换热过程中有效能——杜涛

1、间壁式换热过程中的有效能分析及其信息化过程化学与环境科学学院 2011级环境科学一班 杜涛 20111105295 指导教师 段毅文 副教授摘 要：采用内插值计算方法，及逻辑映射法，并通过实验数据和计算机辅助，研究间壁式液一液热交换单元操作中关于换热过程中有效能分析方面的一些问题，并阐述了将其信息化的基本方法。关键词：套管式液液热交换；计算机辅助；信息化和数字化；有效能分析引言：热力学第二定律中，重要的问题是有效能分析，即：能量损失或做功能力丧失的问题；众所周知，热力学第一定律表明了能量使用过程中，在数量上是守恒的，热力学第二定律指出能量使用过程中，在质量上是会降级的。因此，有效能分析成为了能

2、量分析的核心内容，本文将重点讨论套管式液-液热交换过程中有效能分析的问题。有效能分析正是我们如何能合理利用有关能源方面的一种热力学研究。如众周知, 为了评价一个生产过程的能量利用情况, 通常的方法是根据热力学第一定律, 作该过程的能量衡算, 确定它的数量关系, 即确定过程中被利用的能量与投入过程的总能量之间的关系。这当然是最基本的和重要的, 但它不能全面地反映出能量的利用情况。例如, 流体从高压到低压的节流过程,节流前后的焓值并未发生变化等过程。但损失了作功能力；又如当冷热两股物流进行热交换时, 在理想绝热的情况下, 热物流给出的热量等于冷物流接受的热量, 冷热两般物流的总能量保持不变, 可是

3、在这一过程中, 流体总的作功能力也下降了。这些问题在实际过程中是大量存在着的, 但要考查一个实际过程中能够作功的能量利用了多少？损失了多少？是必须用有效能分析的方法来解决的。一、有效能的定义及分析1、有效能的定义物质从高温、高压的状态变为低温、低压时可以释放出能量，并通过某种机器利用其中一部分能量做功。但若机器本身的状态不变时，在做功过程中一部分能量总是以热量的形式排到低温，能够做功那部分能量最多不能超过释出的总能量的一定的份额。这最大可能做功的能量份额称为有效能。或可定义为：一定形式的能量，在一定环境条件下变化到与环境平衡时所做出的最大的功。2、有效能分析一般而言，有效能是针对热能而言的，热

4、能被称作“低质能量”，它在做功时只能部分地转化为有用功，另一部分不能转化为有用功的被称为无效能。相比较于热能，其它形式的能量，如电能，机械能等被称作“高质能量”，在理论上这些形式的能量能够完全转化为有用功，而热能由于环境条件制约并受转化过程的影响，从理论上讲就不能够完全转化为有用功。有效能是理论上可以转化为任何其他能量形式的能量，或者说，是以热力学平衡环境（简称衡环境或环境）为基准，通过可逆变化可以转化为有用功的能量。它可说是能的“量质兼顾”的量度。反之，不能转化为有用功的能量称为无效能【1-2】。所以：能有效能 + 无效能就是总能量E = 有效能EA + 无效能EX按卡诺循环定义的热做功效率

5、可知： 这一关系表明了，不同能级的热可以转变成功的比例，由此定义间壁式热交换过程的有效能损失如下：热流体为冷流体为 则有效能损失就为 则得出其中 二、信息化及数字化由于时间、人力和物力的局限性，人们在实践中只可能得到离散的数据、而不可能得到相关知识的完整信息；但在人类生产、生活的实践过程中，确实需要相关方面系统的、完整的信息。如何将离散的数据转化为完整的信息呢？这实际上是一个“如何把有限的生命，投入到无限的为人民服务之中去”的问题；最简单的、常用的将离散的实验数据信息化的方法，就是内插值法；若更深入地讨论信息化问题，从数据处理方法上讲，有三种方法：图形法函数法逻辑映射法；从数理处理方法途径上讲

6、，有三条途径：调查统计信息化实验设计信息化理论模拟信息化。信息化的目的是为了得出过程的科学背景蓝图，从而为过程数字化的实施奠定理论基础和大数据基础；数字化是采用系统规划的方法，找出过程科学背景蓝图中的最优实施途径，以为人类最优的完成工业过程给社会创造财富。信息化和数字化是一对矛盾，一个强调的是“整体”，一个强调的是“个体”；它们之间的对立统一关系，形成了整个世界和谐共鸣、统一联动的一切生动故事。根据最新信息化的定义：“信息化是培养、发展以计算机为主的智能化工具为代表的新生产力，并使之造福于社会的历史进程。(智能化工具又称信息化的生产工具。它一般必须具备信息读取、信息传递、信息处理、信息再生、信

7、息利用的功能。)与智能化工具相适应的生产力，称为信息化生产力。智能化生产工具与过去生产力中的生产工具不一样的是，它不是一件孤立分散的东西，而是一个具有庞大规模的、自上而下的、有组织的信息网络体系。这种网络性生产工具将改变人们的生产方式、工作方式、学习方式、交往方式、生活方式、思维方式等，将使人类社会发生极其深刻的变化。”【4-7】三、数值计算法1、迭代计算：迭代法是数值计算中一类典型方法，应用于方程求根，方程组求解，矩阵求特征值等方面。其基本思想是逐次逼近，先取一个粗糙的近似值，然后用同一个递推公式，反复校正此初值，直至达到预定精度要求为止根据不同换热面积换热器长度。所以我们要用迭代计算来进行

8、换热器长度不同位置处的温度计算 根据热量守恒定律，可知在上图中l长度上的换热速率为：由此，可解的：则 依据上述关系，进行迭代计算如下：取换热器完整测试段上的qM,1、qM,2和CP,1、CP,2为初值计算冷流体温度、热流体温度t和T计算平均定性温度t定 和T定采用定性温度计算1、qM,1、qM,2和CP,1、CP,2重复步，迭代计算直到为止2、数值积分用求定积分的近似值的数值方法。即用被积函数的有限个抽样值的离散或加权平均近似值代替定积分的值。根据我们所得出的公式 中 则我们需用数值积分，根据管长L，求出 首先 I = ，若设 则 I 把三点数据代入被积函数后，可得：写成矩阵形式，有：根据逆矩

9、阵及增广阵 曾最后得出 I 根据此规律I 四、实验部分1.1 实验设备基本参数 实验设备型式和装置方式：水平装置套管式热交换器 换热器套管：工程塑料管 32mm3mm透明有机玻璃管 20mm2mm康铜管 12mm2mm 测试段长度 1000mm测温系统：感温元件 铜-康铜热电偶数字电压表 0-20mV20V恒温循环水槽：水槽尺寸 850mm(W)270mm(D)250mm(H)电热功率 5.5kW恒温范围与精度 20600.1转子流量计：型号 LZB-10 量程 16-320L/h高位恒压水槽：150mm200mm(H)流体流通的横截面积：内管横截面积：S = 6.36210-5m2 环隙横截

10、面积：S= 8.79610-5m2热交换面积：内管内壁表面积：Aw = 0.0283m2内管外壁表面既：Aw = 0.0377m2 平均热交换面积：A = 0.330m21.2 实验装置与操作 要做换热过程中的有效能分析实验，我们就要用的套管式液-液交换仪，实验装置使用的是北京清华华教公司开发、研制的CEAH01型套管式液-液热交换仪，所用换热冷、热流体均为呼和浩特供水公司供给的居民饮用水热水产生于本装置中的恒温加热循环系统，冷水直接取自于呼和浩特供水公司供给的居民饮用水，经本装置中的稳压恒位系统处理后使用在内管内通热水，在套管间通冷水，完成逆流换热。为了进一步理解实验装置的性能与作用，应从实

