强制变相强化传热系统分析

    1 引言

    强化传热是提高热能利用率,节约能源的有效途径。传统强化传热的方法有三类:增大传热平均温度差、增大单位体积的传热面积、增大总传热系数。其中,增大总 传热系数的方法有:增大流体流速、管内插入旋流元件、改变传热面形状、增加粗糙度。以上各种措施各有优缺点。文章提出了一种新方法,在恰当工况下,将泵、 压缩机、膨胀装置引入传热系统,使冷热流体在换热器内强制变相,充分利用冷热流体的相变潜热,达到强化传热的目的。

    2 系统分析

    2.1 系统原理分析

    图1为强化传热系统简图。1为泵或压缩机,2为膨胀装置,3为换热器。

    管程走冷流体,壳程走热流体,冷流体是易于汽化的液体,热流体是易于液化的气体。气体液化会放出大量的热量,液体汽化则吸收大量的热量。给系统外加一定的机械功,使热流体强制液化,冷流体强制汽化,大大增加单位面积的热负荷,达到强化传热的目的。

    冷流体通过膨胀元件,其饱和温度和压力降低,在换热器内吸收热量汽化变相。介质流出换热器,由泵或压缩机输送到其他设备。如果介质流出换热器后的压力满足工艺要求,则不必使用泵或压缩机加压;反之则用泵或压缩机加压。

    热流体由泵或压缩机加压,在换热器内液化变相,与冷流体进行热交换。在一定压力差下,用扩压管代替泵或压缩机可以起到同样的效果。

    在生产实际中,冷流体可能不易变相,或者强制变相需要消耗太多的机械功,则采用常规方法进行热交换。只要介质一方满足条件,则可用此方法。由于热流体被加压时液化升温,该系统还可用于低温热流体加热高温冷流体。

    2.2 系统火用分析〔1,2〕

    对于稳定的流动系统,当单位质量的工质流过某一热力系统时,同时发生热量与机械功的输入与输出,以/+0表示输入,e⁺、e⁺q、e⁺w分别表示输入工质的火用、热量火用、功火用;e^-、e^-q、e^-w相应表示输出工质的各项火用,假设流动工质的位能与动能变化可忽略不计,且所有变化都在可逆条件下进行,则输入火用等于输出火用,即:

    该式就是稳定流动系统的火用平衡方程。

    当热力过程为不可逆时,输入的各项火用之和大于输出的各项火用之和,两者之差即为火用损。单位质量的火用损用¨e表示,则:

    2.2.1 泵或压缩机

    如图2,设其工作过程是绝热的,工质进入状态为1,输出状态为2,泵或压缩机的功耗为w,由不可逆引起的火用损为¨e12,对于(2)有: