王斯民, 王萌萌, 顧 昕, 簡冠平, 文 鍵

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基于火積理論的螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王斯民1, 王萌萌1, 顧 昕2, 簡冠平1, 文 鍵2

(1. 西安交通大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院, 陜西 西安 710049; 2. 西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院, 陜西 西安 710049)

首次應(yīng)用火積理論對(duì)螺旋折流板換熱器進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析。選取50% 搭接的18° 和27° 的螺旋平面折流板換熱器和改進(jìn)的螺旋折面折流板換熱器作為研究對(duì)象，且分別應(yīng)用傳熱性能綜合評(píng)價(jià)(PEC)準(zhǔn)則和火積耗散理論對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：隨著有效度和傳熱單元數(shù)的增加，火積耗散數(shù)均減小。18° 螺旋折流板換熱器的性能明顯優(yōu)于27° 螺旋折流板換熱器，且在有效度或傳熱單元數(shù)相同的情況下，改進(jìn)后的螺旋折面折流板換熱器的性能也均優(yōu)于螺旋平面折流板換熱器?；鸱e耗散理論與PEC準(zhǔn)則分析結(jié)果的一致性，證明了火積理論對(duì)螺旋折流板換熱器性能分析的適用性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，傳熱火積耗散數(shù)的大小是阻力火積耗散數(shù)的上千倍，說明傳熱火積耗散在總火積耗散中占重要地位。這對(duì)火積理論應(yīng)用于螺旋折流板換熱器的傳熱和阻力性能研究具有重要意義。

螺旋折流板換熱器；傳熱；優(yōu)化；傳熱性能綜合評(píng)價(jià)準(zhǔn)則；火積耗散數(shù)

1 前 言

換熱器作為在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置，在石油、化工、能源等方面得到廣泛應(yīng)用，且隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)能源利用、開發(fā)、節(jié)約的要求也不斷提高。因此對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)、換熱性能的研究和改善具有重要意義。近年來，根據(jù)熱力學(xué)第二定律來評(píng)價(jià)傳熱過程的方法日趨廣泛，但是基于熵產(chǎn)最小理論在換熱器的設(shè)計(jì)中仍然存在很多的悖論[1]。過增元從熱電類比出發(fā)，引入了一種表征熱量“勢能”的物理量“火積”和“火積耗散極值原理”，火積代表一種熱量的傳遞能力[2,3]。傳熱過程中熱量是守恒的，而火積是不守恒的，不可逆的傳熱過程引起了火積的耗散，火積耗散值越大，則不可逆性越高[4]。目前火積理論已經(jīng)在體點(diǎn)散熱、航天器熱控流體并聯(lián)回路、平板太陽能集熱器、區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)和換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[5~8]。郭江峰等人基于總火積耗散數(shù)最小原理對(duì)板翅式換熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而得出傳熱火積耗散數(shù)和阻力火積耗散數(shù)均減小的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高了換熱器的效能[9]。李夢尋等人以火積耗散最小為目標(biāo)函數(shù)對(duì)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用遺傳算法得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)，提高了換熱器性能[10]。郭春生等提出了一種新的換熱器評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)-火積耗散均勻性系數(shù)，并對(duì)不同結(jié)構(gòu)的板式換熱器的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，得出性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)[11]。但是目前火積理論應(yīng)用于螺旋折流板換熱器性能分析的文章仍未見諸報(bào)端，且火積理論較少應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和對(duì)比中。

本文首次基于螺旋折流板的優(yōu)化結(jié)構(gòu)螺旋折面折流板換熱器，采用PEC準(zhǔn)則和火積耗散理論對(duì)改進(jìn)后的折面螺旋折流板換熱器與平面螺旋折流板換熱器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，得出火積耗散數(shù)的變化規(guī)律。這對(duì)火積理論應(yīng)用于螺旋折流板換熱器的進(jìn)展具有重要意義。

2 火積耗散理論

過增元等基于熱電比擬的方法對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在熱力學(xué)系統(tǒng)中缺乏與電能對(duì)應(yīng)的物理量，從而針對(duì)這一點(diǎn)，定義了火積概念，用以表征熱量的勢能[12]。對(duì)于一個(gè)穩(wěn)態(tài)等容系統(tǒng)，假定其內(nèi)能為，溫度為。當(dāng)其內(nèi)能變化為d時(shí)，火積的微分定義式為

dd(1)

