最大能量回收為目標(biāo)的多股流換熱器運(yùn)行工作點(diǎn)優(yōu)化

最大能量回收為目標(biāo)的多股流換熱器運(yùn)行工作點(diǎn)優(yōu)化

周艷鈞1，崔國(guó)民1，趙永芹2

    （1上海理工大學(xué)熱工程研究所，上海200093；2空調(diào)國(guó)際（上海）有限公司，上海200001）

    摘要：多股流換熱器的運(yùn)行優(yōu)化直接影響到能量回收水平和整體性能。本文從多股流換熱器的熱回收效率入手，通過(guò)不同工況條件下的計(jì)算分析，獲得了流體組織方式與其最佳運(yùn)行工作點(diǎn)之間的關(guān)系，從而為多股流換熱器提供了一種在線運(yùn)行優(yōu)化的調(diào)節(jié)方法。

    關(guān)鍵詞：能量回收；多股流換熱器；運(yùn)行優(yōu)化

    由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、傳熱溫差小等一系列優(yōu)點(diǎn)，多股流板翅式換熱器廣泛地應(yīng)用于空氣分離、石油化工、航天航空等領(lǐng)域。與其他換熱設(shè)備一樣，多股流換熱器的性能提升也依賴于結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運(yùn)行優(yōu)化兩部分。鑒于其結(jié)構(gòu)的特殊性，多種流體存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，其運(yùn)行優(yōu)化對(duì)于高效地發(fā)揮其性能具有更重要的作用。

    多股流換熱器的運(yùn)行優(yōu)化包括兩部分內(nèi)容，一是運(yùn)行工作點(diǎn)的優(yōu)化，二是控制過(guò)程中過(guò)渡過(guò)程的優(yōu)化。所謂運(yùn)行工作點(diǎn)的優(yōu)化，即是尋找一個(gè)最佳工況點(diǎn)，使得在此工作點(diǎn)處能夠發(fā)揮換熱器的最佳性能。對(duì)于多股流換熱器，控制優(yōu)化則是指，為了保證目標(biāo)流體的出口工藝參數(shù)，在擾動(dòng)作用下如何組合調(diào)節(jié)輔助流體才能達(dá)到控制過(guò)程最優(yōu)化。但是，任何換熱設(shè)備在正常工作時(shí)，在一定時(shí)期內(nèi)其工況一般都是相對(duì)穩(wěn)定的，其運(yùn)行工況點(diǎn)選取的好壞將直接影響到其總體的性能水平，這種長(zhǎng)效的性能差異將遠(yuǎn)大于控制所帶來(lái)的能效降低。因此運(yùn)行工況點(diǎn)的優(yōu)化是多股流換熱器運(yùn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)，是首先必須解決的問(wèn)題[1-2]。

    基于此，本文以能量回收為應(yīng)用背景，以多股流換熱器為能量回收設(shè)備，考察了不同工況條件下，流體組織與其最佳運(yùn)行工況點(diǎn)之間的關(guān)系，從而為在線最佳運(yùn)行工況點(diǎn)調(diào)節(jié)提供了理論基礎(chǔ)。

    1·兩股流體進(jìn)口溫度相等情況下的最佳運(yùn)行工況點(diǎn)

    1.1兩股冷流體進(jìn)口溫度相等

    針對(duì)于熱回收的多股流換熱器，如果兩股冷流體入口溫度相同，用以回收一股熱流體的熱量，其等效結(jié)構(gòu)如圖1所示。換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及流體參數(shù)如表1、表2所示。

    參數(shù)如表1、表2所示。

    冷流體總流量為一定值，在進(jìn)入換熱器之前被分為兩部分即冷流體A和冷流體B，但是兩者的流量怎樣分配才能使換熱器的熱回收效率最高？根據(jù)這個(gè)思想，計(jì)算兩股冷流體所占總流量比例不同情況下的熱回收效率，結(jié)果示于表3。

