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(yè)技術學院，江蘇 常州 213164)

換熱器在很多行業(yè)中應用廣泛，由此引發(fā)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(shù)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(shù)提高。據(jù)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(jié)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)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(jù)Altshuller發(fā)現(xiàn)的規(guī)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(fā)現(xiàn)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(tǒng)。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(tǒng)中現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)創(chuàng)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(jù)某化工產(chǎn)品的生產(chǎn)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(chǎn)生大量過量焦油，不僅使產(chǎn)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(huán)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(shù)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(shù)為：殼程直徑為1 m ,雙管程，換熱管長2.5 m，規(guī)格為?38×2.5 mm ，換熱管數(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(jù)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(xiàn)，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(huán)量增加(走殼程)，將混合液循環(huán)量增加至原來的3倍，這樣可以提高冷卻器的傳熱系數(shù)K，而從理論上講，根據(jù)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(fā)現(xiàn)，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(jīng)后來分析原因在于技術人員沒考慮到“循環(huán)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(shù)分別只有700和350，即都處于層流狀態(tài)，用層流流動的公式計算對流傳熱系數(shù)，加上污垢熱阻后的總傳熱系數(shù)僅為75W/m2·K，即使將混合液循環(huán)量增加至原來的3倍后，殼側的雷諾數(shù)也僅為1000左右，對應的總傳熱系數(shù)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(xiàn)。

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(fā)現(xiàn)，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(xù)性方程可知，流速變低，故換熱管兩側的對流傳熱系數(shù)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(xiàn)。

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(fā)現(xiàn)了兩臺小換熱器殼程直徑為270 mm，雙管程，換熱管長3 m，規(guī)格為?38×2.5 mm，換熱管數(shù)為48根。將兩臺小換熱器串聯(lián)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(fā)現(xiàn)，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(shù)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(shù)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(shù)，總傳熱系數(shù)可達250W/(m2·K)以上，其KS值比換熱器A和B的大，總傳熱系數(shù)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(jié)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(fā)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(tǒng)的有效和完善

幾經(jīng)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(fā)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(chǎn)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(shù)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(shù)↑～流通截面積↑～流速↓～管程的傳熱系數(shù)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(lián)系密切，流速增大流體湍流程度增大，管程側對流傳熱系數(shù)增大(管程側對流傳熱系數(shù)αi與ui0.8成正比)，殼程側對流傳熱系數(shù)亦增大(殼程側對流傳熱系數(shù)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(shù)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(shù)。

(2)而應用物-場模型尋找標準解可依據(jù)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(tǒng)以及向超級或微觀級系統(tǒng)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(tǒng)，它完全不是從檢測與測量角度出發(fā)的，它通過鐵磁粒子和場的應用使系統(tǒng)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(tǒng)改變可能性的方法，即使在系統(tǒng)沒有明確需要改進的時候，這種方法依然可行。對于超系統(tǒng)或子系統(tǒng)，需要考慮最小改變或系統(tǒng)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(tǒng)，使系統(tǒng)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(tǒng)更復雜。

[1]楊清亮.發(fā)明是這樣誕生的[M].北京:機械工業(yè)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(yè)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)