научная статья по теме МИНИМАЛЬНАЯ НЕОБРАТИМОСТЬ, ОПТИМАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ И ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ ТЕПЛООБМЕННЫХ СИСТЕМ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «МИНИМАЛЬНАЯ НЕОБРАТИМОСТЬ, ОПТИМАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ И ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ ТЕПЛООБМЕННЫХ СИСТЕМ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2008, том 42, № 2, с. 214-221

УДК 66.01.011

МИНИМАЛЬНАЯ НЕОБРАТИМОСТЬ, ОПТИМАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ И ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ

ТЕПЛООБМЕННЫХ СИСТЕМ

© 2008 г. А. М. Цирлин, А. А. Ахременков, И. Н. Григоревский

Институт программных систем РАН, г. Переславлъ-Залесский, Ярославская область

tsirlin@sarc.botik.ru Поступила в редакцию 04.12.2006 г.

Получена оценка минимального производства энтропии, соответствующие ей распределения поверхностей теплообмена и температур контакта для систем теплообмена с заданной суммарной тепловой нагрузкой и коэффициентом теплопереноса. Доказано, что для теплового потока, пропорционального разности температур, отношения температур контактирующих потоков в любой точке системы должны быть одинаковы, как и температуры греющих потоков на ее выходе.

Предельные возможности технологических систем (тепловых и холодильных машин, систем разделения, химических реакторов и пр.), основанные на соотношениях термодинамики обратимых процессов (кпд Карно, обратимая работа разделения), очень важны, но как правило сильно завышены. Они не учитывают интенсивности потоков, поверхностей контакта и других факторов, связанных с заданной производительностью и конечными размерами аппаратов. В некоторых же случаях обратимые оценки вообще становятся бессмысленными. В частности, это относится к стационарным неравновесным системам, в которых имеется несколько резервуаров или поступают извне потоки вещества и энергии. Примером таких систем являются теплообменники, оценка термодинамического совершенства которых требует учета ограниченной поверхности контакта (интегрального коэффициента теплообмена) и тепловой нагрузки - количества теплоты, передаваемой в единицу времени от горячих к холодным потокам. Для оценки совершенства таких систем используют эксергитический подход, сравнивая системы по потерям эксергии в каждой из них. Последние пропорциональны производству энтропии и температуре окружающей среды Т0. Минимуму потерь эксергии при заданных температурах горячих потоков на входе в теплообменник и фиксированной тепловой нагрузке соответствует максимум средней температуры холодных потоков на выходе теплообменника.

В данной работе решена задача оценки минимально возможного производства энтропии (диссипации), а значит потерь эксергии в теплообмен-ной системе.

Такая оценка показывает, как влияют на возможности системы те или иные факторы (темпе-

ратура и водяной эквивалент потоков, тепловая нагрузка, коэффициент теплообмена и пр.); позволяет охарактеризовать термодинамическую эффективность теплообменной системы путем сравнения фактического производства энтропии с минимально возможным; дает возможность при проектировании новых систем воспользоваться условиями оптимальности теплообмена, с тем чтобы приблизить конфигурацию проектируемой системы к идеальной.

Для получения термодинамической оценки эффективности многопоточного теплообмена воспользуемся оценкой, найденной для двухпо-точного теплообменника [3, 4] - теплообменной ячейки. Затем рассмотрим задачу о минимальной диссипации для совокупности таких ячеек, связанных общими ограничениями на поверхность контакта и тепловую нагрузку. Наконец, приведем пример использования полученной оценки.

ДВУХПОТОЧНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

Производство энтропии в термодинамической системе можно найти двумя способами. Если система функционирует, то его можно вычислить, зная параметры входящих потоков и потоков, покидающих систему. Если же решают задачу проектирования, то производство энтропии можно выразить через кинетические закономерности, коэффициенты тепло- и массопереноса и пр. как произведение потоков на движущие силы. Первоначально воспользуемся первым подходом и найдем, как связано производство энтропии в двухпо-точном теплообменнике с параметрами входных и выходных потоков.

Известно [2], что дифференциал молярной энтропии может быть выражен через теплоемкость вещества, прирост температуры и давления:

ds = TpdT - f|rl dP,

(1)

дует связь выходной температуры нагреваемого потока с производством энтропии

T 2 =

q

W21 1 - exp

а - а1

(6)

где cp - молярная теплоемкость при постоянном давлении, а v - молярный объем. Интегрирование этого выражения от начальных до конечных значений температуры и давления позволяет найти прирост молярной энтропии. Если известен молярный расход потока, то, умножив этот прирост на расход, получим производство энтропии, связанное с изменением параметров данного потока. Просуммировав эти величины по всем потокам, найдем производство энтропии в выделенной технологической системе.

В частности, для идеального газа, теплоемкость которого зависит только от температуры, а (dv/dT)p = R/p, прирост молярной энтропии равен

s - So

= I

<CpdT - R lnP, T Po

(2)

где R - универсальная газовая постоянная.

Для жидкостей с постоянной теплоемкостью при постоянном давлении

s - So = CPln ( T"

а{ = Wln|- |, i = 1, 2.

To

(4)

а = а1 + а2 = W1ln(Tl0 J/Wl | +

10

+ W2ln =

t 2- q/ w 2

(5)

Допустим, что параметры первого (горячего) потока и тепловая нагрузка фиксированы, а значит фиксировано и значение ах. Тогда из (5) сле-

Выходная температура нагреваемого потока монотонно увеличивается с уменьшением производства энтропии. Аналогичные выкладки для многопоточных теплообменников приводят к подобной связи между производством энтропии и средневзвешенной с учетом водяных эквивалентов температурой нагреваемых потоков.