    從表3可以看出，當(dāng)換熱器具有最大熱回收效率時(shí)并不是冷流體A和冷流體C的流量相等時(shí)，而是兩者為一定比值時(shí)。對(duì)兩股流換熱器來(lái)說(shuō)，同一流體在不同通道中有著相同的流量，因此換熱器總運(yùn)行在非最佳狀態(tài)。而多股流換熱器通過(guò)合理匹配不同通道中流體的流量可以實(shí)現(xiàn)最佳靜態(tài)工作點(diǎn)下的運(yùn)行。

    為了更好地觀察兩股冷流體進(jìn)口溫度相等時(shí)冷流體的進(jìn)口溫度改變時(shí)，兩股冷流體流量比值不溫度的變化而改變，不管冷流體的進(jìn)口溫度是多少，佳靜態(tài)工作點(diǎn)的位置總是在冷流體C的流量比值為0.6左右。這種現(xiàn)象表明，靜態(tài)工作點(diǎn)的位置是由兩股冷流體各自的換熱量比例決定的而不是由總的換熱量決定。

    1.2兩股熱流體進(jìn)口溫度相等

    對(duì)圖1所示的系統(tǒng)，我們不妨把流體溫度改變一下，變?yōu)橐还衫淞黧w回收兩股熱流體的熱量，然后再進(jìn)行熱回收效率的計(jì)算，這樣能得到什么結(jié)論呢？基于此，給出換熱器的流體參數(shù)如表4所示，同時(shí)的熱回收效率，如圖2所示。

    從圖中可以清楚地看出，最佳靜態(tài)工作點(diǎn)的位置并不隨冷流體進(jìn)口溫度別為10℃、15℃、25℃時(shí)的熱回收效率。即當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)的位置，本文又進(jìn)一步計(jì)算了冷流體的把熱流體A、C的流量按一定的比例組合進(jìn)行計(jì)算，熱回收效率ε表示為：

    式中，p1C，p2C分別為兩股熱流體的定壓比熱容。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

    為了更直觀地看出熱回收效率與熱流體C流量所占熱流體總流量比例不同時(shí)的關(guān)系，作圖3。從圖3中可以看出，當(dāng)熱流體C流量與總流量的比值為某一定值時(shí)，換熱器具有最大的熱回收效率，這與冷流體溫度相等的情況得到的結(jié)果相一致。從表中可以精確計(jì)算出熱回收效率的最大值與最小值之間的差值?ε=0.01048，也就是說(shuō)，尋找到最佳靜態(tài)工作點(diǎn)以后，與最小值相比，熱回收效率可提高1％。

    綜合上述，可以得出這樣的結(jié)論：對(duì)圖1所示的系統(tǒng)，當(dāng)冷（熱）流體進(jìn)口溫度相同時(shí)，多股流換熱器的最佳靜態(tài)工作點(diǎn)是由冷（熱）流體間流量的合理匹配決定的。此結(jié)論為熱交換系統(tǒng)怎樣獲得最大熱回收效率下的運(yùn)行優(yōu)化和如何實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行提供了充分的理論依據(jù)。

    2·兩股流體進(jìn)口溫度不等情況下的運(yùn)行工況點(diǎn)

    2.1兩股冷流體進(jìn)口溫度不相等

    如上面所說(shuō)的流體具有相同進(jìn)口溫度的情況通常發(fā)生在換熱器網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)多股流換熱器來(lái)說(shuō)，不同通道流體的溫度往往是不同的，這時(shí)，等效換熱器系統(tǒng)如圖4所示。

    為了分析此系統(tǒng)最大熱回收效率和靜態(tài)工作點(diǎn)之間的關(guān)系，先把冷流體A的進(jìn)口溫度固定在20℃，冷流體C的進(jìn)口溫度在20～34℃變化，間隔為2℃。流體的流量為定值，冷流體A的流量為0.224 kg/s，冷流體C的流量為0.096 kg/s，熱流體B的流量為0.256 kg/s。計(jì)算此種情況下的熱回收效率。然后，再把冷流體C的進(jìn)口溫度固定在20℃，冷流體A的進(jìn)口溫度在20～34℃變化，間隔為2℃，計(jì)算這種情況下的熱回收效率。兩次計(jì)算結(jié)果如表6所示。

