CN108170998B - 一种管壳式热交换器能效评价方法 - Google Patents

一种管壳式热交换器能效评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种管壳式热交换器能效评价方法，包括以下步骤：获取管壳式热交换器的能效参数；采用所述能效参数基于管壳式热交换器所交换的净能量建立能效特征函数；确定管壳式热交换器的最优总传热系数，结合所述能效特征函数得到最优能效指标。本发明能够得到最优能效指标以及能效评价指标，为高效管壳式热交换器的热力设计提供基础。

Description

一种管壳式热交换器能效评价方法
技术领域
本发明涉及热交换器能效评价技术领域，特别是涉及一种管壳式热交换器能效评价方法。
背景技术
热交换器是冷热流体间传递热量的设备，是保证工业生产正常运行的不可缺少的部件，在金属消耗、动力消耗和投资方面占有重要份额，换热压力容器属于国家质检总局规定的高耗能特种设备。同时热交换器更是提高能源利用率的主要设备之一。管壳式换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构简单、造价低、流通截面较宽、易于清洗水垢；但传热系数低、占地面积大。可用各种结构材料(主要是金属材料)制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。管壳式换热器有固定管板式汽-水换热器、带膨胀节管壳式汽-水换热器、浮头式汽-水换热器、U形管壳式汽-水换热器、波节型管壳式汽-水换热器、分段式水-水换热器等几种类型。管壳式换热器的主要控制参数为加热面积、热水流量、换热量、热媒参数等。
目前有多种换热器性能的评价方法与评价指标。有总传热系数K和压降ΔP作为评价指标，或者采用K/ΔP以及无因次化的Nu/f来进行评价。以及K/ΔP1/3及Nu/f1/3作为指标。还有采用熵或者
Figure BDA0001579481680000011
等参数作为的评价指标。
然而，在现有高效热交换器的研究中，只注重对传热速率的研究，即只有传热强化的概念而没有传热优化的概念。实际上高效热交换器在传热强化的同时，必然带来流动阻力的增加，进而增加了泵或风机的能源消耗量。因此，如何全面有效地评价高效热交换器的传热和流阻性能，建立能源利用效率的评价指标，成为了行业乃至政府急切解决的问题。同时传热强化种类很多，仅工业应用较多的无源强化就分为表面粗糙法、表面扩展法、流体旋转法和表面特殊处理法。不同类型的高效热交换器能效水平也不一样，这就必须对高效热交换器的能效等级进行划分，形成终端用能产品的能效标识，这样就能容易地判断设备的能耗水平。
上述这些评价方法有的单纯以第一定律为基础，静态分析热交换器的能量在数量上转换、传递、利用和损失的情况。当前，基于热力学第一定律的评价体系依然在换热系统的评价中被广泛应用着。也有基于热力学第二定律的评价方法，考虑热量交换过程中能量在质量上的损失，来分析换热设备中的转换、传递、利用和损失，作为热力学第二定律评价体系代表的最小熵产法，在很多的研究中得到应用。在通常应用条件下，热交换器测试工况与使用工况的温度水平可能差异极大，且流动熵增、损比传热熵增、损分别小1～2个数量级。且对于不同工业应用过程，追求的有效熵增、损目的不同，故此类评价方法不能准确反映能效特点。除此以外，上述评价方法多以实验、经验等为基础，理论性不强，并且都是停留在静态评价上，也没有给出某项指标的最优值。所以，给出一个理论性强的动态评价方法和指标就显得尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种管壳式热交换器能效评价方法，能够得到最优能效指标以及能效评价指标，为高效管壳式热交换器的热力设计提供基础。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种管壳式热交换器能效评价方法，包括以下步骤：
(1)获取管壳式热交换器的能效参数；
(2)采用所述能效参数基于管壳式热交换器所交换的净能量建立能效特征函数；
(3)确定管壳式热交换器的最优总传热系数，结合所述能效特征函数得到最优能效指标。
所述步骤(3)后还包括利用能效特征函数和最优能效指标计算能效比率以确定管壳式热交换器能效水平等级的步骤。
所述步骤(1)中的能效参数包括管壳热交换器管壳两侧流体的平均温差、流体换热面积、管侧流体压力降、壳侧流体压力降、管侧流体截面积、壳侧流体截面积、管侧流体流速和壳侧流体流速。
所述步骤(2)中建立的能效特征函数为
Figure BDA0001579481680000021
其中，K为总传热系数，
Figure BDA0001579481680000022
h1为管侧对流传热系数，
Figure BDA0001579481680000023
u1为管侧流体流速，b1为管侧流体流速对管侧对流传热系数的结构变量，a1为管侧流体流速对管侧对流传热系数的幅度变量，h0为壳侧对流传热系数，
Figure BDA0001579481680000024