Рассмотрим теплообменник с двумя потоками и найдем минимальное производство энтропии а в нем при заданной входной температуре Т0 греющего потока, его водяном эквиваленте W, тепловой нагрузке д и интегральном коэффициенте теплообмена а. Через I обозначим текущую координату контакта элемента греющего потока, которая изменяется от нуля до Ь, а через д(и, Т) - поток теплоты в сечении I. Температуру нагреваемого потока обозначим через и(1).

Формальная постановка задачи примет вид:

а

L

= Iq (uT- T)di -

min

u(l)

(3) при условиях

а прирост энтропии за счет изменения состояния 1-го потока равен произведению его водяного эквивалента на логарифм отношения абсолютных температур на выходе и входе системы:

dT = q(u, T)

~dl = WW~,

T(0) = T

o

I q (u, T) dl = q.

(7)

(8)

(9)

Производство энтропии а = Ъа I - суммарной разнице потоков энтропии на выходе и входе системы.

Запишем связь производства энтропии в двух-поточном теплообменнике с водяными эквивалентами потоков W1 и их температурами на

входе Т10, Т20 и выходе Т 1, Т2 при заданной тепловой нагрузке д:

Для получения оценок предположим, что закон изменения и(1) и связанный с ним закон теплоотвода д(и, Т) подлежат оптимальному выбору. После получения решения выясним возможности их реализации.

Воспользовавшись тем, что правая часть в (8) сохраняет знак, упростим задачу, сделав замену

dl = -

dTW

q (u, T)

Приходим к постановке

To

а =W К U - T)dT■

T (L)

min,

u(T)

W I dT = q,

(10)

(11)

T (L)

T

T

o

o

L

o

T

Рис. 1. Граница достижимости для двухпоточного теплообменника при W = 1, Т0 = 370 К.

И

л

Т (Ь)

Я (и, Т)

= £.

Из условия (12)

Т (Ь) = Т0-иг

(13)

(14)

д Ь

ь _

= 0

1)• Т) q

1

—дя = 0

и2 я2ди

(15)

или

я( и, Т2/ едя _

д и —'

(16)

Равенства (13, 16), позволяют найти и*(Т) и —. Конкретизируем их для закона теплообмена

Я _ а(Т - и).

а| - - 1 _ —, V/.

ь у/'

Получим

Условие (13) примет форму

Т 0

1

(17)

(18)

йТ

Т (ь)

а(Т - и)

(19)

Соотношения (18), (19) определяют и*(Т, а, —) и множитель Лагранжа —. В том случае, когда коэффициент теплопередачи постоянен, введем его интегральное значение а = аЬ.

По условию (18) отношение — постоянно. Обозначим

_ т < 1,

(20)

и перепишем (19) в форме Т0 I

йТ

Т (1-т)

а

У-'

Откуда

Т (ь)

1 уЛ

т _ 1 - т=г1п-

а Т0- я / У Уравнение (8) примет форму

(21)

Если водяной эквивалент W (теплоемкость потока) зависит от Т, то функцию W(T) следует внести внутрь интегралов в (12)-(13). Для простоты далее считаем водяной эквивалент константой.

Запишем функцию Лагранжа и условия оптимальности задачи (11), (13) в предположении невырожденности решения

йТ _ -а Т(1- т)

-Т*(/) _ Тое и * (/) _ тТ* (/).

а(1 - т) " Ь и

(22)

Минимально достижимое производство энтропии с учетом (21)

22

а * _ ИI - -

т-')1? _:

У 1п

Т о-Я / И

Т (ь)

а - И 1п

Т о-Я / И

(23)

_(1-т)2 _ а ---

т

Отметим, что выражения (21), (23) не содержат параметров нагреваемого потока, так как температура этого потока и*(1) связана с Т*(1) условием оптимальности (18) и вытекающим из него равенством (22).

Условие а > а* при фиксированных значениях W и Т0 определяет в пространстве с координатами

а, Я, а область достижимых процессов теплообмена, расположенную выше границы, соответствующей оптимальной организации процесса (рис. 1). На этой границе достигается максимум тепловой нагрузки при фиксированном общем коэффициенте теплообмена и минимум поверхности теплообмена при заданной тепловой нагрузке.

Нетрудно показать [4], что закон изменения температуры нагреваемого потока (22), а значит и минимальное производство энтропии (23) может быть достигнуто в противоточном трубчатом

г

0

I

/

0

теплообменнике с неизменным по длине коэффициентом теплообмена а, если водяной эквивалент нагреваемого потока

W

W1 = — ,

т

(24)

а температура этого потока на входе в теплообменник выбрана как в:

и (Ь) = Т (Ь) т = | То--^1 т.

(25)

Выражение (23) позволяет, найдя производство энтропии для произвольного реального двухпоточного теплообменника как

а = W 1п

+ W11п -

ТТ

А 0 вх 1 1 в

д = W ( Т0 вх - Т0 вых )>

(26)

а =

= W 1п

Т о-д / W

+ W 11п

Г0 - д/ - д/а (27)

сравнить его с а*. При этом а в (23) - общий коэффициент теплопередачи рассматриваемого

а *

теплообменника. Отношение п = — - 1 характеризует степень термодинамического совершенства теплообмена.

Пример. Найдем коэффициент термодинамического совершенства теплообменника, в котором гидродинамика каждого из потоков характеризуется режимом идеального смешения, температура греющего потока на входе Т0 = 350 К, его водяной эквивалент W = 10 Вт/К, коэффициент тепло

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком