換熱器性能的經濟學分析

蔡 飛，丁田田，吳吁生

（1.華東理工大學機械與動力工程學院，上海 200237；2.華南理工大學機械工程學院，廣州 510641）

1 換熱器的性能評價標準

在當今世界能源越來越緊缺的背景下，節能降耗成為一個國家乃至世界的重大課題。化工生產等過程所消耗的能源占總能源消耗的比重較大，因此降低能耗節約能源應以此為著手點，而換熱器是化工生產過程中使用最廣泛的單元設備之一，其性能的改善對節約能源、降低能耗有著重大的意義。

對換熱器性能的改善首先應找到一個合適的換熱器性能評價標準。目前，換熱器的性能評價標準可以分為3類：

1）基于熱力學第一定律的能量分析法，但是這種方法只是建立在“量”的守衡上，不能判斷出能量品質的變化。

過增元［5］等基于熱電比擬提出了代表物體熱量傳遞能力的物理量Eh，其表達式為：

式中：Qvh為物體的熱容量；T為物體的溫度；cp為流體的定壓比熱；m為流體的質量流量。

郭江峰［6］等人在此基礎上推出了傳熱引起的耗散率的表達式：

式中：ch和cc分別為熱、冷流體的熱容流量，即ch＝mhcp；為耗散率；為進入換熱器的流量；為流出換熱器的流量；Th，i，Tc，i分別為熱、冷流體進口溫度，K；Th，o，Tc，o分別為熱、冷流體出口溫度，K；mh為熱流體質量流率，kg／h。

就如上文中讀者所看到的這樣，現如今我國的制造業的數字話缺少的不是很高的科學技術，而是缺少對于擁有對于大量數據能夠從容處理的人才和能夠對車間的數字化進行合理管理的人才。只有做到這些，我國的制造業的數字化進程才能夠加快。

許明田［7］等又推出了換熱器在運行過程中，換熱的兩流體均為不可壓縮液體時的壓降引起的耗散率，其表達式為：

式中：ΔPh和ΔPc分別為熱、冷流體的壓降；ρh和ρc分別為熱、冷流體的密度，kg／m3；mh和mc分別為熱、冷流體的質量流量，kg／h。

這里T0為環境溫度，取為273.15 K。

3 換熱器性能評價的經濟指標

因此，在換熱器中傳遞一定的熱量Q時，總費用C的表達式為：

式中：τ為換熱器年運行時間；Ce為熱單價；I為換熱器的年投資分攤費用。

換熱器的年投資分攤費用，可由文獻［9］得到，其表達式為：

式中：F為換熱器傳熱面積；IF和λ為與傳熱面積有關的系數，可由Hall［10］計算方法得到；N為投資回收年限；i為貸款利率；j為稅率。

因此，可定義單位傳熱量的換熱器總費用η的表達式為：

以此作為換熱器性能的評價標準，既考慮了熱力學分析又考慮了經濟上的可行性，能夠直觀地得出換熱器的綜合性能，也可以獲得換熱器各項參數和此標準間的關系，并找到最佳的換熱器結構和運行參數。

4 實例分析

某液—液螺旋板式換熱器，熱流體為含雜質的水溶液，冷流體為水，各項參數如表1所示。

表1 螺旋板式換熱器數據

根據Hall公式該換熱器的IF為2681，λ為0.59，貸款利率為15%，稅率為2%，10年償還；價取為電價Ce＝0.8元／k W·h，換算為0.8× 10－3元／W·h；換熱器年工作時間7200 h，折算系數n＝4。

應用上述評價標準，結合Matlab軟件對螺旋板式換熱器進行分析。

圖1是給定冷流體流速和熱流體流速范圍得到的熱流體流速與η的關系圖，以及熱流體側板間距與η的關系圖。

圖1 熱流體流速和熱流體側板間距與η之間的關系圖

從圖1可以看出，隨著熱流體流速的增加，η呈先下降后增加的趨勢，熱流體側板間距與η也呈現隨著板間距的增加η先下降后增加的趨勢，且存在最佳的熱流體流速和板間距使得η達到最小，即換熱器性能最優。

圖2是給定熱流體流速和冷流體流速范圍得到的冷流體流速與η的關系圖，以及冷流體側板間距與η的關系圖。

圖2 冷流體流速和冷流體側板間距與η之間的關系

從圖2可以看出，隨著冷流體流速的增加η呈先下降后增加的趨勢，冷流體側板間距與η也呈現隨著板間距的增加η先下降后增加的趨勢，且存在最佳的冷流體流速和板間距使得η達到最小，即換熱器性能最優。

5 結論

2）通過計算和分析表明，該指標不僅能反映換熱器不可逆總費用的多少，而且能反映換熱器傳熱量的大小和投資的多少，因此單位傳熱量的總費用的大小可作為評價換熱器綜合性能的主要技術指標。

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