u2为壳侧流体流速，b2为壳侧流体流速对壳侧对流传热系数的结构变量，a2为壳侧流体流速对壳侧对流传热系数的幅度变量，d1为管子内直径，d0为管子外直径，Δtm为管壳热交换器管壳两侧流体的平均温差；A0为流体换热面积；ΔP1为管侧流体压力降，ΔP2为壳侧流体压力降；A1为管侧流体截面积，A2为壳侧流体截面积。
所述步骤(3)中的最优总传热系数
Figure BDA0001579481680000031
其中，
Figure BDA0001579481680000032
Figure BDA0001579481680000033
Δtm1为管侧流体与管壳侧接触板壁的平均温差；Δtm2为壳侧流体与管壳侧接触板壁的平均温差；所述最优能效指标为
Figure BDA0001579481680000034
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明根据热交换器换热过程的所获得的净能量，给出了能效特征函数，构建管壳式热交换器的能效评价体系，提出了能效评价指标和最优能效指标，通过能效特征函数分析得到的能效指标，既可以客观反应管壳式热交换器能效情况，又可以动态反应热交换器相应变量之间的关系，并且可以优化热交换器设计，达到优化设计热交换器的目的。本发明考虑因素全面，逻辑性、操作性强，可以较准确地评价空气冷却式热交换器的能效水平，对于提高空气冷却式热交换器的能效水平，推进新型高效节能空气冷却式热交换器的开发、制造和应用具有指导意义。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种管壳式热交换器能效评价方法，包括以下步骤：获取管壳式热交换器的能效参数；采用所述能效参数基于管壳式热交换器所交换的净能量建立能效特征函数；确定管壳式热交换器的最优总传热系数，结合所述能效特征函数得到最优能效指标。
其中，能效参数包括管壳热交换器管壳两侧流体的平均温差、流体换热面积、管侧流体压力降、壳侧流体压力降、管侧流体截面积、壳侧流体截面积、管侧流体流速和壳侧流体流速。上述能效参数可在管壳式热交换器管壳两侧设置温度传感器、流速计、压力传感器来获取。流体换热面积、管侧流体截面积、壳侧流体截面积则可以通过测量工具进行测量。
能效特征函数是进行能效评价的热交换器所交换(获得)的净能量，即所交换(获得)的能量减去因热交换器管侧和壳侧压力降而损失的泵功。具体为：
Figure BDA0001579481680000041
其中，K为总传热系数，
Figure BDA0001579481680000042
h1为管侧对流传热系数，
Figure BDA0001579481680000043
u1为管侧流体流速，b1为管侧流体流速对管侧对流传热系数的结构变量，a1为管侧流体流速对管侧对流传热系数的幅度变量，h0为壳侧对流传热系数，
Figure BDA0001579481680000044
u2为壳侧流体流速，b2为壳侧流体流速对壳侧对流传热系数的结构变量，a2为壳侧流体流速对壳侧对流传热系数的幅度变量，d1为管子内直径，d0为管子外直径，Δtm为管壳热交换器管壳两侧流体的平均温差；A0为流体换热面积；ΔP1为管侧流体压力降，ΔP2为壳侧流体压力降；A1为管侧流体截面积，A2为壳侧流体截面积。
最优总传热系数
Figure BDA0001579481680000045
其中，
Figure BDA0001579481680000046
Figure BDA0001579481680000047
Δtm1为管侧流体与管壳侧接触板壁的平均温差；Δtm2为壳侧流体与管壳侧接触板壁的平均温差。
如此根据最优总传热系数和能效特征函数可以得到最优能效指标为
Figure BDA0001579481680000048
对需要能效评价的管壳式热交换器，计算其能效特征函数为ΔE，并与最优能效指标ΔE*进行比较，计算出能效比率
Figure BDA0001579481680000049
以实验为基础，并通过统计分析，借鉴已有研究方法，将管壳式换热器能效综合评定级别设为五级，一级至五级能效水平分别表示其相应达到高水平、较高水平、中等水平、较低水平和低水平。一级能效水平、二级能效水平可定为积极推广应用的产品，三级能效水平属于可继续应用的产品，四级能效水平属于限制应用的产品，五级能效水平属于限令淘汰的产品。管壳式热交换器能效水平的级别评分表见表1。
Figure BDA0001579481680000051
表1管壳式热交换器能效水平级别评分表
不难发现，本发明根据热交换器换热过程的所获得的净能量，给出了能效特征函数，构建管壳式热交换器的能效评价体系，提出了能效评价指标和最优能效指标，通过能效特征函数分析得到的能效指标，既可以客观反应管壳式热交换器能效情况，又可以动态反应热交换器相应变量之间的关系，并且可以优化热交换器设计，达到优化设计热交换器的目的。本发明考虑因素全面，逻辑性、操作性强，可以较准确地评价空气冷却式热交换器的能效水平，对于提高空气冷却式热交换器的能效水平，推进新型高效节能空气冷却式热交换器的开发、制造和应用具有指导意义。