11、验测定任务和装置子系统功能两个方面来了解、认识本实验装置【3】。 使用这一实验装置可以完成如下测定任务： 热、冷流体间的换热速率； 换热器的传热总系数K； 热流体温度T1，T2；壁面温度tw1，tw2 冷流体温度t1，t2；以上测定任务均取10组实验数据，经数理统计方法处理后完成。其主体装置见图1。图1 套管式液液热交换器示意图 Fig.1 Heat transfer between cool water and warm water in a sleeve type of heat exchange 由图1可知，本实验装置由主体装置和辅助子系统构成其基本实验功能，辅助系统由7个子功能辅助系统

12、组成：（1）力学支撑系统：材料力学 结构力学（2）电动力系统，由三相交流电接通，具有如下主要功能： 驱动加热系统和辅助加热系统将水加热； 驱动离心循环水泵，使热水循环流动换热； 驱动电子测、控温仪器（测、控温度电路和测温系统电路）正常工作。（3）热水恒温加热系统由低位恒温热水槽、电加热（辅助电加热）系统、搅拌器、贝克曼温度计和控温仪组成。依据贝克曼温度计设定的温度（50），执行电加热操作，以给系统提供恒温为50C热水。（4）热水流通系统由低位恒温热水槽、离心泵、转子流量计和热流体换热管组成使热水循环流动回低位恒温热水槽，且在流动过程中与冷流体逆流换热。（5）热水流量测量系统采用两个并联的、可调

13、节流量的转子流量计，测量热水的体积流量。（6）冷水流通系统其由呼和浩特居民供水龙头、上水管路、高位恒位稳压水槽、平衡泄流管路和取水换热管路组成，其主要功能为提供稳定流动的冷水与循环流动的热水进行逆流换热。（7）温度测定系统由冷阱、测温仪和6个测温点，冷、热流体进、出口温度和换热管路两端壁温，所组成，其主要功能为测量6个测温点的温度。其中(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)和(7)为不可调节的辅助工作子系统，只有辅助工作子系统(5)设定为可以调节、改变的实验操作系统。它由两组平行安装的、规格相同的转子流量计所构成，其中每一个的最大流量量程为160L/h。实验操作：在一定流量范围内恒定冷

14、水的流量，然后测定10组不同（等间距）热水流量情况下的热水流量和6个测温点的温度。这7个辅助工作子系统，构成了完整的套管热交换器液液传热实验研究工作系统。所有的实验仪器和生产设备装置，均可采用上述方法来了解、认识和把握，且应该进一步重视分析这一过程所运用的“化简、分析、拓广法”和所涉及的“物质流、能量流和信息流【8-10】”。1.3 套管式液一液热交换器中冷、热流体间热交换的实验数据经足够长的时间达平衡后，测定实验数据见表1(大气压91.5kPa，室温16)。表1 热交换实验数据Tab.1 Experimental Data for Heat Transfer实验序号体积流qv/(L/h)冷流

15、体温度/热流体温度/壁面温度/mV进口t1出口t2进口T1出口T2高温端低温端1160+4/5160-4/50.480.831.991.881.20.82144+8/3144+00.480.811.981.851.180.763128+4/2128+4/40.470.791.961.801.140.724112+0112+00.470.771.951.761.100.68596+096+4/50.470.741.941.721.060.62680-4/10800.470.711.921.681.020.58764+064-4/100.470.681.901.610.930.54848+048+

16、00.470.641.861.520.870.50932+032+00.460.601.791.420.760.461016+016+00.460.541.681.280.650.421.4 计算分析方法(1) 换热器完整测试段 插值法计算测试点温度； 计算定性温度和物性参数；根据（表1）的热交换实验数据可得相关温度，在根据内插值计算法，根据以下公式： T=Ti+(Ti+1-Ti) 在根据化工原理P466中，水的物理性质表，用插值法求出以下数据。温度t密度蒸汽压P恒压热容Cp黏度u热传导系数膨胀系数表面张力焓普朗特数Pr47.655989.0611.174.1750.5740.6454.346

