换热器效能评价的新方法

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1、全国能源与热工 2008 学术年会 489 换热器效能评价的新方法换热器效能评价的新方法 徐 正 吕英华 曾 阳 （中钢集团鞍山热能研究院有限公司 辽宁鞍山） 摘摘 要要： 用热力学第一、第二定律及物质能级分析换热器制造使用中的能量流向，确立衡量换热效果的新尺度 关键词关键词： 换热器；熵；火用；火无；平均能耗 A New Method for Evaluation of Efficiency of Heat Exchanger XU Zheng LU Ying-hua ZENG Yang （Sinosteel Anshan research institute of thermo-energ

2、y, Anshan, Liaoning） Abstract: Analysis energy flow in application and manufacture of heat exchanger by use of the First , the Second Law of Thermodynamics and energy levels of matter, establish new scale of heat transfer enhancement performance. Key words: Heat exchanger; Entropy; Exergy; Anergy; A

3、verage energy 换热器是工业上进行热交换的主要设备，在 工业的各个领域中进行广泛的物质之间的热交 换。目前在换热器的设计过程中，已经有很多关 于如何进行优化的理论，但是如何衡量换热器的 效率，如何才能用最少的材料、能量消耗获得最 大的、最有效热量的转换，下面是笔者对这些问 题的粗浅探索。 1 热量的描述 在所有的工业中，设备的热交换都符合热力 学第一定律和第二定律。第一定律主要描述能量 数量的守恒，第二定律主要描述过程运行方向 熵增加的方向。这样，根据这两个定律对于参 加传热的热量的评价就有了两个方面的内容：一 个是热量的数量，一个是热量的质量。 热量的数量是系统能量平衡的数学描述

4、，是 热力学第一定律的表现形式；热量的质量是系统 传热方向的数学判断依据之一，是热力学第二定 律的表现形式。 用 来 描 述 热 量 质 量 的 物 理 量 为 有 效 能 （Exergy） ，又称为火用，它表示热量中能够对外做 功的部分；而热量中不能对外作功的部分称为火无 （Anergy） 。 在一个封闭的体系中，无论进行什么样的过 程，这个体系内的熵都是不能减少的。如果过程 是可逆的，那么熵既不增加也不减少，如果过程 是不可逆的，那么熵是增加的。这样就可以知道， 在我们所处的环境体系中，火用的数量是不可能增 加的。 2 换热器的能量转换分析。 换热器进行热量转换的目的只有一个：对可 以做功

5、的热量即有效能火用进行从一个载体到另外 一个载体的转移。但是换热器在进行有效能火 用转移的过程中，同时也转移了不能对外做功的热 量 火无，而且在进行转移时，火用还存在着一定的 损失。从热力学定律的角度来看，热量转移的效 果依然可以用两个方面的内容来表达：一个是总 热量（包括火用和火无）的转移量，另外一个是火用的 转移量。作为一个封闭体系，火用的值始终在减少， 这样可用于对外做功的热量也越来越少。 ，换热器 作为一种能量转换设备，它需要尽可能多的转换火 用的量，因此换热器所能转换火用的数量就代表了换 热器的转换能力。 3 换热器本身消耗的能量分析 换热器是一种设备，设备在制造、运行时都 需要消耗

6、一定数量的能量。 人们在制作换热器时所需的材料，绝大多数 情况下是通过消耗一定的能量、经过一定的过程 节能技术与装备 490 才能从周围环境中得到，在得到这些材料的同时， 也会造成火用的减少。通常，人们把一定时期内为 获取这些材料而消耗的平均能量称作该材料的平 均能耗。平均能耗是个统计的概念，具有一定的 时效性，普遍性。材料的平均能耗与材料用量的 乘积来代表了为制造换热器而使用的材料的能量 消耗，在这里把材料看成能量的物质载体。这样 做的好处是可以把换热器的物质和能量统一起 来，为以后的换热器评价提供参考基准。 在制造换热器的过程中，需要经过运输、机 加工、焊接、安装等工序，每道工序都需要消耗

7、 一定的能量，损失一定的材料。这些能量与材料 的消耗也应该属于换热器自身的能量消耗，在进 行换热器评价时需要考虑。实际上，笔者认为取 一定时期内行业平均加工能耗就可以代表制造换 热器所需要的能量消耗了。 换热器投入使用后会必然造成系统一定的阻 力损失，为了克服这些阻力，系统需要消耗一些 额外的能量，这就是换热器本身运行时的动力消 耗能量。 无论是换热器材料消耗的能量，还是换热器 运行时动力消耗的能量，它们都包括了火用和火无， 它们的和代表了换热器作为一个设备制造、运行 时所需要的总的能量。 4 换热器评价标准 目前通常情况下，衡量一台换热器的性能， 主要考虑几个具体的因素：1 换热量；2 综合

