换热器熵产分析

2012-07-04林红良李志祝广场

船电技术 2012年1期

林红良李志祝广场

（中国船舶重工集团公司第七一二研究所，武汉 430223）

0 引言

中国是一个人口大国，随着社会的发展和人民生活水平的提高，能源消耗迅速增长，能源危机已经成为逐渐显露出来，节约能源已经成为当务之急。换热器作为工程应用最为广泛的热力设备之一，其性能的好坏直接影响着能源的消耗量。熵产分析是能量品质的角度出发，评价换热器热力完善程度的重要指标。分析换热器不同的特性参数对熵产数的影响能够从本质上解释热力特性参数对换热性能的影响以及其之间的相互关系，对于改进热力系统消耗能量的过程，降低能源消耗具有非常重要的作用。

1 换热器特性参数

1.1 数学模型

如图所示为换热器典型的换热过程，c代表冷流体，h代表热流体，i代表进口，o代表出口。

图1 换热器示意图

图2 换热器各点温度

1.2 特性参数

为了深入对换热器性能的认识，有一下无量纲数最为换热器的特性参数：

有效度：

流体进口温度比：

水当量比：

预热温度比：

传热单元数：

其中：K为换热器的传热系数，F为换热器的传热面积。

传热单元数映冷热流体间换热过程难易程度的参数，也是衡量换热器传热能力的参数。由定义式可知：在设计换热器时，换热要求越高，则所需传热面积越大，传热单元数也越大。对操作中的换热器，传热单元数越大，表明其性能越好。

2 换热器熵产分析

2.1 特性参数对热性能的影响

引入无量纲熵产数 Ns表示换热器热力完善程度，其值大表示换热器热力不可逆性高，有效能损失大，热力完善程度低；Ns值低则刚好相反。

将换热器作为控制容积系统，进出口处有工质流动，外表面绝热，冷热流体之间只有热量传递，没有功的传递。作为这样一个模型的换热器，其熵产为：

由热力学第一定律可知：

得：

以冷流体当量为基准，换热器的熵产数为：

式中右边第一和第二项是传热引起的不可逆损失，第三和第四项是粘性流动引起的不可逆损失，对换热器不可逆性的分析要考虑传热和粘性流动两方面。

鉴于流动引起的熵产和传热引起的熵产相比很小，则熵产可以表示为：

图3 NS随β变化图

由此可以得知NS与ω、α、β有关，通过改变ω、α、β的值对比分析NS的变化可以得出特性参数ω、α、β对换热性能的影响。

由图可知：α=1即Thi=Tci是没有意义的，此时熵产数为负，违背了热力学第二定律；当 α=2时，水当量ω和进口温度比α一定时，Ns随着温度预热温度比的增加而呈现抛物线形状发展，Ns有一个最大值，即当临界预热温度 βcri=(ω+α)(ω+1)。水当量比 ω=1，α=β（理想状态）时，Ns=0；水当量ω<1,即使是理想状态，Ns也不等于0。在实际过程中， α和ω一定时，尽量使β大于 βcri，并且趋近于 α，可以减小 Ns；而对于 ω和β一定时，热流体进口温度越高，α就越大，Ns就越大，可用能损失就越大。