¿Investigación sobre el análisis del aumento de entropía del enfriador de superficie de agua fría y criterios de evaluación de la transferencia de calor mejorada del intercambiador de calor?

El siguiente es el contenido relevante sobre el análisis del aumento de entropía y la transferencia de calor de los enfriadores de superficie de agua fría que Zhongda Consulting le ofrece para su referencia.

1 Introducción

Mejorar la transferencia de calor es una dirección importante en la investigación de la transferencia de calor y se denomina tecnología de transferencia de calor de segunda generación. Existen muchos métodos para mejorar el rendimiento de la transferencia de calor de los intercambiadores de calor, y se han descrito docenas de ellos. Para la transferencia de calor de flujo monofásico, la transferencia de calor de ebullición y la transferencia de calor de condensación, muchas medidas de mejora no solo mejoran la transferencia de calor, sino que también causan un aumento en la resistencia al flujo, lo que resulta en una posible reducción en el efecto general de mejora de la transferencia de calor del intercambiador de calor. . Por lo tanto, es muy importante y necesario estudiar los criterios de evaluación para mejorar el rendimiento de transferencia de calor de los intercambiadores de calor. La mejora de la transferencia de calor y el aumento de la resistencia son un par de contradicciones que son difíciles de resolver por completo. Un buen diseño y optimización del intercambiador de calor a menudo logra un buen compromiso entre las dos partes. La mayoría de los criterios de evaluación del rendimiento de mejora del intercambiador de calor anteriores se miden desde la perspectiva de la cantidad de energía, como Nu/Nu0, (Nu/Nu0)/(ξ/ξ0), (Nu/Nu0)/(ξ/ξ0)1/. 3, método de análisis del factor j (factor de transferencia de calor) - f (factor de fricción) de Kay - London, método de comparación longitudinal de R.L. Webb, etc. [1], aunque estos criterios de evaluación reflejan algunas características importantes de flujo y transferencia de calor del intercambiador de calor; Con la investigación en profundidad sobre la transferencia de calor y el ahorro de energía, también es necesario medir la calidad de la energía desde la perspectiva de la segunda ley de la termodinámica. En términos de utilizar la segunda ley de la termodinámica para evaluar el rendimiento mejorado de los intercambiadores de calor, se han llevado a cabo algunos trabajos preliminares, como el método del número de unidades de producción de entropía de A. Bejan, el método de análisis de exergía, etc., pero la cantidad de transferencia de calor de No se ha considerado el intercambiador de calor. Este artículo intenta evaluar la transferencia de calor mejorada del intercambiador de calor desde los aspectos de cantidad y calidad de la energía en el proceso de transferencia de calor. El criterio de evaluación propuesto y adoptado es: el aumento de entropía causado por la transferencia de calor unitaria del intercambiador de calor mejorada. debe reducirse en Pequeño, el grado de reducción indica el grado de mejora del rendimiento. Al realizar los cálculos se utilizarán de forma integral los resultados de las investigaciones sobre termodinámica, transferencia de calor y mecánica de líquidos. (Consulte "Red china de arquitectura")

2 Criterios de evaluación

Supuestos sobre la mejora del intercambiador de calor:

(1) Caudal másico de fluidos fríos y calientes ( 1, 2) respectivamente permanecen sin cambios;

(2) Los parámetros de estado de los fluidos fríos y calientes que ingresan al intercambiador de calor permanecen sin cambios respectivamente;

(3) El volumen del calor El intercambiador permanece sin cambios;

(4) La temperatura ambiente es T0.

Análisis del balance energético según la primera ley de la termodinámica:

(1)

1(h1-h1é)==2(h2é-h2)( 2 )

Realizar análisis de aumento de entropía según la segunda ley de la termodinámica:

La pérdida de energía efectiva original del intercambiador de calor es n1

n1=1 (ex1-ex1e)+ 2(ex2-ex2e)

=1[(h1-h1e)-T0(s1-s1e)]+2[(h2-h2e)-T0(s2-s2e) ](3)

Aquí, h, s y ex representan entalpía específica, entropía específica y exergía específica, respectivamente. Sustituyendo la ecuación (1) en la ecuación (3)

n1=[1(s1e-s1)+2(s2e-s2)]T0(4)

Intercambiador de calor mejorado Energía efectiva pérdida n2

n2=1(ex1-ex1é)+2(ex2-ex2é)

=1[(h1-h1é)-T0(s1-s1é)]+ 2[ (h2-h2é)-T0(s2-s2é)](5)

Sustituyendo la fórmula (2) en la fórmula (5), obtenemos:

n2=[1( s1é -s1)+2(s2é-s2)]T0 (6)

