板式IEC中傳遞過(guò)程不可逆熱力學(xué)分析

1、板式IEC中傳遞過(guò)程不可逆熱力學(xué)分析摘要根據(jù)換熱器原理，把板式間接蒸發(fā)冷卻器抽象為一、二次空氣和水膜都可以橫向充分混合的叉流換熱器。應(yīng)用熱力學(xué)和傳熱學(xué)理論，計(jì)及二次空氣和水膜的熱濕交換，建立了描繪換熱器中諸傳遞過(guò)程的根本方程組，利用實(shí)驗(yàn)測(cè)出的邊界條件對(duì)根本方程組進(jìn)展理論求解。得到了一次空氣、水膜溫度及二次空氣焓在空間中分布的解析表達(dá)式。關(guān)鍵詞板式IE不可逆蒸發(fā)冷卻技術(shù)主要通過(guò)空氣-水蒸汽-水系統(tǒng)的傳遞過(guò)程的特點(diǎn)從自然環(huán)境中直接獲得冷量，因其節(jié)能效果明顯且對(duì)大氣環(huán)境無(wú)破壞作用而日益受到重視。板式間接蒸發(fā)冷卻器Plate-TypeIndiretEvaprativeler是由許多金屬或非金屬的薄板兩

2、兩相隔并互相垂直的流道組成，薄板一般由鋁板或聚苯乙烯復(fù)合材料制成。如圖1所示，水膜在換熱器的一次空氣側(cè)面流道內(nèi)沿壁面從上向下流動(dòng)，二次空氣從下向上逆向掠過(guò)水膜外表；一次空氣在換熱器的一次空氣側(cè)的流產(chǎn)內(nèi)程度穿插流動(dòng)。二次空氣側(cè)流道內(nèi)進(jìn)展的是在溫差和水蒸氣分壓力左的共同推動(dòng)下，流動(dòng)空氣與水膜間同時(shí)發(fā)生傳熱傳質(zhì)的典型的復(fù)雜不可逆過(guò)程；一次空氣側(cè)流道內(nèi)進(jìn)展的是在溫差推動(dòng)下的單純對(duì)流傳熱。圖1板式間接蒸發(fā)冷卻器示意圖根據(jù)換熱器原理，把板式間接蒸發(fā)冷卻器抽象為一、二次空氣和水膜都可以橫向充分混合的叉流換熱器。應(yīng)用熱力學(xué)和傳熱學(xué)理論，計(jì)及二次空氣和水膜的熱濕交換，建立了描繪換熱器中諸傳遞過(guò)程的根本方程組，利

3、用實(shí)驗(yàn)測(cè)出的邊界條件對(duì)根本方程組進(jìn)展理論求解。得到了一次空氣、水膜溫度及二次空氣焓在空間中分布的解板表達(dá)式。在熱動(dòng)力學(xué)分析的根底上，對(duì)板式間接蒸發(fā)冷卻器進(jìn)展了不可逆熱力學(xué)分析，并計(jì)算了板式間接蒸發(fā)冷卻器的熵產(chǎn)單元數(shù)的解析表達(dá)式。分析了傳熱單元數(shù)、一次空氣進(jìn)口溫度及換熱器構(gòu)造參數(shù)對(duì)熵產(chǎn)單元數(shù)的影響。1傳遞過(guò)程根本方程組及其解析解換熱器中一次空氣溫度、水膜溫度及二次空氣焓有以下函數(shù)關(guān)系：一次空氣側(cè)溫度T1=T1y1二次空氣焓h=h(x)2水膜外表溫度T=Tx3水膜外表溫度飽和水蒸汽焓hs=hs(x)4如圖2所示，一次空氣流動(dòng)方向是y方向，二次空氣流動(dòng)方向x方向，把板式蒸發(fā)冷卻器中的換熱面抽象成長(zhǎng)為

