热管式换热器的热力学分析

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1、第 ?卷第? 期 ? 年 ?月 浙 江大 学学报 ?的? ? 口 ?劫? ? ? ?认? ?自然科学版? ? ?兹? ? ? ? ? ? 迎亏 , ? ? ? ? ? ?一 ? ? , ?,叼 年 热管式换热器的热力李分祈 一 朱华注昭亮屠传经 ?能源工程系? 提要 目前对热管式换热器的研究大都是基于能量守恒定律 , 从传热学角度研究其传热性能 , 从热 力学能量利用角度进行的研究相当少 ? 本文以热力学第二定律为基础 , 用规参数对气一气 、气一 水 组合型热管式换热器进行了劝优化分析 , 提出了冷 、 热流体参数的优化选择方案 , 并且从热力学观 点研究了这种类型换热器的工作效率 ? 此外

2、 , 本文也为换热器的规分析提供了一个可行的研究方 法 。 关键词 ? 热管式换热器 ? 规效率 ? 有限温差 ? 不可逆 ? 粘性耗散 ? 引言 ? 热管作 为一种高效传热元件受到了世界各国的普遍注意 , 以节能为 目的的研究已将热管 大量应用到工业领域 , 作为一种高效换热设备或余热回收装置 。 目前对换热器?尤其是热管式 换热器?的能量回收效益的定量分析都是基于热力学第一定律能量守恒定律进行的 , 而以 热力学第二定律为基础对其传热过程进行的研究不多见 ? 实际上 , 一个系统所含有的有效能量 并不等于其全部内能或所传递的全部能量 , 应当用系统有用能规来衡量能量回收的经济 效益 , 这

3、对于指导换热器设计有着特殊的意义 。 本文以热力学第二定律为基础 , 提出了气一气 、 气 一水组合型热管式换热器的换热模型 , 分析了传热过程中的妮损失 , 研究了热管中的工质 及热 、 冷流体参数对换热器效率的影响 , 并为换热器的拥分析提供了可行的研究方法 。 我国有不少小型 工业锅沪没有尾部换势面 , 近年来 , 节能的要求使组合型热管式换热器被 大量地应用在这种小型工业锅炉上 , 因此 , 本文就以一台用于 ? 吨工业锅炉的组合型热管式换 热器为实例进行分析 。 ? 组合型热管式换热器的热力学模型 由于组合型热管式换热器的结构十分紧凑 , 其冷 、 热流体的动能烟和势能规均可忽略 ,

4、 因 本文于 ? ? ? 年 ? 月 ?日收到 ?右?浙 扛 大 李 一 学 报?自然科学版? ? ? ? 年 此它可看作是一个稳态稳流的开口系统?如图 ? 所 示? ? ? 对于其中的某一根热管?如图幻 , 粗略其匆沙卜 散热写其烟损失见。为 于 汽化段 ? ?一 讯 聂 一 六 ?“ ? ? ? , 一 ? ? ?聂一 会 ? ? 冷凝段 ? ? 其中? , 为管内载热质的饱和温度 , ? ?为环境温度 , ?为换热量 , 孔 、? ? 分别为热 、 冷流体的 温度 。 ? ? 丁? 、 勺 一 空气 预热 器部份 烟气 “ ? ?。一 ? ? ? 环境 ? ? 。, ? 。 ? 水 ?

5、心 ?一 图 ? 热力学模型?组合型热管 换热器?图 ? 单根热管的热 流方式 于是 , 整根热管的热量拥损失为 一 ? ? 、 ? ? ? ?一 ? ? ?聂一 六 ? ? 由式? ?可知 , 热管的管内工质对传热过程中的热量炳损失没有影响 。 热管式换热器的物理模型如图 ? 所示 , 它可以被称为 “离散连续 模型”即热流经过每一个 离散块?这里以一排热管作为一个离散块?连续地被工质从热流体传递到冷流体 。 ? 组合型热管式换热器的烟效率 图 ? 表示了热管式换热器的规平衡 , 拥效率可表示为 ,? 乳一 ? ? ? 一凡 , ? , 一 凡 ? ? ? ? ? 一 ? ? ?乳? 、,

