CN108446447B - 一种空冷式热交换器能效评价方法 - Google Patents

一种空冷式热交换器能效评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种空冷式热交换器能效评价方法，包括以下步骤：获取空冷式热交换器的能效参数；采用所述能效参数基于空冷式热交换器所交换的净能量建立能效特征函数；确定空冷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，为高效空冷式热交换器的热力设计提供基础。

Description

一种空冷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，特别是涉及一种空冷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，是特种设备节能降耗的重要对象。空气冷却式热交换器(简称空冷器)是指环境空气在风机驱动下横掠翅片式换热管以冷却管内工艺流体的换热设备，是大型成套装置中的核心设备，广泛应用于石油、化工、制药、电力、冶金、能源等行业。目前，火力发电和石化已经成为空冷器最大的两个应用领域。相对于水冷而言，空冷器的显著优点是节水效果好，对环境污染小，操作费用低，使用寿命长等，在气候条件适合的北方地区空冷器经济性能优于冷却塔。随着国内对于工业企业提高能效、降低能耗要求的日趋迫切，进一步提高空冷器能效是首要考虑的问题。
目前有多种换热器性能的评价方法与评价指标。如基于热力学第一定律的评价方法与指标，有比压力降J＝Δp/NTU、能量系数(热流量与泵功之比)、面积质量因子(换热因子j与摩擦阻力系数f之比)等，这些方法与指标物理意义清晰，但不同换热面积及不同工况下的评价结果差异较大，依据实验测试数据得到的评价结果难以反映热交换器实际应用过程中的能效特性。还有采用基于热力学第二定律熵或者
Figure BDA0001579483920000011
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空冷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，为高效空冷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：提供一种空冷式热交换器能效评价方法，包括以下步骤：
(1)获取空冷式热交换器的能效参数；
(2)采用所述能效参数基于空冷式热交换器所交换的净能量建立能效特征函数；
(3)确定空冷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空冷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内侧换热面积、空气侧换热面积、空气冷却式热交换器管内空气两侧流体的平均温差、管内侧流体压力降、管内侧流体截面积、管内侧流体流速、空气侧空气流速和风机风力。
所述步骤(2)中建立的能效特征函数为
Figure BDA0001579483920000021
其中，K为总传热系数，
Figure BDA0001579483920000022
h1为管内侧对流传热系数，
Figure BDA0001579483920000023
u1为管内侧流体流速，b1为管内侧流体流速对管内侧对流传热系数的结构变量，a1为管内侧流体流速对管内侧对流传热系数的幅度变量，h0为空气侧对流传热系数，
Figure BDA0001579483920000024
u2为空气侧空气流速，b2为空气侧空气流速对空气侧对流传热系数的结构变量，a2为空气侧空气流速对空气侧对流传热系数的幅度变量，Ai为管内侧换热面积，A0为空气侧换热面积，η0为肋面总效率，Δtm为空气冷却式热交换器管内空气两侧流体的平均温差；ΔP1为管内侧流体压力降；A1为管内侧流体截面积，F为风机风力。
所述步骤(3)中的最优总传热系数
Figure BDA0001579483920000031
其中，
Figure BDA0001579483920000032
Figure BDA0001579483920000033
Δtm1为管内侧流体与管内侧接触管壁的平均温差；Δtm2为空气侧空气与管内侧接触管壁的平均温差；所述最优能效指标为
Figure BDA0001579483920000034
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：本发明根据空气冷却式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，并计算出最优能效指标和能效评价指标，构建空冷式热交换器的能效评价体系，并且通过能效特征函数而分析得出的能效指标，这既能较为客观的反应空气冷却式热交换器的能效情况，又能动态的反应空气冷却式热交换器相应运行参数之间的关系，由此可以帮助优化热交换器热力设计环节，达到提高热交换器设计的目的。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空冷式热交换器能效评价方法，包括以下步骤：获取空冷式热交换器的能效参数；采用所述能效参数基于空冷式热交换器所交换的净能量建立能效特征函数；确定空冷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，能效参数包括管内侧换热面积、空气侧换热面积、空气冷却式热交换器管内空气两侧流体的平均温差、管内侧流体压力降、管内侧流体截面积、管内侧流体流速、空气侧空气流速和风机风力。上述能效参数可在空冷式热交换器管内侧和空气侧设置温度传感器、流速计、压力传感器来获取。管内侧换热面积、空气侧换热面积、管内侧流体截面积则可以通过测量工具进行测量。风机风力则可根据风机的功率换算得到。
能效特征函数是根据空气冷却式热交换器所交换(获得)的净能量获得，即所交换(获得)的能量减去因热交换器管侧损失的泵功和风机消耗的功率。具体为：
Figure BDA0001579483920000041
其中，K为总传热系数，
Figure BDA0001579483920000042
h1为管内侧对流传热系数，
Figure BDA0001579483920000043
u1为管内侧流体流速，b1为管内侧流体流速对管内侧对流传热系数的结构变量，a1为管内侧流体流速对管内侧对流传热系数的幅度变量，h0为空气侧对流传热系数，
Figure BDA0001579483920000044
u2为空气侧空气流速，b2为空气侧空气流速对空气侧对流传热系数的结构变量，a2为空气侧空气流速对空气侧对流传热系数的幅度变量，Ai为管内侧换热面积，A0为空气侧换热面积，η0为肋面总效率，Δtm为空气冷却式热交换器管内空气两侧流体的平均温差；ΔP1为管内侧流体压力降；A1为管内侧流体截面积，F为风机风力。
最优总传热系数
Figure BDA0001579483920000045
其中，
Figure BDA0001579483920000046
Figure BDA0001579483920000047
Δtm1为管内侧流体与管内侧接触管壁的平均温差；Δtm2为空气侧空气与管内侧接触管壁的平均温差。
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 BDA0001579483920000048
对需要能效评价的空冷式热交换器，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 BDA0001579483920000049
以对空气冷却式热交换器的性能试验为基础，并通过统计分析，借鉴已有研究方法，将空气冷却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。空气冷却式热交换器能效水平的级别评分表见表1。
Figure BDA0001579483920000051
表1空冷式热交换器能效水平级别评分表
不难发现，本发明根据空气冷却式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，并计算出最优能效指标和能效评价指标，构建空冷式热交换器的能效评价体系，并且通过能效特征函数而分析得出的能效指标，这既能较为客观的反应空气冷却式热交换器的能效情况，又能动态的反应空气冷却式热交换器相应运行参数之间的关系，由此可以帮助优化热交换器热力设计环节，达到提高热交换器设计的目的。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 (4)

