换热器的_效率分析

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1、换 热 器 的火 用效 率 分 析重庆大学 吴双应 李友荣摘 要 以热力学第二定律为基础,对换热器的4种火 用效率进行了分析,讨论了冷热流体热容量率比R、 传热单元数Ntu和换热流型对换热器各种火 用效率的影响。本文结果为工程上各种换热器的热力学性能分析和评价提供参考。关键词:换热器 火 用效率 分析中国图书资料分类法分类号: TK123换热器是各种能量系统中使用最广泛的单 元设备之一。目前对各种各样的换热器的性能 分析一般有两种方法,一种是依据能量的数量 守恒关系,即以热力学第一定律为基础,分析换 热器的能量在数量上转换、 传递、 利用和损失的情况,并以能效率来反映它的性能;另一种方法 则是

2、根据能量中火 用的平衡关系,即以热力学第 二定律为基础,分析换热器中火 用的转换、 传递、 利用和损失的情况,并以火 用效率来反映其性能。 显然,能效率无法分析换热器中存在的能量质的贬值和损耗,从而不能揭示能量损失的本质; 而火 用效率则是从能量质的角度来分析和评价换 热器的性能,从而更加科学和全面,同时对换热 器的节能和优化设计有着重要的指导意义。应 当指出,虽然火 用效率有很多优点,但火 用效率有着一定的不确定性,迄今尚缺乏统一的标准。火 用效 率的定义为ex=作为收益的火 用 作为代价的火 用。(1)表面看来,火 用效率定义并不复杂,只要确定了哪 些是收益的火 用,哪些是消耗的火 用,就

3、能按上式计 算出相应的火 用效率;问题在于由于在不同的工 艺过程中换热器所起的作用不同,同时由于考 察换热器中火 用的损失和目标的不同以及各人主观见解不同,从而导致人们对火 用效率定义中收 益的火 用和消耗的火 用有不同的理解,也就产生了收稿日期: 1998201225 吴双应,男, 1968年生,讲师, 1994年在重庆大学获工学硕 士学位。热力工程系, 400044.不同的火 用效率具体定义形式1, 2。目前讨论最多 的是换热器的目的火 用效率,而对其它火 用效率则 讨论得较少,为此,本文对换热器的各种火 用效率 进行分析、 讨论和比较,从而为工程上各种换热 器热力学性能的分析和评价提供参

4、考。1 换热器中各种火 用的定义111 数学模型 考虑如图1所示的典型换热过程(To为环 境温度, K)。假定传热及流动过程均为稳态过程,物性为常数,且不考虑轴向导热、 散热和流 动火 用损失,则冷热流体进出口火 用分别为Ehi=GhCph(Thi-To-TolnThi To),(2)图1 典型换热过程第14卷第4期 电 站 系 统 工 程 Vol . 14 No. 41998年7月 Pow er System Engineering Jul .1998Eho=GhCph(Tho-To-TolnTho To),(3)Eci=GcCpc(Tci-To-TolnTci To),(4)Eco=GcC

5、pc(Tco-To-TolnTco To);(5)式中,GcCpc与GhCph分别为冷热流体的热容量 率;Thi、Tho为热流体的进出口温度;Tci、Tco为冷 流体的进出口温度。 定义冷热流体热容量率比R=GcCpc?GhCph,传热单元数Ntu=kF?GcCpc,换热器传热有效度 = (Tco-Tci)?(Thi-Tci),于是Tco=Tci+(Thi-Tci),(6)Tho=Thi-R(Thi-Tci);(7)显然,=f(R,Ntu,换热流型),其具体函数关系 可参阅文献3,其中交叉流动以一种流体横向 混合,另一种流体不横向混合的一次交叉流动 为例进行讨论。112 换热器各种火 用效率定

6、义式1. 2. 1 普遍火 用效率 ex1 当热流体出口火 用Eho不再回收利用,成为外 部损失时,此时使用普遍火 用效率,即ex1=Eco-Eci Ehi。(8)由(2)、(4)、(5)及(8)式,并令c=Tci?Thi,co=To?Thi,得ex1=R(1-c)-coln1+(1-c)?c 1-co+colnco。(9)1. 2. 2 目的火 用效率 ex2当冷热流体出口火 用在下道工序作为入口火 用 被再次利用不成为外部损失时,可按目的火 用效 率 ex2定义,即ex2=Eco-Eci Ehi-Eho。(10)目前,该火 用效率在对换热器的热力学性能分析和评价时用得较多,由(2)、(3)

7、、(4)、(5)及(10) 式得ex2=R(1-c)-coln1+(1-c)?c R(1-c)+coln1-R(1-c) 。(11)1. 2. 3 传递火 用效率 ex3 当评价换热器本身的火 用损失率时,采用传 递火 用效率定义较合适,即ex3=Eho+Eco Ehi+Eci。(12)由(2)、(3)、(4)、(5)及(12)式化简,得ex3= 1-R(1-c) -co-coln1-R(1-c)?c?co+Rc+(1-c)-co-colnc?co+ (1-c)?co?1-co+colnco+Rc-co-coln(c?co) 。(13)1. 2. 4 火 用传递有效度 ex4 当只关心换热器某

