化工进展2014-0700_editing

化工进展CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS换热器强化换热评价方法分析吴金星1，彭旭，栗俊芬，李亚飞，王力,张灿灿(郑州大学化工与能源学院，郑州450001)摘要：国内外学者做了很多关于换热器结构改进的研究，期望能够达到强化换热的目的。随之又有很多学者提出了换热器强化换热的评价方法，但是由于强化换热的评价很复杂，到目前还没有一个统一的评价方法。本文综合分析了换热器强化换热的各种评价方法，以及各种评价方法的适用条件，以便选用适当的评价方法。关键词：换热器；强化换热；评价方法中图分类号：DOI：AnalysesonevaluationmethodsofenhancedheattransferofheatexchangerWUJinxing1,PENGXu,LIJunfen,LIYafei,WANGLi,ZHANGCancan(SchoolofChemicalEngineeringandEnergy,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou,450001,China)Abstract:Alotofresearchonhowtoimprovethestructureofheatexchangerhavebeendonebythescholarsofdomesticandforeign.Whattheyexpectistoachievethegoalofenhancementofheattransfer.Andthentherearealotofscholarsputforwardontheevaluationmethodsofenhancementofheattransferofheatexchanger.However,becauseofthecomplexityoftheevaluationofenhancementofheattransfer,soithasnotyetbeenaunifiedrecognitionevaluationmethod.Inthispaper,comprehensivelyanalyzeallkindsofevaluationmethodsofenhancementofheattransfer，aswellasavarietyoftheevaluationmethod'sapplicableconditions,sowecanchoosethebestevaluationmethodexpediently.KeyWord:heatexchanger;enhancementofheattransfer;evaluationmethod0前言换热器作为能量系统中使用最广泛的单元设备之一，在石油、化工、动力、能源、冶金、航天、汽车、制冷、食品等领域被广泛利用。在工业生产中占有重要地位的换热器作为能量传递的基础设备，其传热性能的好坏对节能有着极其重要意义。为了达到节约了投资和运营成本的目的，有学者提出强化换热的概念，强化换热技术被誉为第二代传热技术，自20世纪80年代以来，该技术得到迅速的发展。强化换热技术包括开发强化传热元件和改变管壳式换热器壳程的支撑结构，应用强化换热技术能够显著改善传热性能。要确定换热器的改进是否合理，就必须要对改进后的换热器性能进行评价。换热器的性能不仅包括热工（传热与阻力）性能，而且还包括经济性、可行性、可靠性、安全性等等。在工程应用当中对换热器强化换热的综合评价应该考虑以上多种因素，现有的评标准则主要是以热工性能为基准。但是由于换热器本身形式的多样性，结构的复杂性，应用工况的多变性等原因，造成对换热器性能的评价很困难，所以到目前为止在国内外一直没有一个具有普遍性的评价方法。本文针对国内外学者对强化换热的研究结果，分析了强化换热的各种评价方法及其使用条件。资助项目：河南省重点科技攻关计划项目（项目号132102210406）。作者简介：吴金星（1968-），河南通许人，博士，教授，主要研究强化传热与节能技术研究。Email:[e-mail]彭旭（1989-），硕士研究生换热器研究初期对强化换热的评价方法选用的参数很单一，只采用总传热系数K和总压降ΔP，通过总传热系数是否增加、总压降是否减少来判断换热器的换热效果是否得到改良、摩擦是否减少，进而可以评价对换热器的改进是否可行。但是随着换热器研究的进一步深入，人们发现只单单的用这两个参数的大小来评价一个换热器已经不能够满足人们的要求，于是有学者提出用0/uuNN来做为换热器的评价方法。这些传统的换热器评价方法优点就是简单而且直观，但是这些评价方法只是从能量数量利用的方面进行评价，显然不够全面，不能满足人们的需求。1基于等泵功耗的评价方法换热器换热过程中的能量损失包含两个方面：一是推动流体流动达到一定速度时所消耗的动力；二是温差传热的不可逆损失。在采取强化换热措施之后，必然会增加换热器的阻力系数，而且阻力系数随着换热系数的增加而显著提高，如是有学者提出用00/uuNN来对换热器的强化换热过程进行评价，这个准则数越大，强化效果越好。从相同输送功率下热量传递大小的观点出发，提出了2/100/uuNN和3/100/uuNN准则。经过不断的实践检验，大家普遍认为3/100/uuNN方法能够很好的评价换热器的强化换热,并且中公式中需要的参数方便获取。为了避免折流板间距改变的影响，高晓东，冯霄[1]通过分析比较弓形折流结构无相变换热时壳程对流传热系数与壳程管束阻力的计算，表明采用1/331P/作为评价指标，能更准确反映强化传热的性能。