逆流換熱器熱力學優(yōu)化方法比較

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發(fā)布日期：2010-06-13 瀏覽次數(shù)：328

1．引言

換熱器作為一種各工業(yè)領域廣泛使用的設備，它的研究倍受重視。目前關于換熱器的研究大致有兩個方向，一是研究換熱器傳熱強化，主要目的是提高換熱器流體和固壁間的對流換熱系數(shù)，進而提高換熱器的效能。二是從可用能的角度研究換熱器的熱力學優(yōu)化，包括換熱器的熵產(chǎn)分析、火用效率分析等，從使換熱過程不可逆性最小的角度來優(yōu)化換熱器。其中過增元提出的換熱器溫差場均勻性原則，一方面可以指導新的提高換熱器效能的方法，另一方面也可以對換熱器熱力學優(yōu)化做分析。本文是從溫差場均勻性原則出發(fā)，將其應用于逆流換熱器的優(yōu)化過程，并對各種優(yōu)化方法進行分析比較。

2．換熱器溫差場均勻性原則

過增元在1992年《熱流體學》^[1]一書中定義了溫差場不均勻因子，應用于順流、逆流和叉流換熱器，發(fā)現(xiàn)在相同的傳熱單元數(shù)NTU、熱容量比W和流體進口溫度的條件下，逆流換熱器溫差場最均勻，效能也最高，熵產(chǎn)也最小。進而在1996^[2]年定義溫差場均勻性因子，提出了換熱器熱性能的溫差場均勻性原則：在NTU和W一定時，換熱器的溫差場越均勻，其效能越高。并采用數(shù)值方法對13種換熱器的溫差場和效能進行了分析，驗證此原則的正確性。通過熵產(chǎn)分析指出此原則是以熱力學第二定律為理論依據(jù)的。同時針對叉流換熱器，提出了分配換熱面積來改善換熱器性能的新方法。過先生又在2002^[3]年給出了簡單順流、逆流、叉流換熱器溫差場均勻性因子的解析表達式，同時通過實驗的方法對此原則進行了驗證，針對多流程叉流換熱器，舉例說明用改變管路連接的方法來改變溫差場均勻因子，進而改變換熱器的效能。在2003^[4]年提出基于溫差場均勻的場協(xié)同原則，同時將此原則應用于多股流換熱器中，提出換熱器傳熱性能的高低取決于冷熱流體溫度場的協(xié)同程度，而不是流動方式。

從上述溫差場均勻性原則的提出、驗證和發(fā)展歷程來看，這一理論已經(jīng)比較成熟，也是從傳熱物理機制方面優(yōu)化換熱器的新探索，可以利用它比較實際換熱器的換熱性能。很多換熱器大都是復合型流動方式的換熱器，基本上沒有解析表達式；尤其對于叉流換熱器，應用此原則，可以在NTU和W給定時，改變傳熱面積的分布或是管路連接方式，來改變換熱器的效能。溫差場均勻性原則前提條件是NTU和W值恒定。對于換熱方式（逆流）已定的換熱器，在W和NTU變化時，應該如何應用此原則是本文討論的主要內(nèi)容。

3．溫畛【?刃栽?蛟諛媼骰蝗繞魅攘ρв嘔?械撓τ?/b>

過先生^[3]將溫差場均勻性原則用于指導叉流換熱器的優(yōu)化，并對優(yōu)化效果進行了分析驗證。溫差場均勻性原則，是從研究對流換熱的物理機制出發(fā)^[5]，用于指導各種形式換熱器的優(yōu)化。本文目的就是應用這一原則來指導逆流換熱器優(yōu)化方法的選擇。

3.1 逆流換熱器已有熱力學優(yōu)化方法比較分析

以目標函數(shù)區(qū)分的優(yōu)化方法大概有兩類：一是傳熱過程熵產(chǎn)分析，二是定義火用效率分析。

關于熵產(chǎn)，徐志明、楊善讓^[6]等人定義熵產(chǎn)生數(shù)Ns：單位換熱量的熵產(chǎn)。以Ns最小為目標，通過泛函求極值求得換熱器溫度和熱流的最優(yōu)分布，得到結論：使W略大于1實現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)分布。他們從溫度分布的角度來優(yōu)化換熱器，提供了一種從換熱內(nèi)部的細節(jié)研究問題的思路。能大曦^[7]等人在分析換熱器的熵產(chǎn)時得到了類似的結論：在W為1時，換熱器的Ns最小。同時指出徐志明等人研究得到的W略大于1的結論，是因為他們定義的NTU與常規(guī)的定義不同。綜合分析前二者可以得到：當NTU一定W變化時，使W為1，換熱器性能最佳。對于逆流換熱器，W為1就意味著溫差場均勻，符合溫差場均勻的原則。當W不變NTU變化時，對于Ns的變化，能大曦^[7]等人的研究得到：對于逆流換熱器，W不變，隨著NTU的變化，Ns單調減小。

