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換熱器的性能分析

發布時間:2017-02-04
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換熱器廣泛應用于制冷、化工及能源等工業生產各領域,它是許多工藝過程必不可少的單元設備之一。因此,如何進行換熱器的優化設計、提高換熱器的性能對于改進工藝生產過程、降低能量消耗具有一定的意義。為此,許多學者從能質角度對換熱器性能進行了分析。
運用火用分析法對高低溫換熱器的熱力學性能進行了具體分析,討論了換熱器傳熱單元數、冷熱流體熱容量比等參數對火用效率的影響,得到了一些有益的結論。然而,應該指出,已有的研究都沒有系統考慮冷熱流體入口溫度對換熱器熱力學性能的影響,特別是對低溫換熱器,研究得則更少。盡管工程上很多換熱器的冷熱流體入口溫度在一定的工藝過程中是給定的,而不能象冷熱流體熱容量比R和傳熱單元數Ntu那樣自由選擇而得到優化值,但仍需要對現有換熱器在當前運行參數下進行用能分析和評價,包括考慮冷熱流體入口溫度的影響,從而發現現有的換熱器的不可逆損失狀況。
為此,針對工作在環境溫度以上的常規高溫換熱器和在低于環境溫度下工作的低溫換熱器,在不考慮壓力火用損失和考慮壓力火用損失這兩種情況下,利用火用分析方法系統分析冷熱流體入口溫度對以上兩種類型的換熱器熱力學性能的影響,從而進一步完善對換熱器熱力學性能的分析。高、低溫換熱器火用效率的一般計算式,考慮所示的典型換熱過程,假定流動與傳熱過程均處于穩態,不計換熱器軸向導熱及散熱損失,且不考慮流體物性的變化。

為敘述方便,特對量符下標作如下定義:“i”表示進口,“o”表示出口;“c”表示冷流體,典型換熱過程“h”表示熱流體:“t”表示管側,“s”表示殼側:“∞”表示環境狀態。

換熱器中流體比火用變化的微分形式為[5]:de=cp(1-T∞/T)dT v-(T-T∞)5v5T影響p火效率dp(1)式中,v為流體比容;cp為流體比熱容。

由上式積分得:△e=∫po,Topi,Ticp(1-T∞/T)dT ∫po,Topi,Tiv-(T-T∞)5v5T熱力能進p熱器dp(2)式中,第一項為流體溫度比火用的變化,即△eT=∫po,Topi,Ticp(1-T∞/T)dT(3)第二項為流體壓力比火用的變化,即△ep=∫po,Topi,Tiv-(T-T∞)5v5T這兩種pdp(4)換熱器火用效率的定義式為:ηex=流體收益的火用△E流體消耗的火用△E(5)對于工作在環境溫度以上的常規高溫換熱器而言,熱流體放出熱量,溫度下降,熱量火用減少,即△eTh<0;冷流體吸收熱量,溫度上升,熱量火用增加,即△eTc>0,則對常規高溫換熱器而言,其火用效率為:ηex=Gc(△eTc △epc)-Gh(△eTh △eph)(6)式中,G為流體質量流量。
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