    為了更清楚地觀察換熱器效率隨溫度變化時(shí)的趨勢(shì)，作圖5。從圖5中可以看出：當(dāng)一股冷流體的溫度一定時(shí)，隨著另一股冷流體的溫度升高，換熱器的效率下降；在不同的流體組織方式下，換熱器的效率是不同的：通道1、5為較低溫度的冷流體，通道3為較高溫度的冷流體的布置方式，其換熱器效率要高于相反的布置；另外，隨著兩股冷流體進(jìn)口溫差的增大，兩者熱回收效率之間的差異也越來(lái)越大。

    2.2兩股熱流體進(jìn)口溫度不相等

    在一股冷流體回收兩股熱流體的情況下，為了分析此系統(tǒng)最大熱回收效率和靜態(tài)工作點(diǎn)之間的關(guān)系，先把熱流體A的進(jìn)口溫度固定在60℃，熱流體C的進(jìn)口溫度在60～48℃變化，間隔為3℃。同時(shí)，我們賦予流體的流量為定值，A的流量為0.16kg/s，B的流量為0.14 kg/s，熱流體C的流量為0.24kg/s。計(jì)算此種情況下的熱回收效率。然后，再把熱流體C的進(jìn)口溫度固定在60℃，熱流體A的進(jìn)口溫度在60～48℃之間變化，間隔為3℃，再計(jì)算這種情況下的熱回收效率，兩次計(jì)算結(jié)果如表7所示。

    為了更好地比較表7中兩種不同的流體組織下熱回收效率之間的關(guān)系及其各自的趨勢(shì)，作圖6所示。

    從圖6中可以看出，隨著熱流體的溫度升高，熱回收效率單調(diào)增大；在不同的流體組織方式下，熱回收效率是不同的：通道1、5為較低溫度的熱流體，通道3為較高溫度的熱流體的布置方式，其換熱器效率要高于相反的布置；另外，隨著兩股熱流體進(jìn)口溫差的增大，兩種流體組織下的熱回收效率之間的差異也越來(lái)越大。這與冷流體溫度不等時(shí)的情況得到的結(jié)果是一致的。因此，可以得到這樣的結(jié)論：對(duì)圖4所示的系統(tǒng)，當(dāng)冷（熱）流體進(jìn)口溫度不相同時(shí)，最佳靜態(tài)工作點(diǎn)是由多股流換熱器合理的溫度匹配決定的。

    3·結(jié)論

    通過(guò)對(duì)多股流換熱器不同進(jìn)口參數(shù)情況下靜態(tài)工作點(diǎn)的研究，為多股流換熱器的運(yùn)行優(yōu)化提出了新的內(nèi)容，得出如下結(jié)論：

    （1）當(dāng)冷（熱）流體溫度相等時(shí)，最佳靜態(tài)工作點(diǎn)是由冷（熱）流體間合理的流量匹配決定的；

    （2）當(dāng)冷（熱）流體溫度不相等時(shí)，最佳靜態(tài)工作點(diǎn)是由多股流換熱器合理的溫度匹配決定的。

    總之，對(duì)于多股流換熱器的運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題，從流體組織的角度著手進(jìn)行合理地優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)熱交換系統(tǒng)的節(jié)能和能量的高效利用。

    參考文獻(xiàn)

    [1]盧洪波.多股流換熱器優(yōu)化運(yùn)行和控制研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2003，24（3），505-507.

    [2]郭佳，崔國(guó)民，呂巖巖，等.變工況下多股流換熱器通道排列設(shè)計(jì)工況點(diǎn)研究[J].石油化工（增刊），2008，37：609-611.

    [3]崔國(guó)民，高孝忠，郭佳，等.多股流換熱器網(wǎng)絡(luò)的衍生網(wǎng)絡(luò)法優(yōu)化研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2008，29（8）：1403-1406.