而壳程强化传热研究一般以弓形折流结构下光滑管束作为比较的参照，因此也可以采用这一指标来对其综合性能进行评价。张舸、张寅平[2]综合能耗的考虑，提出一种换热器的显热性能评价的方法。因为叉流板式换热器的压力损失是风速的指数函数[2]，并且不同换热器的变化趋势不同。为比较不同形式换热器对应不同风速下的性能，他们提出用回收热量Q与泵功率N的比值来评价换热器性能，计算公式为:ΔpρcΔtΔpG/ρGcΔcNQ(1)经过长时间的实践检验，上述的几种方法在一定程度上能够满足一般的换热器的评价，但是对于一些换热器做要求更精细的评价，上述的方法显然不能满足要求。2基于熵增原理的评价方法随着换热器的不断发展，人们发现只关注能量数量的利用情况已经不能满足需要，人们不止想知道能量利用多少，更想知道能量的质量的变化情况。有学者提出了一系列应用热力学第二定律的评价方法。Bejan[3~4]提出了以熵产单元数SN作为评价指标。NS定义为换热器由于不可逆性产生的熵增与两种流体中热容量较大的一个的比值，即maxpsmcΔSN(2)在换热器中存在两种损失，即热损失和机械损失，它们能量形态虽然不同，但从热力学角度都可用熵产表示，则上式可转换为：TTTTdxdPqmNes1(3)显然ΔT与ΔP的增加，都会引起NS增加，若NS为零，则表示理想的可逆过程。利用NS评价换热器不仅着眼于能量的数量，还着眼于能量的质量，故利用NS来评价换热器较为合理。廖强[5]根据热力学第二定律，在熵产分析的基础上提出了新的传热性能评价方法--强化换热性能因数。换热器的总熵产单元数为：dxTTTdxdpqmdxdpqmLNNNLsss0w21222111211(4)为了使换热器的强化传热表面的传热性能有统一的比较标准，将强化传热表面的熵产单元数Ns与同条件下光滑表面的熵产单元数Nos之比定义为强化传热表面的强化传热性能因数φ即:ossNNΦ(5)采用强化传热性能因数除了能对采用强化传热表面的换热器的传热性能进行评价外，还可以对部分换热器的结构尺寸和运行工况进行优化设计。高青、卓宁[6]等人根据热力学第一定律和热力学第二定律提出用熵增原理来分析管内强化换热，为了便于分析比较，并具有广泛的应用意义，引人无因次嫡增表征可用能的损失程度，定义为可用能损失参数S。fNJNJNJQ/Δ/ΔSSuug1321u1221Re1(6)由上式可以看出，在整个管内换热过程中，其可用能损失S可以分成两部分，即传热部分和流动部分。为了便于分析研究，分别定义成传热的不可逆性用能损失（记为ST，）为了保持流动的用能损失（记为SP）PT132P1u1221TSSRe1SfNJSNJNJSuu；；(7)强化系数E表示未强化管的用能损失量sS与强化管的用能损失量rS的比值，即：rs/SSE(8)若E1，表明强化管的综合能量利用效果是有利的，若E1，则不利。也可根据强化系数确定强化管的能量利用增长程度。本方法以管内强化为例给出了方程，并进行了分析和评价，结果表明该方法物理意义明确，简单易用。3基于火用损的评价方法在一般情况下，换热器的收益火用即为冷流体得到的（火用）cE，消耗火用即为热流体放出的（火用）hE，于是换热器火用效率为:hohicicohceEEEEEE(9)从火用效率的定义可看出，常规的换热器火用效率在实际应用时其适用范围受到一定的限制，它没有考虑换热器的换热量大小，因此，把火用效率作为换热器的热力学性能评价指标存在一定的缺陷。杨波涛[7]对管壳式换热器进行分析，导出了管壳式换热器的火用损率计算公式。在不考虑散热损失时，管程以及壳程的火用损为：xtρdpmxTρdpmTxtdxπdqTxTdxπdqT-dEii22211101010(10)将上式沿整个换热面积分，得：pcEEE(11)其中eieimeieimmmic/tt-tt;t/TT-TT；Tt-Tlπd-qElnln111在对流传热过程中，由传热温差引起的火用损和因流动阻力引起的火用损是不等价的，后者必须由高品位的机械功来补偿，它与热火用之间有一个折算系数n[8]，通常dmcηηηη，约为5～7。于是，式(10)应改为:pcnEEE(12)式(12)为管壳式换热器的火用损率计算通式，适用于各种结构的管壳式换热器。吴双应[9]等人引入可用能损率这一指标对串联组合的换热器系统的热力学性能进行了分析和评价，给出了换热器系统可用能损率的一般计算式。换热器系统单位传热量的火用损率即可用能损率eq为:01110111ln/111lnREERREQSTegq(13)4基于火积耗散的评价方法柳雄斌、过增元[10]等提出用换热器的火积耗散率来作为换热器的新评价方法。换热器中的火积耗散率为进入换热器的总流减去流出换热器的总流：222205.05.05.05.0-EEEcochohcichihiTCTCTCTC(14)对于一维顺流或逆流换热器，火积耗散率又可表达为：dxxTxUdxxTxTxqLchL2E(15)式(14)和(15)虽由单流程换热器导出，但是它们同样适用于任何流型的换热器，而且还适用于变传热系数的情况。他们还提出用换热器中的耗散率定义换热器的当量热阻。2hQRE(16)其中Q是热流，dΩdndTKEΩΦ2是介质中的火积耗散率，Ω是传热域。它适用于不同流程布置的换热器。因此，有效度-热导(热阻)方法能更方便于不同类型换热器性能的分析和比较。5基于热经济性的评价方法郭宏伟[11]以收益火用的年计算费用最少为目标，进行热经济分析，计算公式为：BP*ECFn）（(17)式中，F-年计算费用，元/年；C-年生产成本，元/年；B-年收益（火用），kJEn-标准投资效果系数，国家规定不得小于0.2；P-热交换器的固定成本，元/年热经济分析法