換熱器的能耗與性能分析

換熱器的能耗與性能分析

0熱平衡的分析方法在熱態(tài)上，換熱器是一種常見(jiàn)的設(shè)備之一。換熱器的性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的能量利用效率。合理分析換熱器，在優(yōu)化系統(tǒng)方面發(fā)揮重要作用。一般,我們分析熱力工程的能量時(shí),熱平衡是常見(jiàn)的一種能量衡算法,它是基于熱力學(xué)第一定律的。熱平衡只能說(shuō)明不同能量的數(shù)量關(guān)系,只考慮能量在轉(zhuǎn)化和傳遞過(guò)程中數(shù)量上的平衡,而沒(méi)有考慮能量在質(zhì)量上的變化和差別。它既不能真實(shí)地反映出能量合理利用程度,也不能確切地反映用能過(guò)程中存在的問(wèn)題。在進(jìn)行能量換算時(shí),僅僅考慮和分析用能過(guò)程的數(shù)量關(guān)系是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,是非常片面的一種分析方法。而我們用憥分析方法可以彌足熱平衡法的缺陷,文章重點(diǎn)介紹憥損失分析方法,結(jié)合具體的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。1能量轉(zhuǎn)換能力的內(nèi)涵所謂“能量的轉(zhuǎn)換能力”是指某種形態(tài)的能量轉(zhuǎn)換為其他形態(tài)能量的能力。因?yàn)槿我庖环N有序能都可以全部轉(zhuǎn)換為無(wú)序能(熱能)或其他形式的有序能,而有用功是屬于有序能,故可以將能量的轉(zhuǎn)換能力理解為“能量轉(zhuǎn)換成有用功的能力”,或稱為“能量的做功能力”。各種形式的能量轉(zhuǎn)換為“無(wú)限轉(zhuǎn)換能(在環(huán)境條件下,理論上可以連續(xù)地全部轉(zhuǎn)換為有用功的能連)”的能力是不同的。在給定環(huán)境條件下(即在環(huán)境的參與和限制下)任何形態(tài)的能量理論上(或最大限度)能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰糠Q為該能量中的“憥”或“有效能”,而不可能轉(zhuǎn)換為有用功的那部分能量稱為該能量中的“火無(wú)”或“無(wú)效能”。2第二定律分析法:是由數(shù)量和質(zhì)量相結(jié)合的角度進(jìn)行分析憥分析方法的本質(zhì)是結(jié)合熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律(以熱力學(xué)第二定律為主),即從能量中的數(shù)量和質(zhì)量相結(jié)合的角度出發(fā)分析揭示裝置或設(shè)備在能量中的憥(有效能)的轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失情況,故又被許多人稱為“第二定律分析法”。其主要熱力學(xué)指標(biāo)為“憥效率”ηe,定義為:ηe==,故此法又稱為“憥效率法”。3符合力學(xué)第二定律能量守恒是一個(gè)普遍的定律,能量的收支應(yīng)保持平衡。但是,憥只是能量中的可用能部分,它的收支一般是不平衡的,在實(shí)際的轉(zhuǎn)換過(guò)程中,一部分可用能將轉(zhuǎn)變成不可用能,憥將減少,稱之為憥損失。熱力學(xué)第二定律確認(rèn)自然界發(fā)生的熱過(guò)程都具有方向性和不可逆性?？赡孢^(guò)程中不會(huì)發(fā)生憥向火無(wú)的轉(zhuǎn)變,憥的總量保持不變;而在任何不可逆過(guò)程中必然存在憥向火無(wú)的轉(zhuǎn)變,并使憥的總量減少。