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基于最小熵產的多股流換熱器通道排列分析及設計

點擊:1435 日期:[ 2014-04-26 22:54:53 ]
                  基于最小熵產的多股流換熱器通道排列分析及設計                            崔國民1,周霄1,趙永芹2    (1上海理工大學熱工程研究所,上海200093;2空調國際(上海)有限公司,上海200001)    摘要:多股流換熱器的通道排列一直是其優化設計的重點和難點,本文通過建立其熵產數學模型,分析了多股流換熱器換熱過程中的上產生機理,得到了熵產與不同通道排列對應性能之間的關系,探討了基于最小熵產的多股流換熱器通道排列的優化設計,同時應用場協同溫差均勻性優化原則進行了比較。結果表明,單位換熱量的熵產最小可以作為多股流換熱器通道排列的優化指標。    關鍵詞:最小熵產;多股流換熱器;通道排列    多股流換熱器在低溫、空分等領域得到了廣泛的應用。其最重要的性能指標是它能夠向冷卻對象提供冷量的大小及所能達到的溫度水平,而這些指標首先取決于換熱器的性能。其性能好壞不僅牽涉到設備的經濟指標,而且決定著設備的存在價值。所以多股流換熱器必須進行優化設計以提升其性能。通道分配、通道排列是多股流板翅式換熱器設計的關鍵問題,目前對此問題的處理還缺乏明確的指導原則,沒有成熟的進行預計算的數學模型和計算方法,所以有必要進一步探討以得到利于其設計的、定量的指導原則[1-2]。    眾所周知,黏性耗散和熱交換都是固有的不可逆過程,必然導致可用能的損失。過程不可逆的程度或可用能損失的多少可以用過程中的熵產來表示。所以熵產生分析以及使熵產生最小可提高熱設備或熱系統能量利用率[3]。在以往的文獻設計中,往往涉及的都是兩股流的熵產。而對于具有復雜換熱過程的多股流換熱器以及兩股流換熱器網絡的熵產分析以及在此基礎上的優化設計尚不多見[4]。    基于此,本文運用熵產分析法,以多股流板翅式換熱器為研究對象,通過建立換器傳熱過程的熵產率關系式。并根據不同的通道排列方式,建立了單位換熱量的熵產最小的通道排列優化指標。從熵產最小的角度出發,提出了一種新的多股流換熱器的通道排列優化設計思路。    1·多股流換熱器熵產生數學模型    以平行流三股流五通道的板翅式換熱器為例,采用平直翅片。換熱器長度為0.57 m,寬度0.08 m流體為水,根據不同的入口參數分為A,B,C。流體采用換熱器逆流布置方式,用0和-1分別表示不同的流動方向。工況參數如表1所示。                                  2·結果分析與驗證    基于上節的流體參數,根據流體通道排列方式的不同,計算了11種工況,得到了不同通道排列方式下的熵產和換熱量。結果如表2所示。為了更直觀地找出換熱量與熵產以及換熱量與單位換熱量的熵產之間的定性關系,圖2、圖3示出了熵產與換熱量關系。    從圖2可以看出,在一定的溫度下,熵產大則換熱量也大,這雖然符合熱力學的定律,但是由于熵產與換熱量并不存在一一對應的大小關系,所以其不能衡量換熱器的性能;而從圖3可見,第8、9兩種排列方式下換熱器的換熱性能最好,而其單位換熱量的熵產也最小,為0.184528 J/(K·kW),換熱量達到41.842 kW,第5、6兩種最差,單位換熱量的熵產最大,高達22.651 J/(K·kW),換熱量低至19.977 kW。從整體上觀察可以發現:單位換熱量的熵產ΔSgenb、ΔSgenh的值越小,換熱量Q越大,表示換熱性能越好。因此,單位換熱量的熵產可以作為評價多股流換熱器通道排列水平的一個評價指標,即多股流換熱器單位換熱量的熵產越小,換熱量越大,其換熱性能越好。因此單位換熱量的熵產最小原則可以應用于通道排列方式的選擇和優化,即單位換熱量的熵產可以作為通道排列的評價指標。    3·應用溫差均勻性優化原則的比較分析    根據對流換熱場協同理論,多股流換熱器的溫差均勻性因子可以應用于設計,指導通道排列,均勻性因子越小,說明該種排列方式越好,反之亦然。基于此,本文比較了溫差均勻性因子和單位換熱量熵產在多股流換熱器通道排列優化上的應用。仍然針對前面算例,計算每種排列方式的溫差均勻性因子和各通道的換熱量,計算結果如表3所示。    從圖中可以看出在誤差允許的范圍內,溫差均勻性因子φmulti和單位換熱量的熵產ΔSgenb、ΔSgenh三者的變化趨勢是一致的,最大值和最小值均發生在同種排列方式下。例如,ΔSgenb、ΔSgenh的極大值點橫坐標為5,極小值點橫坐標為8,而φmulti的極大值點與極小值點的橫坐標分別也是5和8。其他排列方式的溫差均勻性因子和單位換熱量的熵產大小也是一一對應的,即溫差均勻性因子越小,單位換熱量的熵產也越小。                     針對表3中每種排列方式下各通道的換熱量,根據Suessman的局部熱負荷平衡型通道排列法的思想,作過剩熱負荷與通道排列的關系圖(見圖5)。此圖中,縱坐標為過剩熱負荷,橫坐標為通道數,冷熱負荷具有相反的符號,縱坐標偏離零最小,平衡單元尺寸最小的排列即是最好的排列。從圖中可以看出,第8、第9種排列方式最好,而第5、第6種偏離零最大,平衡單元尺寸也最大,屬于最差的排列,與用單位換熱量的熵產最小理論和溫差均勻性因子方法得出的結論是一致的。至于其他排列方式的好壞,經過仔細比較分析,在誤差允許的情況下,與兩者計算出的結論基本上是一致的。從而通道排列的熱負荷平衡法證明了單位換熱量的熵產最小理論用于多股流換熱器設計的可行性。                     4·結論    通過對多股流換熱器換熱過程的熵產建模,研究與分析了其單位換熱量的熵產和換熱量的關系,得到如下結論:    (1)換熱過程的總熵產并不能評價多股流換熱器通道排列水平,而應以單位換熱量的熵產作為評價指標;    (2)多股流換熱器的單位換熱量的熵產可以定量地衡量通道排列的水平,單位換熱量的熵產越小,所對應通道排列的換熱性能越好。    參考文獻    [1]黃為民.熱工設備和系統的設計優化[M].北京:高等教育出版社,1998:7-8.    [2]崔國民,呂巖巖,張勤.換熱器網絡溫差場分析及溫差均勻性因子的建立[C]//中國工程熱物理學會傳熱傳質學術會議論文集,南京:2006,1608-1611.    [3]郭佳,崔國民,呂巖巖.基于量綱Ⅰ溫差均勻性優化因子的多股流換熱器的優化設計[C]//全國石油和化工行業節能節水技術——第二屆論壇論文選編.北京:化學工業出版社,160-163.    [4]高孝忠,崔國民,關欣,等.流體在不同定性溫度下對換熱網絡模擬及優化的影響[J].石油機械,2008,36(7):23-26.
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