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, 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) 能源與動力工程學(xué)院, 陜西 西安 710049)

首次應(yīng)用火積理論對螺旋折流板換熱器進行優(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的螺旋折面折流板換熱器作為研究對象，且分別應(yīng)用傳熱性能綜合評價(PEC)準則和火積耗散理論對實驗數(shù)據(jù)進行了分析。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準則分析結(jié)果的一致性，證明了火積理論對螺旋折流板換熱器性能分析的適用性。同時發(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；傳熱性能綜合評價準則；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，對能源利用、開發(fā)、節(jié)約的要求也不斷提高。因此對換熱器結(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)第二定律來評價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)最小原理對板翅式換熱器進行了優(yōu)化設(shè)計，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函數(shù)對管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，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價標準-火積耗散均勻性系數(shù)，并對不同結(jié)構(gòu)的板式換熱器的數(shù)值模擬結(jié)果進行了分析，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端，且火積理論較少應(yīng)用于實驗結(jié)果的分析和對比中。

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準則和火積耗散理論對改進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驗數(shù)據(jù)進行了對比分析，得出火積耗散數(shù)的變化規(guī)律。這對火積理論應(yīng)用于螺旋折流板換熱器的進展具有重要意義。

2 火積耗散理論

過增元等基于熱電比擬的方法對比發(fā)現(xiàn)，在熱力學(xué)系統(tǒng)中缺乏與電能對應(yīng)的物理量，從而針對這一點，定義了火積概念，用以表征熱量的勢能[12]。對于一個穩(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，火積的微分定義式為

dd(1)

對于該物體，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h和c分別表示熱流體和冷流體。下標i和o分別表示進口和出口。()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[13] 中的火積耗散數(shù)對以上火積耗散進行無量綱化，被稱為火積耗散數(shù)，為實際換熱量。

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,火積耗散極小值對應(yīng)最小當(dāng)量傳熱溫差，而當(dāng)傳熱溫差恒定時，火積耗散的極大值與最大傳熱量對應(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)流體實現(xiàn)連續(xù)的柱塞狀螺旋流動，有效地改善了傳統(tǒng)弓形折流板殼側(cè)壓降大、容易形成流動死區(qū)的特點，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。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，使殼程的流動更加接近于標準的螺旋流，同時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 實驗裝置

圖2為螺旋折流板換熱器的實驗流程示意圖，實驗系統(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)油泵進入換熱器。實驗過程中保持管程和殼程流體進口溫度和管程流量基本不變，改變殼程導(dǎo)熱油的流量進行分組實驗。實驗試件包括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 換熱實驗流程圖

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

圖3 換熱器實驗系統(tǒng)布置

表1 實驗裝置的尺寸參數(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價因子PEC準則和火積耗散理論分析了螺旋折流板換熱器的實驗結(jié)果，驗證火積理論應(yīng)用于螺旋折流板換熱器的適用性，同時對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為換熱器綜合評價指標PEC準則數(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，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，換熱器內(nèi)螺旋周期個數(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也會更加強烈，換熱更充分，所以螺旋角較小時的綜合評價性能更高。

圖4 PEC準則數(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