La base para formular los criterios de evaluación en este artículo es: después de que el intercambiador de calor mejora la transferencia de calor, la pérdida de energía efectiva por unidad de transferencia de calor del intercambiador de calor debe ser menor que la pérdida de energía efectiva por unidad de transferencia de calor del intercambiador de calor original, es decir:

(7)

Sustitución (4) y (6) en (7), obtenemos:

(8)

La ecuación (8) es el criterio de evaluación para el rendimiento mejorado de transferencia de calor del intercambiador de calor utilizado en este artículo El grado de diferencia entre los lados izquierdo y derecho también muestra que el intercambiador de calor Grado de mejora del rendimiento. La ecuación anterior muestra que cuando la transferencia de calor permanece sin cambios, la transferencia de calor debe mejorarse en la dirección de disminuir el incremento de entropía del intercambiador de calor. Durante el proceso de transferencia de calor, debido a la existencia de procesos irreversibles como la diferencia de temperatura de transferencia de calor y la fricción del flujo, aumenta la entropía de todo el intercambiador de calor.

La adopción de medidas mejoradas de transferencia de calor debería reducir el aumento de entropía de todo el intercambiador de calor cuando la cantidad de calor intercambiado permanece sin cambios, cuanto más efectivas sean las medidas mejoradas, mayor debería ser la reducción en el aumento de entropía del intercambiador de calor. Cuando se utiliza la ecuación del criterio de evaluación (8), se pueden utilizar los dos métodos siguientes.

(1) Método del gráfico Durante el experimento de optimización del intercambiador de calor, para el intercambiador de calor mejorado y el intercambiador de calor original, parámetros como la temperatura de entrada y salida, la presión y el caudal de los fluidos fríos y calientes son primero medido, luego verifique las tablas de propiedades termodinámicas sobre entalpía, entropía y otros parámetros para determinar si la ecuación (8) es verdadera. Hoy en día, las tablas de propiedades termodinámicas de los fluidos de trabajo comúnmente utilizados son bastante completas, por lo que este método es simple y fácil de implementar y adecuado para uso en ingeniería.

(2) Método de cálculo En el proceso de simulación por computadora del intercambiador de calor, si se utiliza el criterio de evaluación de la ecuación (8) como función objetivo, el intercambio se puede completar ajustando y comparando los valores sensibles relevantes. Parámetros del intercambiador de calor. Cálculo de optimización del calentador. Este artículo utiliza el lenguaje FORTRAN77 para realizar cálculos comparativos de dos esquemas para enfriadores de superficie de agua fría.

3 Cálculo del enfriador de superficie de agua fría

Seleccione una estructura de enfriador de superficie de agua fría común y utilice aletas rectas y aletas de rejilla en el lado del aire. Realice análisis y cálculos según los criterios de evaluación. Las principales características estructurales del enfriador de superficie son las siguientes [2].

Aletas: espesor δf=0,3 mm, altura hf=7, espaciado sf=2,5 mm

Tubo: diámetro exterior d0=16 mm diámetro interior di=12 mm

Número de raíces superficiales: 24

Número de hileras: 4

Área de calentamiento: 57,6m2

Área de barlovento: 0,97m2

Aire La resistencia térmica lateral es generalmente la resistencia térmica de control del intercambiador de calor gas-líquido. Las aletas con persianas pueden cortar continuamente la generación continua de capa límite de flujo de aire laminar y mejorar la turbulencia del flujo de aire, y tienen un efecto evidente de mejora de la transferencia de calor en comparación con las aletas rectas. Este artículo adopta una estructura de aletas tipo persiana recomendada por la literatura [3] y utiliza la ecuación (8) del criterio de evaluación de transferencia de calor mejorada del intercambiador de calor para completar el cálculo comparativo de los dos esquemas.

Parámetros de entrada de aire húmedo

Temperatura de bulbo seco td1=35℃

Humedad relativa ψ1=60%

Temperatura de bulbo húmedo tw1= 28,2 ℃

Velocidad del viento frontal v=2,5 m/s

Parámetros de entrada de agua enfriada

Temperatura del agua de entrada tj=7,2 ℃

Velocidad del flujo de agua w=1,0 m/s

(1) Juicio de condiciones de trabajo secas y húmedas

Si la temperatura de la superficie del enfriador de superficie es inferior al punto de rocío temperatura del aire, es una condición de trabajo húmeda, de lo contrario, para condiciones secas y frías. La presión parcial del vapor de agua saturado correspondiente a la temperatura del punto de rocío es la presión parcial del aire, es decir, pv=ps(Td).

(9)

Entre ellos, C(n)(n=0,…,6) es una constante.

(2) Cálculo del flujo y transferencia de calor dentro del tubo

La transferencia de calor de los tubos luminosos adopta la fórmula de Dittus-Boelter:

(10)

La resistencia al flujo es la suma de la pérdida de resistencia a lo largo del camino y la pérdida de resistencia local.