Claims (3)

1.一种管壳式热交换器能效评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取管壳式热交换器的能效参数；
(2)采用所述能效参数基于管壳式热交换器所交换的净能量建立能效特征函数；其中，建立的能效特征函数为
Figure FDA0002913942430000011
其中，K为总传热系数，
Figure FDA0002913942430000012
h1为管侧对流传热系数，
Figure FDA0002913942430000013
u1为管侧流体流速，b1为管侧流体流速对管侧对流传热系数的结构变量，a1为管侧流体流速对管侧对流传热系数的幅度变量，h0为壳侧对流传热系数，
Figure FDA0002913942430000014
u2为壳侧流体流速，b2为壳侧流体流速对壳侧对流传热系数的结构变量，a2为壳侧流体流速对壳侧对流传热系数的幅度变量，d1为管子内直径，d0为管子外直径，Δtm为管壳热交换器管壳两侧流体的平均温差；A0为流体换热面积；ΔP1为管侧流体压力降，ΔP2为壳侧流体压力降；A1为管侧流体截面积，A2为壳侧流体截面积；
(3)确定管壳式热交换器的最优总传热系数
Figure FDA0002913942430000015
其中，
Figure FDA0002913942430000016
Δtm1为管侧流体与管壳侧接触板壁的平均温差；Δtm2为壳侧流体与管壳侧接触板壁的平均温差，结合所述能效特征函数得到最优能效指标
Figure FDA0002913942430000017
2.根据权利要求1所述的管壳式热交换器能效评价方法，其特征在于，所述步骤(3)后还包括利用能效特征函数和最优能效指标计算能效比率以确定管壳式热交换器能效水平等级的步骤。
3.根据权利要求1所述的管壳式热交换器能效评价方法，其特征在于，所述步骤(1)中的能效参数包括管壳热交换器管壳两侧流体的平均温差、流体换热面积、管侧流体压力降、壳侧流体压力降、管侧流体截面积、壳侧流体截面积、管侧流体流速和壳侧流体流速。
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