1.一种空冷式热交换器能效评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取空冷式热交换器的能效参数；
(2)采用所述能效参数基于空冷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 FDA0003110876520000011
其中，K为总传热系数，
Figure FDA0003110876520000012
h1为管内侧对流传热系数，
Figure FDA0003110876520000013
u1为管内侧流体流速，b1为管内侧流体流速对管内侧对流传热系数的结构变量，a1为管内侧流体流速对管内侧对流传热系数的幅度变量，h0为空气侧对流传热系数，
Figure FDA0003110876520000014
u2为空气侧空气流速，b2为空气侧空气流速对空气侧对流传热系数的结构变量，a2为空气侧空气流速对空气侧对流传热系数的幅度变量，Ai为管内侧换热面积，A0为空气侧换热面积，η0为肋面总效率，Δtm为空气冷却式热交换器管内空气两侧流体的平均温差；ΔP1为管内侧流体压力降；A1为管内侧流体截面积，F为风机风力；
(3)确定空冷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。
2.根据权利要求1所述的空冷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空冷式热交换器能效水平等级的步骤。
3.根据权利要求1所述的空冷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内侧换热面积、空气侧换热面积、空气冷却式热交换器管内空气两侧流体的平均温差、管内侧流体压力降、管内侧流体截面积、管内侧流体流速、空气侧空气流速和风机风力。
4.根据权利要求1所述的空冷式热交换器能效评价方法，其特征在于，所述步骤(3)中的最优总传热系数
Figure FDA0003110876520000015
其中，
Figure FDA0003110876520000016
Figure FDA0003110876520000017
Δtm1为管内侧流体与管内侧接触管壁的平均温差；Δtm2为空气侧空气与管内侧接触管壁的平均温差；所述最优能效指标为
Figure FDA0003110876520000021
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