交叉流余热回收换热器热经济学

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1、交叉流余热回收换热器热经济学性能的分析和优化吴双应　李友荣(重庆大学)摘　要　以热经济学原理为基础，在同时考虑空气侧和烟气侧流动损失的条件下，对一次和n行程多次交叉流余热回收换热器性能进行了热经济学分析，讨论了有关参数对其热经济学性能的影响，并给出了最佳设计参数的计算结果。关键词　余热回收　交叉流换热器　热经济学分析　优化ANALYSISOFTHERMOECONOMICPERFORMANCEANDOPTIMIZATIONOFCROSSFLOWWASTEHEATRECOVERYEXCHANGERWUShuangying　LIYourong(ChongqingUniversi

2、ty)ABSTRACT　Basedonthethermoeconomicprinciple,theperformanceanalysisofoneandn-passcrossflowwasteheatrecoveryexchangershavebeenmadewithaconsiderationofsimultaneousexergylossatairandgasside.Theeffectsofsomeparametersonthethermoeconomicperformanceofcrossflowwasteheatrecoveryexchangerwasdiscus

3、sedandthecalculatedresultsforoptimizationweregiven.KEYWORDS　wasteheatrecovery,crossflowheatexchanger,thermoeconomicanalysis,optimization1　前言　　利用换热器回收工业炉烟气余热来预热助燃空气，可以提高工业炉的热效率和有效能效率，为满足对余热回收换热器最佳经济设计的要求，有必要对余热回收换热器的热经济学性能进行优化分析和计算。在文献［1］中，笔者在综合考虑能量优化方法和优化方法基础上，提出了一项评价余热回收换热器热经济学性能的新指标——单位

4、余热回收量的年净收益η。该指标既考虑了回收的多少，又考虑了回收热量的多少，同时还考虑了换热器的投资和运行费用，因而更加全面地反映了余热回收换热器的热经济学性能。另一方面，在一些工业炉余热回收换热器中，为了有利于均布气流、优化排列和分级选用材质的需要，常采用多行程交叉逆流或顺流方式进行热交换［2］，因此有必要对多次交叉流余热回收换热器进行热经济学优化。文献［3］、［4］曾对交叉流余热回收换热器最佳经济设计进行了探讨，但它们是以热力学第一定律为基础，能量优化方法为前提的，因而没有考虑能量质的损失。本文以文献［1］提出的余热回收换热器热经济学性能评价指标为基础，在同时考虑空气和

5、烟气侧流动损失的条件下，对一次和多次交叉流余热回收换热器热经济学性能进行优化分析和计算，从而为工程上交叉流余热回收换热器设计提供参考。2　交叉流余热回收换热器热经济学性能分析　　假定烟气和空气均为理想气体，且物性为常数，并不考虑散热损失，则空气得到的热量为ΔEc＝Gccpc［Tc2-Tc1-T0ln(Tc2/Tc1)］(1)空气侧流动损失为ΔErc＝［(kc-1)/kc］GccpcT0ln(1-Δpc/pc1)(2)烟气侧流动损失为ΔErh＝［(kh-1)/kh］GccpcT0ln(1-Δph/ph1)(3)式中　Gccpc、Ghcph——空气和烟气热容量流/J*s

6、-1*k-1；　　kc、kh——空气和烟气绝热指数；　　pc1、ph1——空气和烟气进口压力/Pa；　　Δpc、Δph——空气和烟气侧压降/Pa；　　Tc1、Tc2——空气进出口温度/K；　　T0——环境温度/K。　　假定空气走管程，则空气侧压降Δpc为［1］Δpc/pc1＝FcNtu(4)其中，Fc＝(f+ξdi/L)/(8βEucStc)式中　f、ξ——空气侧沿程和局部阻力因数；　　L/di——每程换热管的长度/内径比；　　β——换热管的外、内径比(d0/di)；　　Euc、Stc——空气侧欧拉数［Euc＝pc1/(ρcuc2)］和斯坦顿数［Stc＝K/(ρcuccpc

7、)］；　　Ntu——传热单元数［Ntu＝KF/(Gccpc)］。　　烟气走壳程，则烟气侧压降Δph为［5］Δph＝CDρhu2hZCZn/2(5)式中　CD、CZ——壳侧阻力因数和管排修正因数；　　Z、n——每程管排数和行程数。进一步把式(5)化为Δph/ph1＝FhNtu(6)其中，Fh＝ZCDCZdi/(8βLEuhStc)式中　Euh——烟气侧欧拉数［Euh＝ph1/(ρhu2h)］。显然，Fc、Fh分别为反映流速、管径、管排等因素对换热器空气侧和烟气侧压降影响的系数。　　换热器单位余热回收量的年净收益η为［