基于?分析的板式换热器热力学性能研究

徐晓虹

摘   要：换热器作为石化、制药、热能工艺体系的重要构成单元，在热量传导、营造反应环境方面发挥重要的作用。本研究采用?分析方法，对芳烃中产生的苯石化流程中的板式换热器进行了热力学性能分析。结果表明，具有流体相变的换热器比单相流体具有更好的性能。

关键词：?分析法;热力学性能;板式换热器

1    换热器性能概述

换热器是能量系统（如化工、动力、制冷、制药）中应用最为广泛的单元设备之一，板式换热器广泛应用于众多领域。随着能源需求的不断增大，节能成为影响国民经济发展的关键问题。板式换热器作为换热元件之一在使用过程中能源耗费很高，对换热器进行全面合理的评价，对于改进系统的用能过程、降低能量消耗和原材料消耗具有重要的意义。所以在板式换热器的优化设计中，更加注重?分析和节能问题。换热器的优化设计主要分为两类：早期的评价基于热力学第一定律（由总传热系数、压力降、传热有效度、传热单元数等参数构成），这种评价仅从能量利用的量的角度评价了换热设备的性能，忽略了能量品质在转换中的变化，并不能体现出换热过程的不可逆性。后来，出现了以热力学第二定律为基础并结合热力学第一定律的评价方法，其中常见的有?效率和无因次熵产数两种分析方法。无因次熵产数的变化规律性较差，而单纯的?效率分析法虽然能够对各种热力过程和循环的热力学不完善性进行分析，所以，本研究采用?效率分析法[1]。

2    计算模型

?分析法是基于能源利用的合理性，对换热器的热力学性能进行评价，?分析法（见图1）提出了?效率的概念。

冷热介质放出来的火用分别为[2]：

（1）

（2）

板式换热器的?效率为：

（3）

在石化流程的芳烃制苯单元中，换热器耗能占了较大的比例。本研究中，板片模型参考瑞典ALFA公司M6型板片的外形尺寸。流体相态的不同会导致换热器体现出不同的效率特性，对于流体在其中发生相变的换热器来说，换热过程中流体的温度始终是饱和温度，并且在换热过程中又涉及到了相变潜热，与单相流体换热器的有所不同，本研究分别展开讨论。

本研究不考虑压降，分析单相流体换热器的?效率。对于相变工况，将采用热量?效率分析法[3]，本文假设冷、热流体在换热过程中发生了相变，即热流体由气态变成液态，冷流体由液态变成气态。

制苯单元的板式换热器的?效率分析结果如图2所示。

从图2可以看出，相变换热器的?效率大于单向流体换热器，单相流体换热器的?效率小于相变换热器，并且单相流体换热器的?效率比较分散，而相变换热器?效率比较集中，相变换热器的性能要优于单相流体换热器。这种现象的产生主要是单相流体无相变，换热过程中未涉及潜热，且温度变化越小，潜热越大则工况?效率就越。

某些?效率比较高的换热器综合性能却较低，改进可以针对那些?效率高但是综合性能指标较低的换热器进行优化设计，以提高其热力学性能。但是单纯的?效率分析法只考虑了换热器的热力学性能，并没有考虑换热器的社会经济因素，存在一定的片面性，且缺乏操作实用性。综合热力学?效率与?效率经济型评价是全面的换热器评价。

3    结语

换热器是石油化工流程中的重要单元，在能量流程中，只有对换热器进行详细分析，才能更好地发挥换热器在工艺中作用。本研究从?的视角对其进行分析，通过分析找出能量损失的关键点，结果表明，具有流体相变的换热器比单相流体具有更好的性能，换热器内流体温度的变化越小即温差越小，相变换热器潜热越大，则?效率越大。本研究为优化石化工业中制苯单元的换热器的设计和优化提供了重要的理论基础。

[参考文献]

[1]华   贲.石油化工工艺过程用能分析及综合[M].北京：烃加工出版社，1989.

[2]罗   庚.基于?分析法的换热器性能研究[J].企业导报，2016（10）：113.

[3]KEENAN J H.Availability and irreversibility in thermodynamics[J].British Journal of Applied Physics，1951（2）：183-192.

Thermodynamic performance research of a plate heat exchanger based on exergy analysis

Xu Xiaohong1，2

（1.Nanjing Suyang Energy Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210038， China;

2.Shanghai Daofa Energy Technology Co.， Ltd.， Shanghai 202150， China）

Abstract：Thermodynamic performance analysis was taken for a plate heat exchanger with the method of exergy analysis. Exergy utilization analysis was taken for heat exchangers in Benzene producing in aromatic hydrocarbon. Our results show that heat exchangers with fluid phase change had better performance than these of single-phase fluid.

Key words：exergy analysis; thermodynamic performance; plate heat exchanger