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换热器的性能分析

发布时间:2017-02-04
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换热器广泛应用于制冷、化工及能源等工业生产各领域,它是许多工艺过程必不可少的单元设备之一。因此,如何进行换热器的优化设计、提高换热器的性能对于改进工艺生产过程、降低能量消耗具有一定的意义。为此,许多学者从能质角度对换热器性能进行了分析。
运用火用分析法对高低温换热器的热力学性能进行了具体分析,讨论了换热器传热单元数、冷热流体热容量比等参数对火用效率的影响,得到了一些有益的结论。然而,应该指出,已有的研究都没有系统考虑冷热流体入口温度对换热器热力学性能的影响,特别是对低温换热器,研究得则更少。尽管工程上很多换热器的冷热流体入口温度在一定的工艺过程中是给定的,而不能象冷热流体热容量比R和传热单元数Ntu那样自由选择而得到优化值,但仍需要对现有换热器在当前运行参数下进行用能分析和评价,包括考虑冷热流体入口温度的影响,从而发现现有的换热器的不可逆损失状况。
为此,针对工作在环境温度以上的常规高温换热器和在低于环境温度下工作的低温换热器,在不考虑压力火用损失和考虑压力火用损失这两种情况下,利用火用分析方法系统分析冷热流体入口温度对以上两种类型的换热器热力学性能的影响,从而进一步完善对换热器热力学性能的分析。高、低温换热器火用效率的一般计算式,考虑所示的典型换热过程,假定流动与传热过程均处于稳态,不计换热器轴向导热及散热损失,且不考虑流体物性的变化。

为叙述方便,特对量符下标作如下定义:“i”表示进口,“o”表示出口;“c”表示冷流体,典型换热过程“h”表示热流体:“t”表示管侧,“s”表示壳侧:“∞”表示环境状态。

换热器中流体比火用变化的微分形式为[5]:de=cp(1-T∞/T)dT v-(T-T∞)5v5T影响p火效率dp(1)式中,v为流体比容;cp为流体比热容。

由上式积分得:△e=∫po,Topi,Ticp(1-T∞/T)dT ∫po,Topi,Tiv-(T-T∞)5v5T热力能进p热器dp(2)式中,第一项为流体温度比火用的变化,即△eT=∫po,Topi,Ticp(1-T∞/T)dT(3)第二项为流体压力比火用的变化,即△ep=∫po,Topi,Tiv-(T-T∞)5v5T这两种pdp(4)换热器火用效率的定义式为:ηex=流体收益的火用△E流体消耗的火用△E(5)对于工作在环境温度以上的常规高温换热器而言,热流体放出热量,温度下降,热量火用减少,即△eTh<0;冷流体吸收热量,温度上升,热量火用增加,即△eTc>0,则对常规高温换热器而言,其火用效率为:ηex=Gc(△eTc △epc)-Gh(△eTh △eph)(6)式中,G为流体质量流量。