8、一种流体火 用的变化时,如余热回收换热器等,笔者曾提出一个新的换 热器热力学性能评价指标火用传递有效度ex44,其实它也是一种火 用效率。当取目标介质为冷流体时,可定义火 用传递有效度ex4=冷流体火 用变化 冷流体最大可能火 用变化=Eco-Eci (Eco-Eci)max。(14)由(2)、(3)、(4)、(5)及(14)式化简,得ex4=(1-c)-coln1+(1-c)?c 1-c+colnc。(15)2 结果分析和讨论图2给出了4种火 用效率在不同流型情况下 随冷热流体热容量率比R的变化情况。从图中 可看出,对其3种常见流型换热器,普遍火 用效率ex1随R的增加先增大后减小,即存在一

9、最佳Ropt使普遍火 用效率 ex1达到最大;目的火 用效率 ex2只在逆流情况下才存在最佳Ropt使 ex2达到最大,对顺流和交叉流情况下则单调递减;而传递火 用效率 ex3和火 用传递有效度 ex4不管对什么流型 都随R的增加单调递减。另外,从图中还可看 出,当R增加到某一值时,普遍火 用效率ex1、 目的火 用效率 ex2和传递火 用效率 ex3三者相等。 这表明,对于较大的冷热流体热容量率比R,采用 ex1、ex2和 ex3的方法定义换热器火 用效率在计算结果上都相等,而火 用传递有效度 ex4和前3种火 用效率 不管在多大的R情况下都不会相等。9第4期 吴双应等:换热器的火 用效率分

10、析图2 不同流型下4种火 用效率随R的变化曲线 ex1 -2-ex2 -222 ex3 2222 ex4Ntu= 2. 0 c=co= 0. 8图3 不同流型下4种火 用效率随Ntu的变化曲线 ex1 -2-ex2 -222 ex3 2222 ex4R= 0. 6 c=co= 0. 8图3给出了4种火 用效率在不同流型情况下 随传递单元数Ntu的变化规律。从图中可看出, 对3种常见流型的换热器,传递火用效率 ex3随Ntu的增加先减小后增大,即存在一Ntu使ex3达到最小,由于该火 用效率考察的是换热器本身的火 用损失率,因此该Ntu即为最佳传热单元数;其它3种火 用效率 ex1、 ex2和

11、ex3都随Ntu的增加单调递增,且在较大的Ntu情况下,增加速度缓慢。 另外,综合图2和图3还可看出,对3种常 见流型的换热器,在一般情况下都有 ex1ex2 ex3;同时,对这4种方法定义的换热器火 用效 率,在其它条件相同时,(下转第30页)01 电 站 系 统 工 程 1998年第14卷矩阵R作进一步扩充和修正,则能使振动故障 得到更准确的诊断。参 考 文 献1 邵成勋,黄文虎,须根法 1 模糊数学方法在汽轮机振动故障诊断中的应用 1 机械设备故障诊断技术国际学术会议(CSMDT86)论文集,沈阳, 1986. 961002 黄文虎,夏松波,刘瑞岩1设备故障诊断原理、 技术及应用1北京:

12、科学技术出版社, 19963 李录平 1 汽轮发电机组振动故障诊断 1 热能动力工程,1993, 8(4): 1941994 伍行健,史铁林,叶能安,等 1 汽轮发电机组故障的振动特征与自动识别 1 华中理工大学学报, 1993, 21 (1): 1051105 牛玉广 1 汽轮发电机组故障诊断的理论、 方法与系统研究: 华北电力大学博士学位论文, 19966 阮 跃,徐世昌,黄文虎 1 旋转机械振动故障的动态模糊诊断 1 发电设备, 1997(5): 911Study on Fuzzy D iagnosisM ethodof Vibration FaultsRuan YueAbstract:

13、On the basis of establishing the math2ematicalmodels of fault mechanism research and faultdiagnosis,the shortcom ings of the fuzzy diagnosismethod of vibration faults were analyzed.A ccordingto the positive and negative degrees of symptom s tofaults, the fuzzy screen matrix was put forward.Themathem

14、aticalmodel that reflected the essence of faultdiagnosiswas set up.Key words:vibration fault;fuzzy diagnosis;mathematicalmodel 编辑:春 昱(上接第10页)一般逆流换热器的普遍火 用效率 ex1、 目的火 用效率ex2和火 用传递有效度ex4最大,顺流最小,交叉 流介于两者之间,而对传递火 用效率则不是这样,ex3只有在Ntu大于某一值时才符合以上规律,因此,如果笼统地认为逆流换热器的火 用效率最 大,顺流换热器的火 用效率最小是不正确的,必须 指明采用哪种方法定义换热

15、器火 用效率才能得出正确的结论。3 结论本文给出了换热器4种火 用效率的定义式和 计算式,讨论了冷热流体热容量率比R、 传热单元数Ntu和流型对换热器4种火 用效率的影响,得 出了一些有益的结论。 在工程实际中,必须根据 换热器在工艺过程中所起的作用,正确分析收 益的火 用和消耗的火 用,指明采用哪种方法定义换 热器的火 用效率,从而使分析结果具有适应性和针对性。本文的结果可为工程上各种换热器的火 用效率分析提供参考。 参 考 文 献1 朱明善 1 能量系统的火 用分析 1 北京:清华大学出版社,19882 李汝辉,等 1 能量的有效利用 1 北京:北京航空航天大学出版社, 19923 靳明聪

16、,等 1 换热器 1 重庆:重庆大学出版社, 19904 吴双应,李友荣 1 换热器火 用传递有效度 1 工业加热, 1997(1): 3437Exergy Eff iciency Analysis of Heat ExchangerW u Shuangying, L i YourongAbstract:Based on the second law of thermody2nam ics, the four kinds of exergy efficiency of heat ex2changers are analysed and the effects of heat capacityratio of fluids(R)