17、8.17199.53.7247.3889.2110.994.1750.5490.6444.3271.161983.7546.36989.5910.524.1750.5880.6434.2668.43194.13.8245.76989.8410.234.1750.5940.6424.2068.548191.63.8745.18990.089.944.1750.6010.6414.1968.66189.23.9244.472990.369.58844.1750.600.6404.1468.8186.13.9743.404990.809.05874.1750.610.6394.0869.1181.7

18、4.0541.846991.448.28594.1750.630.6363.9869.3175.24.1739.826992.267.31564.1750.650.6333.8571.1166.74.3336.833993.306.37894.1750.700.6283.6670.7154.24.66 计算流体流量； 计算换热速率； 计算对数平均温度差； 计算总传热系数； 核查两种方法得到的总传热系数间的偏差； (2) 计算机程序菜单主菜单有如下四个：读入数据读入数据主菜单包括：读入实验数据、读入铜-康铜热电偶温度表与读入水的物理性质附表，共3个子菜单实验数据处理实验数据处理主菜单包括：计算温

19、度、计算总推动力、计算流率与计算总传热速率，计算传热系数共5个子菜单模拟计算模拟计算主菜单包括：计算流体温度分布，温度绘图及温度函数计算，共2个子菜单换热数据分析换热数据分析主菜单包括：分析物质能量和信息流、输出数据、信息化表达，共3个子菜单。【10】（3）Microsoft VB-Excel工作平台硬件基本要求 处理器：Inter(R)Core(TM)Pentium 4 1000M CPU 1.00GHz 1.5GHz安装内存（RAM）AMD Athlon 400MHz系统类型：16位操作系统软件配置： WINDOW95以上，98版WORD系统以上，Visual Basic2.0标准版以上V

20、B的功能：1、可以进行可视化的设计平台 2、可以对任意对象进行赋予属性 3、可以对事件驱动进行编程机制 4、可以进行结构化设计语言Excel的功能： 1、建立多重单元格，创建编辑工作表，使用模板2、创建公式和函数，条件格式3、预览及打印，E-mail4、进行图表及地图，工作表管理 5、数据库入门，IF逻辑块，用户自定义，高级管理等【12】。五、程序设计 我们这次实验，所用的是WINDOW-7系统，Visual Basic 6.0 企业版 WORD版本为08版本，保证运行实验的信息化准确快速。 首先，我们打开Visual Basic6.0企业版。来编辑菜单。由于数据庞大，我们用多文件的界面来实行

21、此次实验。并按要求打入我们所需的实验菜单及子菜单。根据前面我们所要求的实验数据来设计菜单及子菜单（菜单之间要加上分隔符），设置完子菜单后，我们就会显示出如下设置当点击我们的子菜单后，会发现代码窗口弹出，里面只有前言和结尾，然后我们就要根据我们所做的实验数据来设置代码。我们需要将我们所做的实验数据用EXCEL表格保存，然后放到实验数据文档里面，能让VB及时的读取所做实验的数据。因为我们所做的数据千变万化，为了让其信息化，我们将里面的量变为公共变量。然后我们将公式及实验要求写入代码窗口中。因为我们要求要用内插法，迭代计算法以及数字积分法来运算，所以我们要将公式写入，让我们的实验数据能运用公式来计算

22、【13】。然后这个程序就可以运行了。我们将实验数据代入，算出我们要求的温度，K值，传热速率及质量流量等。六、结果讨论与总结随着质量流量增大，换热速率在逐渐增大；随着质量流量增大，有效能损失逐渐增大；由能量分析图中曲线可知，换热效率随着质量流量的增大逐渐减小；换热过程的换热速率越大，有效能损失会越来越大；换热过程一方面需要满足工艺要求，另一方面需要考虑有效能损失的大小。参考文献：1M.E. Tuckerman and G.J. Martyna. Understanding Modern Molecular Dynamics: techniques and applicationsJ. J. Ph

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