以火用分析法比较制冷工质的流动换热性能

    在热力学中火用是一个评价能量利用价值的重要参数,能深刻地揭示能量在传递和转化过程中能质退化的本质,为能量利用指明了方向.在流体与壁面间进行的对流换热过程是不可逆的热力学过程,必然伴随着系统熵的产生,造成过程的火用损失.因此,根据一个对流换热过程的火用损失率大小就能从理论上判明该过程的流动与传热性能的优劣,同时也得出该过程火用损失率最小时的运行参数.基于上述分析,对氨、丙烷和二氧化碳进行了流动与传热综合性能的火用损失率分析,得出了相应的火用损失率关系表达式,并和目前使用较多的卤代烃制冷剂(R22,R500,R114)进行比较.

    1 换热过程的火用损失率方程

    任何一个稳态的对流换热过程均可视为一个热力学的稳定流动系统,对其上任何一微元控制体建立热平衡与熵平衡的关系式都可以推导出熵产率方程[1],在整个换热面积上积分该方程,且认为热流密度q、流体温度T∞和壁面温度Tw在整个换热面上为常数或视为某种平均值,可获得系统熵产率S>gen.引入火用损失率的定义,可得到火用损失率表达式[2],其无因次形式为

    式中,T0为环境参考温度;At为流阻计算面积;ΔT=Tw-T∞;Tm=(Tw+T∞)/2;Fct=T0/Tm及F"t=T0/T∞表示温度修正因子; CD=FD/[(1/2)ρu²∞Af]为阻力系数,Af为流阻计算面积;Ec为埃克尔特数; Fs=At/Af表示面积因子.

    从上式可见,Ne的大小能反映换热系统的传热及流动两方面的综合性能,其值等于换热温差引起的火用损失率与压力差引起的火用损失率之和.从能量品质上讲这两种火用损失是不等价的,后者由高品位的机械能来补偿,应乘以相应的热工等质系数.分析流动换热过程时流体的换热温差和流动的压差均不易确定,对于给定的换热热流密度及换热尺度,无因次火用损失率方程可改为如下形式:

    式中, L为换热尺度,按不同的流动方式取值;ψ=[ηtηcηe]-1为热工等质系数,ηt为热循环效率,ηc为机械效率,ηe为电效率,这里取ψ=1.

    式(1)就是对流换热过程的火用损失率方程,它确定了对流换热过程中流动与换热这两种不可逆过程火用损失的定量关系式,只要将任意换热过程的流动与换热的准则关系式代入式(1)中,即可得到该过程无因次火用损失率与Re间的变化关系,并可导出使火用损失率为最小时的最佳Re值.下面利用火用损失率方程来分析几种天然制冷工质和常规的卤代烃制冷工质的流动与换热性能.

    2 两种换热方式中流体换热性能分析

    现以两种最常见的换热过程进行性能分析,为了分析比较几种天然工质和几种常用卤代烃工质在液体换热过程中的综合性能优劣,现假设流体温度为260 K,压力p=101.325 kPa,换热热流密度为4 000 W/m,换热器管内径分别选为0.025 m,0.050 m和0.100 m三种.计算所需其他热物性参数见文献[3].