及潛熱，且溫度變化越小，潛熱越大則工況?效率就越。

某些?效率比較高的換熱器綜合性能卻較低，改進(jìn)可以針對(duì)那些?效率高但是綜合性能指標(biāo)較低的換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高其熱力學(xué)性能。但是單純的?效率分析法只考慮了換熱器的熱力學(xué)性能，并沒(méi)有考慮換熱器的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，存在一定的片面性，且缺乏操作實(shí)用性。綜合熱力學(xué)?效率與?效率經(jīng)濟(jì)型評(píng)價(jià)是全面的換熱器評(píng)價(jià)。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

換熱器是石油化工流程中的重要單元，在能量流程中，只有對(duì)換熱器進(jìn)行詳細(xì)分析，才能更好地發(fā)揮換熱器在工藝中作用。本研究從?的視角對(duì)其進(jìn)行分析，通過(guò)分析找出能量損失的關(guān)鍵點(diǎn)，結(jié)果表明，具有流體相變的換熱器比單相流體具有更好的性能，換熱器內(nèi)流體溫度的變化越小即溫差越小，相變換熱器潛熱越大，則?效率越大。本研究為優(yōu)化石化工業(yè)中制苯單元的換熱器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的理論基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]華? ?賁.石油化工工藝過(guò)程用能分析及綜合[M].北京：烴加工出版社，1989.

[2]羅? ?庚.基于?分析法的換熱器性能研究[J].企業(yè)導(dǎo)報(bào)，2016（10）：113.

[3]KEENAN J H.Availability and irreversibility in thermodynamics[J].British Journal of Applied Physics，1951（2）：183-192.

Thermodynamic performance research of a plate heat exchanger based on exergy analysis

Xu Xiaohong1，2

（1.Nanjing Suyang Energy Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210038， China;

2.Shanghai Daofa Energy Technology Co.， Ltd.， Shanghai 202150， China）

Abstract：Thermodynamic performance analysis was taken for a plate heat exchanger with the method of exergy analysis. Exergy utilization analysis was taken for heat exchangers in Benzene producing in aromatic hydrocarbon. Our results show that heat exchangers with fluid phase change had better performance than these of single-phase fluid.

Key words：exergy analysis; thermodynamic performance; plate heat exchanger