4、B，寬為L(zhǎng)的當(dāng)量平面后對(duì)應(yīng)的邊界條件為：y=0T1=T1e；y=BT1=T15ax=0T=T；T=Te=T(噴循環(huán)水)5bx=0h=hex=Lh=h5圖2板式間接蒸發(fā)冷卻器中濕度分布在式15中，B、L分別為換熱面的當(dāng)量長(zhǎng)度及寬度，；T1、T分別為一次空氣及水膜外表溫度，；h為二次空氣焓，J/kg干空氣；下標(biāo)e、分別表示進(jìn)口或出口參數(shù)；1、2、分別表示一、二次空氣或水膜的參數(shù)。設(shè)：一次空氣溫度T1y、朋膜溫度Tx和二次空氣焓h(x)的平均值為6經(jīng)推導(dǎo)，可得描繪板式間接蒸發(fā)冷卻器中一次空氣溫度、二次空氣焓及水膜溫度的微分方程組1：7經(jīng)求解后，得噴循環(huán)水的板式間接蒸發(fā)冷卻器中一次空氣T1y、二次空氣

5、焓h(x)和水膜外表溫度T(x)詳細(xì)表達(dá)式：82板式間接蒸發(fā)冷卻器的熵產(chǎn)率和熵產(chǎn)根據(jù)不可逆熱力學(xué)理論，結(jié)合板間接蒸發(fā)冷卻器的特點(diǎn)，熵產(chǎn)率可定義為2：9上式中1、2分別為一、二次氣的熵產(chǎn)率。21一次空氣側(cè)的熵產(chǎn)率一次空氣通過(guò)管壁與管壁外的水膜在溫差推動(dòng)下進(jìn)展單純的傳熱過(guò)程，所以一次空氣側(cè)面的熵產(chǎn)率為：1022二次空氣側(cè)面熵產(chǎn)率二次空氣側(cè)面是在焓差推動(dòng)下進(jìn)展的熱濕交換過(guò)程，可以認(rèn)為熱濕交換的最終結(jié)果表如今二次空氣和水膜溫度發(fā)生變化，基于以上分析，二次空氣側(cè)的熵產(chǎn)率為：1123板式間接蒸發(fā)冷卻器的熵產(chǎn)按熵產(chǎn)定義，叉流換熱器的熵產(chǎn)可表示為123板式間接蒸發(fā)冷卻器熵產(chǎn)單元數(shù)及最優(yōu)的構(gòu)造參數(shù)分析31熵產(chǎn)單

6、元數(shù)的定義及物理意義根據(jù)板式間接蒸發(fā)冷卻器中一次空氣和二次空氣側(cè)水膜傳遞過(guò)程的特點(diǎn)，假設(shè)取空氣和水膜溫度的平均值，那么一次空氣和水膜傳遞過(guò)程的熵產(chǎn)為13引入熵產(chǎn)單元數(shù)Ns作為作為換熱器性能的根本參數(shù)，它是一個(gè)無(wú)因次數(shù)。熵產(chǎn)單元數(shù)也稱換熱器不可逆性比率，其物理意義是，當(dāng)Ns0，表示所設(shè)計(jì)的流道接近理想流道，換熱器的熱力學(xué)完善度趨于理想值；反之，假設(shè)換熱器的熵產(chǎn)單元數(shù)較大，那么說(shuō)明所設(shè)計(jì)的換熱器將產(chǎn)生較大的磨擦阻力損失或傳熱損失，換熱器的熱力學(xué)完善度有待于進(jìn)步。根據(jù)板式間接蒸發(fā)冷卻器的熵產(chǎn)定義式15的特點(diǎn)，定義板式間接蒸發(fā)冷卻器的熵產(chǎn)單元數(shù)為314利用式14對(duì)13進(jìn)展變換，并引入傳熱單元數(shù)，有15

7、上式中R是空氣的氣體常數(shù)J/kgK。式中第一項(xiàng)反映傳熱過(guò)程熵產(chǎn)單元數(shù)的奉獻(xiàn)，第二項(xiàng)主要反映摩阻對(duì)熵產(chǎn)單元數(shù)的奉獻(xiàn)。從式18可以看出，減小Ns數(shù)的根本方法是增加傳熱單元數(shù)或減小磨擦阻力。從理論上可以分析出，影響熵產(chǎn)單元數(shù)的構(gòu)造參數(shù)主要是流道的水力半徑rh、最小自由流通面積A以及流道的長(zhǎng)度L。32最小熵產(chǎn)單元數(shù)及構(gòu)造參數(shù)優(yōu)化321熵產(chǎn)單元數(shù)影響因素的分析根據(jù)傳熱單元數(shù)和沿程阻力系數(shù)的定義，有16上式中，L是管長(zhǎng)，;rh是流道的水力半徑，；v是質(zhì)量流速，kg/s2；f是沿程阻力系數(shù)，它是雷諾數(shù)Re的函數(shù)，即f=f(Re)。定義*為無(wú)因次質(zhì)量流速：17把式16，17代入15中，整理得18因?yàn)樗固诡D數(shù)S