對(duì)于該物體，假定溫度和內(nèi)能之間的關(guān)系是

v為定容比熱，為質(zhì)量。從0到溫度積分，即可得火積為

此狀態(tài)量代表了熱量的勢能，表示物體傳遞熱量的能力。

根據(jù)火積耗散理論，換熱器中的火積耗散主要包括傳熱引起的火積耗散T和黏性阻力引起的火積耗散。

有限溫差傳熱引起的火積耗散(T)即為換熱器入口的火積減去出口的火積。

式中表示熱容流量，下標(biāo)h和c分別表示熱流體和冷流體。下標(biāo)i和o分別表示進(jìn)口和出口。()為處的熱流量。h()表示處的熱流體溫度，c()為x處的冷流體溫度。由克服黏性阻力引起的火積耗散為

總火積耗散為二者之和

應(yīng)用文獻(xiàn)[13] 中的火積耗散數(shù)對(duì)以上火積耗散進(jìn)行無量綱化，被稱為火積耗散數(shù)，為實(shí)際換熱量。

在穩(wěn)態(tài)傳熱且無內(nèi)熱源的情況下，微元介質(zhì)的火積不隨時(shí)間而變化，等效溫差即為按照邊界熱流占流過系統(tǒng)的總熱流的份額進(jìn)行加權(quán)平均的溫度差。

式(9)左側(cè)是換熱量和當(dāng)量溫差的乘積，右側(cè)是火積耗散，由此分析火積耗散極值原理，即當(dāng)換熱量恒定,火積耗散極小值對(duì)應(yīng)最小當(dāng)量傳熱溫差，而當(dāng)傳熱溫差恒定時(shí)，火積耗散的極大值與最大傳熱量對(duì)應(yīng)。

本文中由于傳熱溫差的變化范圍不超過總傳熱溫差的2%，因此可認(rèn)為是等傳熱溫差的情況，符合火積耗散極大值原理。

3 螺旋折面折流板結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的螺旋平面折流板換熱器是將折流板布置成近似的螺旋面，使換熱器中的殼側(cè)流體實(shí)現(xiàn)連續(xù)的柱塞狀螺旋流動(dòng)，有效地改善了傳統(tǒng)弓形折流板殼側(cè)壓降大、容易形成流動(dòng)死區(qū)的特點(diǎn)，與弓形折流板相比，螺旋折流板換熱器具有提高單位壓降下的傳熱系數(shù)、減少壓降等顯著優(yōu)點(diǎn)。因此隨著近年來螺旋折流板的廣泛應(yīng)用，改善螺旋折流板換熱器的結(jié)構(gòu)和性能具有重要意義[14~17]。王斯民等針對(duì)螺旋折流板換熱器殼側(cè)折流板間存在三角漏流區(qū)，首次提出了折面螺旋折流板的結(jié)構(gòu)，用以改善該換熱器的性能[18]，圖1顯示了螺旋平面折流板換熱器和螺旋折面折流板換熱器的管束結(jié)構(gòu)。

圖1 管束結(jié)構(gòu)示意圖

由圖中可以看出，折面折流板使相鄰兩塊平面折流板在搭接時(shí)形成的夾角被合攏，即快速通道三角區(qū)被有效的封閉。有效改善了螺旋平面折流板換熱器在搭接處的三角漏流，使殼程的流動(dòng)更加接近于標(biāo)準(zhǔn)的螺旋流，同時(shí)使流體向管束中心靠攏，增大了殼側(cè)流體的流速和，且靠近管束中心區(qū)域的流體流速也相應(yīng)增大，即有利于傳熱性能的提高，很好地改善了螺旋折流板換熱器的性能。