8、传热 系数；3 传热面积；4 阻力损失。它们分别体现了 换热器的传热能力，换热器的体积大小，换热器 的动力消耗程度。但是这些因素所体现的都是换 热器自身的热力学第一定律能量守恒定律的 内容，基本根据就是热量平衡，考察的目标是热 量的数量。 但是换热器是一种热工设备，分析它的能量 转换与损失情况需要从两个方面来考虑：一个是 转换能量总数量的效率，一个是转换有效能的数 量的效率。这样就可以用两种方法来分析换热器 的效率：一种是能量分析，另外一种是有效能分 析。两种分析的结果，对应两种不同的换热器衡 量标准。 4.1 以有效能转移能力为基础的换热器评价标准 首先，定义一个概念：单位有效能转换比。 它

9、的具体内容是：消耗单位能量的换热器的火用转 换能力。用公式表达就是： + = 动力制造平均 EEEm Ex i ii （1） 其中：换热器的单位有效能转换比， KJ/KJ Ex单位时间换热器转移的火用值，KJ/h 换热器使用寿命，h i m制造换热器所用的第 i 种材料的用量， kg 平均i E制造换热器第 i 种材料的平均能耗， KJ/kg 制造 E制造换热器所消耗的平均能量，KJ 动力 E换热器的单位时间动力消耗，KJ/h 单位时间换热器转移的火用值，指的是单位时 间内目标流体所得到（如果目标流体需要加热， Ex为正值；如果目标流体需要冷却，Ex为负值） 的火用值。换热器在进行热量转移的时

10、候，必然存 在一定的火用损失，在满足工艺条件的情况下减小 这个损失，就能够提高换热器的转移效率。 在满足工艺要求的情况下，合理组织换热器 的材料构成与材料用量，使得 i ii Em 平均 的值 最小，也能提高换热器的单位有效能转换比。 提高工艺水平，降低行业加工能耗，合理组 织生产流程，从而降低换热器制造能耗，也是提 高换热器单位有效能转换比的一个重要途径。 换热器的动力能耗与换热器的单位时间动力 消耗和换热器的寿命有关系，它们的乘积出现在 （1）式的分母上，只有它们的乘积最小时，在其 它条件相同的情况下换热器才能有最大的单位有 效能转换比。 4.2 以热量转换能力为基础的换热器评价标准 同样

11、的也需要先定义一个概念：单位热量转 换比。它的具体内容是：消耗单位能量的换热器 的热量转移能力。用公式表达为： 全国能源与热工 2008 学术年会 491 + = 动力制造平均 EEEm Q i ii （2） 其中：换热器的单位热量转换比，KJ/KJ Q单位时间换热器转移的热量值，KJ 换热器使用寿命，h i m制造换热器所用的第 i 种材料的用量， kg 平均i E制造换热器第 i 种材料的平均能耗， KJ/kg 制造 E制造换热器所消耗的平均能量，KJ 动力 E换热器的单位时间动力消耗，KJ/h 不难看出，公式（2）和公式（1）的区别就 在分子上，公式（1）中的单位时间换热器转移的 火用值

12、被替换成了单位时间换热器转移的热量值。 换热器转换的热量既包括了火用值又包括了火无值， 因此换热器的单位热量转换比标定了换热器对火用 和火无共同的转移能力。在高质量热量并不重要的 转换场合，换热器的单位热量转换比就成为衡量 换热器效能的一个重要依据。 5 结论 通过前面的分析，我们可以得出几点结论： 1）换热器作为一种重要的热工设备，在行业 中消耗的材料和能源也是十分巨大的，所以换热 器自身所消耗的能量也需要作优化，消耗最少的 能量获得最大的转换效果； 2）考察换热器的标准可以有两个，分别依据 热力学第一定律和热力学第二定律； 3）本文提出的换热器的两个评定标准，都是 具有统计性质的概念，具有

13、一定的统计性和时效 性； 4）在大多数工业过程中，换热器需要尽可能 多的转移火用，因此单位有效能转换比是需要突出 和强调的评定标准； 5）由于在一定的时期内，社会生产水平决定 了制造过程的火用损失是一个比较稳定的数值，所 以为了简化计算和实用，不宜采用火用效率； 6）换热器的优化设计需要对工艺要求、材质、 制作能耗、动力能耗、使用寿命等因素综合考虑。 换热器是现代工业不可缺少的能量转换设 备，在工业总装备中所占比例越来越大。在大力 提倡节能降耗的今天，优化换热器的设计无疑能 够在已有的节能水平上进一步增强节能效果，为 使我国 GDP 能耗达到十一五的目标提供保障。 参考文献 1成思危,过程系统

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15、pers, J.A, A Two Fluid Micro Blance Model of Fluidized Bed. PhD thesis, University of Twente, The Netherlands, 1990. J. Ding and D. Gidaspow.A Bubbling Fluidization Model Using Kinetic Theory of Granular Flow. AIChEJ., 36 (4) :523-538, 1990. 6Grace J. R., Avidan A. A., Knowlton T. M., Circulating Fluidized Beds, Chapman&Hall Press, 1997 7Chen Hongwei, Gao Jianqiang, Li Yonghua, Zhen Zhi, Real- time SimulationModel on Combustion System of 450 t/h Circulating Fluidized Bed Boiler, 17th hit.Conf. on Fluidized Bed Combustion, ASME, 2003.