8、t和磨擦系數(shù)f都是雷諾數(shù)Re的函數(shù)，所以熵產(chǎn)單元數(shù)只是三個(gè)涉及流動(dòng)過(guò)程的參數(shù)Re、L/rh及v*的函數(shù)。由于在設(shè)計(jì)時(shí)，流量是給定的，所以，實(shí)際上只要選擇三個(gè)幾何參數(shù)rh、L及A就可滿足規(guī)定的熵產(chǎn)單元數(shù)。當(dāng)給定Re、L/rh時(shí)，Ns隨無(wú)因次質(zhì)量流率的增加而增加。但L/rh的影響卻不同，當(dāng)給定Re和v*時(shí)，只有在L/rhpt下，Ns才能到達(dá)最校實(shí)際換熱器設(shè)計(jì)時(shí)，并不是三個(gè)參數(shù)Re、L/rh及v*都可以自由選擇，假如事先規(guī)定了不可逆性程度，由于自由度為二的限制，所選獨(dú)立的參數(shù)的個(gè)數(shù)可以小于2。322最正確流道長(zhǎng)度的計(jì)算與分析在式18中，對(duì)反映間接蒸發(fā)冷卻器中構(gòu)造特征的參數(shù)L/rh求導(dǎo)，并求出駐點(diǎn)方程

9、19從19中可以看出，基于熵產(chǎn)單元數(shù)法的換熱器最正確長(zhǎng)度隨無(wú)因次質(zhì)量流速的增加而減少，隨傳熱量的增加而增加，這些都符合換熱器設(shè)計(jì)的一般定性分析原那么，說(shuō)明19中的各個(gè)物理量間的比例關(guān)系是正確的。但它和一般設(shè)計(jì)原那么的差異是19是通過(guò)熱力學(xué)第二定律理論定的最正確流動(dòng)構(gòu)造特征與諸影響因素的數(shù)量關(guān)系。323最小熵產(chǎn)單元數(shù)的計(jì)算把駐點(diǎn)方程19代入18中，得最小熵產(chǎn)單元數(shù)的表達(dá)式：20通過(guò)式20中對(duì)各物理量的量級(jí)關(guān)系分析，可以看出，最小熵產(chǎn)單元數(shù)一次空氣側(cè)的無(wú)因次質(zhì)量流速、傳熱量和傳熱溫差有關(guān)。關(guān)于利用最小熵產(chǎn)單元數(shù)確定最正確流道等應(yīng)用方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)4中以管式間接蒸發(fā)冷卻器為例的分析。4結(jié)論1建立了描繪板式間接蒸發(fā)冷卻器中傳遞過(guò)程的理論模型；通過(guò)對(duì)微分方程組的求解，得到了一次空氣溫度、二次空氣焓及水膜溫度的分布的解析表達(dá)式7；它可方便地應(yīng)用于板式間接蒸發(fā)冷卻器的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算。2通過(guò)對(duì)板式間接蒸發(fā)冷卻器中傳遞過(guò)程所進(jìn)展的不可逆熱力學(xué)分析，建立了針對(duì)板式間接蒸發(fā)冷卻器這樣的兩側(cè)流體都充分混合的叉流換熱器的最小熵產(chǎn)單元數(shù)的表達(dá)式，并給出最正確流道與斯坦頓數(shù)與阻力系數(shù)間的關(guān)系，對(duì)今后進(jìn)一步進(jìn)步熱力學(xué)完善度指出了方向。參考文獻(xiàn)1陳沛霖，張旭，板式間接蒸發(fā)冷卻器傳遞過(guò)程解析解及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，19