4 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2為螺旋折流板換熱器的實(shí)驗(yàn)流程示意圖，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括油路循環(huán)、水路循環(huán)和測試系統(tǒng)。殼程介質(zhì)為昆侖L-QC310導(dǎo)熱油，管程介質(zhì)為水，殼體材料使用20號(hào)鋼，布管方式為正方形排列。循環(huán)用的水貯存于水箱中，通過水泵進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)使用，經(jīng)換熱器加熱后的水通過冷卻塔進(jìn)行冷卻。導(dǎo)熱油則通過電加熱器加熱到所需的溫度后經(jīng)油泵進(jìn)入換熱器。實(shí)驗(yàn)過程中保持管程和殼程流體進(jìn)口溫度和管程流量基本不變，改變殼程導(dǎo)熱油的流量進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)試件包括50% 搭接的18°、27° 平面折流板與折面折流板換熱器共四種結(jié)構(gòu)。在對(duì)換熱器試件的傳熱與阻力研究下，探索螺旋折流板的換熱規(guī)律[19]。

圖2 換熱實(shí)驗(yàn)流程圖

螺旋折流板換熱器的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)如表1，改進(jìn)結(jié)構(gòu)與原始結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统苏哿靼逍问酵猓渌麕缀螀?shù)均相同。本實(shí)驗(yàn)管程水流量使用LWGY系列渦輪流量計(jì)測量水的體積流量，殼程導(dǎo)熱油流量采用耐高溫的DLWGY系列渦輪流量計(jì)測量體積流量。實(shí)驗(yàn)中，使用四線制Pt100鉑電阻溫度計(jì)來測量管程流體導(dǎo)熱油和殼程流體水的進(jìn)、出口的溫度，采用壓差變送器測量純管束區(qū)壓降，以及殼程流體帶進(jìn)出口區(qū)壓降的總壓降。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用多通道數(shù)據(jù)采集儀，實(shí)時(shí)監(jiān)控測量數(shù)據(jù)及變化[20]。

圖3 換熱器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置

表1 實(shí)驗(yàn)裝置的尺寸參數(shù)

5 螺旋折流板換熱器的火積理論分析

本文分別采用換熱器綜合評(píng)價(jià)因子PEC準(zhǔn)則和火積耗散理論分析了螺旋折流板換熱器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證火積理論應(yīng)用于螺旋折流板換熱器的適用性，同時(shí)對(duì)比螺旋平面折流板換熱器和螺旋折面折流板換熱器的綜合性能。

換熱器的有效度代表實(shí)際換熱量與最大可能換熱量之間的比值，有效反映了換熱器的性能。

傳熱單元數(shù)

換熱系數(shù)的計(jì)算如下

阻力因子

式中，p為定壓比容，為換熱器綜合換熱系數(shù)，為換熱面積，e為導(dǎo)熱管外徑，為熱導(dǎo)率，Δ為殼程壓降，為螺旋折流板換熱器螺距，為殼層最小流通截面的流速，s為導(dǎo)熱油密度，為換熱管管長。

圖4為換熱器綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)PEC準(zhǔn)則數(shù)1/3隨著殼程導(dǎo)熱油流量變化的趨勢，從圖中可以看出，在保持管程流量和管殼程進(jìn)出口溫度基本不變的情況下，在相同的螺旋角和搭接度下，螺旋折面折流板換熱器的綜合性能和均要優(yōu)于螺旋平面折流板換熱器，說明折面螺旋折流板換熱器有效阻擋了三角快速通道，殼側(cè)流通面積減小，使殼側(cè)的流體速度增大且向中心聚攏，導(dǎo)致殼側(cè)流體的增大，同時(shí)靠近管束中心處的流速也增大，有效地提高了換熱器的殼側(cè)換熱性能。且從圖中可知，流量不變時(shí)，18° 螺旋角50% 搭接的螺旋折面折流板換熱器的性能最佳，且明顯優(yōu)于27° 螺旋角的情況。這是由于在換熱器殼體總長保持不變的情況下，螺旋角較小時(shí)，換熱器內(nèi)螺旋周期個(gè)數(shù)較多，流道變窄而流體流過的路徑更長，流體在換熱器中的湍動(dòng)也會(huì)更加強(qiáng)烈，換熱更充分，所以螺旋角較小時(shí)的綜合評(píng)價(jià)性能更高。

圖4 PEC準(zhǔn)則數(shù)隨殼程流量的變化曲線

圖5 總火積耗散數(shù)E隨換熱器有效度的變化曲線

圖6 總火積耗散數(shù)E隨換熱器傳熱單元數(shù)的變化曲線