6、?一氛 、 一 二 又 一? 丁? 一 ? 下石?弃宕尸万? ? ? ? ?六? ? 万二 少 碌 ? 气? 一 ? ? 才几少? ? ? ? ? 叮盖 第 ? 期 朱 华等 ? 热管式换热琴 的 热力学介析? ? ?丫 , ? 肠 朴 ? 热流体? 曰曰曰口口口口 ? ? ? 口口 ? ? ? 口口口口 、 场介闰 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 】? ? ? ? ? 厂厂 冷流体 ? 。 环境 ? ? 。, ? 。 图 ? 热管式换热器的物理模型 ? 图 ? ? 热管式换热器的拥平衡 其中?表示活规 , 了为热力学平均温度 , ?为换热量 , 下标?表示热流

7、体 、 表示冷流体 , 下标 ? ? 邺味示进 出口值声为由粘性耗散 引起的不可逆烟损失系数 , 右一 凡? ? 。 , 凡 为粘性耗散 娴 , 凡 ? 为热量规 。 ? ? ? 热平衡烟效率从? ? 。 一 ? ? ? 根据测试结果 , 组合型热管式换热器的热平衡效率在空气预热器部分和省煤器部分均接 近 ? ? 。 ? ? ? 热量烟效率粉 ? ?一? ? 。 ? 一? ?了 ? 在环境温度爪 一? 时 , 分析实例的热量规效率分别为 ? 空气预热器部分 ? 粉 一? ? ? ?铸 省煤器部分 ? 粉 二? ? ? ?呱 ? ? ? 压力规效率称? 其中 ?一之 ? ?氛 ? 右? ? 扭?

8、。 ? , , 一滋? ? ? ? ? , ? 凡 ? ? ? 一孔?了? 其中?为气体常数 , 示为气体的质量流量 , ? 为气体的压力 , 根据式? ? ?,? ? 可得分析实例的压力规效率分别为 ? 空气预热器部分 ? 礼 ? ? ? ? ?铸 省煤器部分 ? 琳 一 ? ? ? ? 呱 ? ? ? 总规效率 乳一从 乳? 从 户 综 合以上数据可得组合型热管式换热器烟效率为 ? ? ? ? ? ? ? 浙扛大 学学 , 报?自然科学版? ? ? ? 年 空气预热器部分 ? 从? ? ? ? ? ?呱 省煤器部分 ? 从一? ? ? ? ? ? 组合型热管式换热器中分离点的确定 组合型热

9、管式换热器中空气预热器部分和省煤器部分之间的分离点 , 以受热区域的烟气 温度 ? , 为标志?图 ? 。 忽略额外热散失和压力损失 , 整个换热器的总热量蛹损失可表示为 ?。一 ? ?凡 华二票 典 ?。 黔 ? 黑匕奥续 ? 。 黔 ? ?。 华 、? ? 一 工 。一, ? 一? 气? 冬 一 诬? 二 卜 碗 诬,? ? 从式?我们得到一个参数 。 ?了屯 ? 一?奋 , ? ? ?孔 ? ?兀 ? ?兀 ? 一孔 ? ?口飞 ? ?石 ? ? 其中下标?代表烟气 ,。 代表空气 , ? 代表水 , ? , ? 分别表示进出口值 。 当 咋 ? 咏分离点上烟气温度? ? 的变化?不是非

10、常大?对总热量蛹损失不产生任何影 响 ? 当 ? ? ?时 , 应当设法降低? ? , 即调整气 、水两 部分的换热量的比例 , 以减少热量蛹 损失 ? 当 “ ? ? 时 , 则需要交换气 、水两部分换热 器的位置 , 并设法降低九 , 使之经济合理 。 用参数 ? 确定 前后两部分换热器的分离点可以减少热量蛹损失 , 提 高换热器蛹 效率 。 这种确定方法不仅适 用于组合型热管式换热器 , 对于同一烟道中前后换热器的分配布置也同祥适用 。 ? 从蛹观点进行冷 、 热流体最佳参数选择 根据前述的模型 , 热管式换热器在传热系数为? 、 热管排数为 ? 、 每排总换热面积为?时 传热公式表示为