系統(tǒng)應(yīng)該滿足憥平衡方程式:輸入系統(tǒng)的憥=輸出系統(tǒng)的憥+憥損失+系統(tǒng)憥的變化,用公式表示即為Ein=Eout+El+ΔE。4不可逆微元傳熱的損失一個(gè)簡(jiǎn)單的傳熱過(guò)程,設(shè)從溫度TH的高溫物體A向溫度TL的低溫物體B傳入熱量dQ,并假定在此過(guò)程中無(wú)散熱損失。熱量的dQ處在溫度為T(mén)H時(shí)所具有的熱量憥為:熱量dQ處在溫度為T(mén)L時(shí)所具有的熱量憥為在此不可逆的微元傳熱過(guò)程中的憥損失為從上論述可見(jiàn),憥損失不僅與(TH-TL)有關(guān),同時(shí)與TH和TL的乘積成反比。對(duì)于相同的溫差下?lián)Q熱,如果換熱處在高溫,那么憥損失就比處在低溫下?lián)Q熱要小。如果換熱憥損失相同的條件下,則高溫傳熱(如蒸汽發(fā)生器中)允許有較大的溫差(TH-TL),這樣可以減少換熱器的換熱面積(傳熱系數(shù)、傳熱量一定);相反,換熱若在低溫下進(jìn)行(如制冷技術(shù)中),則(TH-TL)就不能過(guò)大。但是(TH-TL)過(guò)小又勢(shì)必要增加換熱器的面積,這就導(dǎo)致了要用材料消耗的增加來(lái)彌補(bǔ)少量的憥損失。5不可逆?zhèn)鳠嵯到y(tǒng)熱傳遞如圖1所示,為一逆流式換熱器,質(zhì)量流量為mH的熱流體從狀態(tài)1放熱變到狀態(tài)2;質(zhì)量流量為mL的冷流體從狀態(tài)3吸熱變到狀態(tài)4。在整個(gè)換熱器的任意截面上,TH>TL。以整個(gè)換熱器為熱力系統(tǒng),如圖1虛線所包圍,系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行不可逆?zhèn)鳠徇^(guò)程,共傳遞Q熱量。設(shè)換熱器與環(huán)境大氣無(wú)熱量交換,并不計(jì)冷熱流體的動(dòng)能和位能的變化。由換熱器冷熱流體的能量平衡得:換熱器的憥平衡方程為:用焓憥的定義式E=(H-H0)-T0(S-S0)代入上式可得:再把Q代入,上式即為:我們可以得到,換熱器的憥損失等于熱流體憥的減少量與冷流體憥的增量之差;換熱器的憥損失仍等于換熱器的熵產(chǎn)與環(huán)境絕對(duì)溫度的乘積。6溫度t0的確定我們以某實(shí)驗(yàn)室的換熱器為例來(lái)進(jìn)行一下計(jì)算。問(wèn)題:如圖2,在對(duì)外絕熱的換熱器中,空氣的質(zhì)量流量m=1.1kg/s,空氣由t1=16℃加熱到t2=55℃,比熱容cp=1.004kJ/(kg?k),經(jīng)換熱器空氣壓力由0.1036MPa變?yōu)閜2=0.1000MPa。用質(zhì)量流量mf=0.467kg/s的熱流體進(jìn)行加熱,進(jìn)入換熱器時(shí)其溫度為tf1=70℃。液體不可壓縮的,其比熱容cp,f=4.19kJ/(kg?k),液體在換熱器中流動(dòng)可忽略其壓力損失。動(dòng)能和位能變化可忽略,確定換熱器中產(chǎn)生的憥損失(環(huán)境溫度t0=12℃)。計(jì)算:將換熱器看成是一個(gè)具有兩種物質(zhì)流的絕熱系統(tǒng),其熵產(chǎn)ΔSg=m(s2-s1)+mf(sf1-sf2)空氣可視為具有定比熱容cp=1.004kJ/(kg?k)的理想氣體,所以按照熱力學(xué)第一定律,按能量平衡求的tf2,m(h2-h1)+mf(hf2-hf1)=0,即mcp(t2-t1)+mfcp,f(tf2-tf1)=0,所以tf2=48(℃),進(jìn)而得:7對(duì)熱力系統(tǒng)性能的分析結(jié)合參考文獻(xiàn),閱讀的書(shū)籍,本文整理闡述了現(xiàn)實(shí)熱力過(guò)程中的憥分析方法,介紹