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(fā)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(jié)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(fā)，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(shù)對熵產數(shù)的影響能夠從本質上解釋熱力特性參數(shù)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(tǒng)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(shù)

1.1 數(shù)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(shù)

為了深入對換熱器性能的認識，有一下無量綱數(shù)最為換熱器的特性參數(shù)：

有效度：

流體進口溫度比：

水當量比：

預熱溫度比：

傳熱單元數(shù)：

其中：K為換熱器的傳熱系數(shù)，F(xiàn)為換熱器的傳熱面積。

傳熱單元數(shù)映冷熱流體間換熱過程難易程度的參數(shù)，也是衡量換熱器傳熱能力的參數(shù)。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(shù)也越大。對操作中的換熱器，傳熱單元數(shù)越大，表明其性能越好。

2 換熱器熵產分析

2.1 特性參數(shù)對熱性能的影響

引入無量綱熵產數(shù) 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(tǒng)，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(shù)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(shù)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(shù)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(xiàn)拋物線形狀發(fā)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(tài)）時，Ns=0；水當量ω<1,即使是理想狀態(tài)，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。