11、 ? ?一? ? ? 一? ? ? 整个换热器中有限温差传热的不 可递程度指标 丫汀可表示为 , ? ? 丫 汀一 头? ?一 孕漂华 丫 ? ? 通 ? ?人 一 诬。 ? ? ? 在 组合型热管式换热器的空气预热器部分 , ?为常量 , 于 是有 丫 ,二 一 娶? ?一 黔 ? 孕二季 ? ? 一? ? ? 记 ? 诬 ? 上几 一 ? ? ? 其中? ? 从 。? ? , 一兀 ? ? ? ?。? , ? 。? ? ? ? ? 对于逆流 , 有 乙? ? 一? 。 一爪 ? ? ? 一? 、? 一? ? ?。 从计算结果图? 、 图?可以看出 , 对于热管式换热器 , 在任何工况下都应

12、当选择小温差 。? ? , 也就是使冷流体的出口温度与热流体的进口温度(逆流布置时)之差尽可能小 , 以保证系 统具有较高的蛹 效率 , 而热参数碗*q ;/城q 。 最好控制在1.1 2之间(对于气气换热部分) , 这 样可以保证具有较小的 乙T :。 第 4期 朱 华等 :热管 式换热器的热力学分 析469 . . .、. . .匆抽 、. . .、 、 、 、 、 160180200220 、 、, 、 。 八d。 日 二 do任 6 0图 T :( C ) 图 5 热量蛹效率与温差 T Z 的关系 么T , (亡) 热参数与温差 T : 2 2 0 关系 5 从蛹观点分析冷热流体的最佳

13、流速 热管式换热器中的空气和烟气的流速对热回收的经济性有很大影响 。 当流速提高时 , 传热 增强 , 但压 力损失也同时增大 , 其蛹损失的变化趋势不清楚 。 由流速引起蛹的损失 凡包括由有 限温差造成的不可递蛹 损失 五汀和由粘性耗散引起的蛹损失 凡 , 其总蛹损失为 dE , 一 T od S 一 T o(d s 。 + d s, T )(18 ) 其中ds 为系统的嫡产 , 有 ds护 d s, T- 一滋 一Vd P/T- 1 户二厂七r书性“O n 艺 (1 9) 1 1二。 (T b一 T )2 不石 一 石干IQ 砚 - 一-石干二石尸一- . n 入Q n 诬1 丈1 (2

14、0 ) 其中 “ 为流体流速 , 乙为热管壁温 , T 为流体温度 , h 为热管管外换热系数 , C . 为热管管外 流动阻力系数 , 引入相应的计算公式 二” , 得到 图7所示曲线 。 由图 7 可以看到 , 冷流体(空气)具有最佳 流速 , 约1 4m/s , 而在烟气侧 , 热量蛹损失远大 于 压 力蛹损失 , 所以热流体的速度变化对捅效 率的影 响较小 , 控制冷流体的流速显得更为重 要 和有效 。冬召 1 阁 6 结论 10152 025 u( m/s) 图7最窄截面处流速与蛹损失的关系 (其中1一冷流体 , 2一热流体) (l ) 热管中的工作介质对热管和热管式换 热器的蛹效率

15、没有影响 。 ( 2 ) 热管式换热器可以看作是一个稳态稳 流的热力学 开口系统 。 ( 3 )热量蛹效率是 影响热管式换热器 总蛹 浙江大 学学报(自然 科学版) 1993 年 效率的主要 因素 , 因此提高热管式换热管器蛹效率的关键是提高其热量蛹效率 。 ( 4 )用参数 判断换热器前后部分的分配是 否合理 , 尽量使 。 1 , 这样 当工况改变时 , 系统 的热力性能仍能保持稳定 。 ( 5 )尽量选择小温差 。T Z, 控制热参数(碗q ) / (滋q) 和冷流体流 速在合适的范 围内 , 以 保证系统具有较高的蛹效率 。 参考 文 献 2 3 4 5 宋之平 、 王加漩 , 节能原理 , 水利 电力出版社 , 北京 , 1985 B e ll , H . D . , P r in e i P l eo f T h er m o d y n a m i esan d In d us tr i a lA pp li ea tion , 1983