關于火用效率分析，徐志明、楊善讓^[8]等人，給出考慮阻力的火用效率取極大值的方法。通過定義火用效率：

分析火用效率隨NTU和W的變化，下圖是他們分析的結果。從上述結果看出：對于逆流換熱器，W不變，NTU較大時，隨著NTU的變化，η會越來越低，NTU不變，W變化時，η在W近似為1時取得最大。

比較熵產(chǎn)和火用效率兩種方法的結論可以得到，NTU不變，W變化時，二者結論基本一致。而對于W不變，NTU變化的情況，隨著W增大，Ns單調減小，而也降低了。兩種方法出現(xiàn)了矛盾。下面通過溫差場均勻性原則對兩種方法比較選擇。

3.2 逆流換熱器熵產(chǎn)和溫差場均勻性分析

3.2.1 逆流換熱器W變化時，看換熱器的效能、Ns、溫差不均勻因子變化規(guī)律。

分析中采用文獻中已有的表達式：

(a) 換熱器的效能^[8]：

(b) 換熱器的熵產(chǎn)^[7]：

(c) 熵產(chǎn)生數(shù)^[7]：

其中：。

的解析表達式見文獻[7]，換熱器的表達式見[3]，圖1給出W從0.1變到0.9時，、以及變化結果。其中

圖1 Ns-W φ-W 和ε-W 曲線

由圖中得到：隨著熱容量比接近于1，換熱器溫差場均勻性因子增加了，熵產(chǎn)減小了。同時結合徐志明^[8]等人分析火用效率的結論，綜合得到：在NTU不變，W越接近于1，換熱器溫差場均勻性因子越大，熵產(chǎn)生數(shù)越小，火用效率越高。即熵產(chǎn)分析和火用分析均符合溫差場均勻性原則。另外從圖中看出效能隨著溫差場的均勻而降低了，用效能來評價換熱器性能和熱力學分析結論出現(xiàn)了矛盾。當NTU一定，如果要求不同的W得到相同的換熱量的話，那么W小的流體，熱側流體的流量很大，保證如此高的流量也要有代價，同時由于流量大，通過換熱器時阻力損失也大，與之相對應的火用損失也大，火用效率^[7]降低了。因此同時得到單純用效能來評價換熱器是不可靠的結論。

3.2.2 W一定，NTU變化時，溫差場均勻性因子、熵產(chǎn)生數(shù)以及效能的變化。為便于和火用效率^[7]分析的結果作對比，取熱容量比：

得到結果如下：

圖2 Ns－NTU φ-NTU 和ε-NTU 曲線

由上圖可見，當W不變時，隨著NTU的增加，Ns變小了，效能增加了，但溫差場變得不均勻了。結合徐志明^[8]的結論，火用效率變小。發(fā)現(xiàn)此時火用效率判據(jù)符合溫差場的均勻性原則，而熵產(chǎn)分析卻和原則相反了。Bejan^[10]曾把逆流換熱器傳熱過程的熵產(chǎn)分為不平衡流動即熱容量不匹配的熵產(chǎn)和由于傳熱面積有限引起的熵產(chǎn)。能大曦^[7]等人對兩部分熵產(chǎn)比較得到：兩部分的熵產(chǎn)隨NTU的變化，趨勢是相反的。由于換熱面積有限引起的熵產(chǎn)隨NTU增加而減小，由于不平衡流動的熵產(chǎn)隨NTU增加而增大。對于逆流換熱器，溫差場均勻與否只取決于W是否為1。不難理解只有由熱容量不匹配引起的熵產(chǎn)變化趨勢能用溫差場均勻性原則來解釋。換句話說，熵產(chǎn)生數(shù)來做判據(jù)包含了換熱的物理機制之外的部分，在對換熱器做優(yōu)化時，應怎樣用它還有待進一步的分析。從這個角度考慮，基于換熱的物理機制建議選擇火用效率作為換熱器熱力學優(yōu)化的判據(jù)。