(11)

ζ1--Coeficiente de resistencia en el camino

(12)

ζ2--Coeficiente de resistencia local

(3) Cálculo del flujo lateral de aire y transferencia de calor

a. Aletas rectas

Los datos básicos sobre la superficie de los intercambiadores de calor compactos suelen utilizar j-Re y f. - Re para expresar.

Factor de transferencia de calor (13)

Factor de fricción (14)

Donde: L - longitud del flujo del intercambiador de calor;

B --Espaciamiento de aletas.

b. Aletas con persianas

Factor de transferencia de calor (15)

Factor de fricción (16)

Donde: h-- Altura de las aletas ;

Dh--diámetro equivalente.

(4) Cálculo del coeficiente de transferencia de calor (basado en la superficie de la aleta)

(17)

Donde: τ--coeficiente de nervadura;

δt--espesor de la pared de la tubería;

λ--conductividad térmica de la pared de la tubería;

φ0--eficiencia de la superficie de la nervadura completa, relacionada con condiciones secas y húmedas;

aw--coeficiente de transferencia de calor del lado del aire;

coeficiente de transferencia de calor interior de un tubo.

(5) Cálculo del coeficiente de transferencia de masa

β es el coeficiente de transferencia de masa definido a partir del contenido de humedad.

En el proceso de intercambio de calor y masa del sistema aire-agua, el coeficiente de transferencia de calor del lado del aire y el coeficiente de transferencia de masa satisfacen la relación de Lewis:

(6) Características de transferencia de calor del haz de tubos

En el intercambio de calor del flujo de aire a través del haz de tubos, debido a la perturbación de la fila delantera hacia la fila trasera y la falta de compresión del flujo de aire desde detrás de los tubos en la última fila, los coeficientes de transferencia de calor de la primera fila y la última fila son inferiores a los valores estables. Aquí, el valor de corrección del coeficiente de transferencia de calor de la primera fila es 0,8 y el valor de corrección del coeficiente de transferencia de calor de la última fila es 0,95.

(7) Cálculo de los parámetros de estado del agua enfriada y del aire húmedo

El cálculo de los parámetros del estado térmico del agua sobreenfriada en el tubo y del vapor de agua en el aire húmedo adopta la Formulación Internacional de 1967. Las fórmulas recomendadas por el Comité (IFC) incluyen volumen específico ①, entalpía específica, entropía específica y presión de vapor; use doble precisión según sea necesario; El autor ha escrito un programa de cálculo para la temperatura de bulbo seco, la temperatura de bulbo cálido, la temperatura del punto de rocío, la humedad relativa, el contenido de humedad, el volumen específico, la entalpía específica, la entropía específica y otros parámetros para el aire húmedo.

(8) Cálculo de las propiedades físicas del agua enfriada y del aire húmedo

El autor ha escrito subsistemas separados para las propiedades físicas de equilibrio y las propiedades de migración del agua y el aire húmedo, tales como como capacidad calorífica específica, conductividad térmica y viscosidad del programa a llamar.

Con base en el trabajo anterior, los criterios de evaluación del rendimiento mejorado del intercambiador de calor se pueden aplicar para realizar un análisis comparativo de las soluciones.

4 opciones de intercambiador de calor

Opción 1 flujo de aire y agua en flujo cruzado inverso, el número de divisiones del flujo de agua es 24 y se utilizan aletas rectas.

La estructura del Plan 2 es similar a la del Plan 1, pero el lado de aire utiliza aletas con persianas.

5 Análisis y Resultados

Cuando se utilizan aletas de celosía, se mejoran significativamente parámetros como la distribución de temperatura, la diferencia de entalpía y los criterios de evaluación adoptados. Las rejillas tienen el efecto de perturbar el flujo de aire, de modo que el desarrollo de la capa límite solo puede ser una repetición monótona del proceso de generación-destrucción, y es difícil desarrollarse y espesarse continuamente, fortaleciendo así la transferencia de calor del lado del aire. .

6 Conclusión

6.1 Utilice "el aumento de entropía por unidad de cantidad de intercambio de calor del intercambiador de calor mejorado debe ser menor que el aumento de entropía por unidad de cantidad de intercambio de calor del intercambiador de calor original" como evaluación del rendimiento del intercambiador de calor. El criterio es razonable y factible. Este criterio se aplica no sólo al intercambio de calor monofásico, sino también al calor de cambio de fase.

6.2 Este criterio de evaluación se puede utilizar para optimizar el diseño de diferentes esquemas de intercambiadores de calor y determinar cuál es el mejor entre cada esquema. Esto tiene un gran valor de aplicación en el diseño de ingeniería real.

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