最大能量回收為目標的多股流換熱器運行工作點優化

周艷鈞1，崔國民1，趙永芹2

    （1上海理工大學熱工程研究所，上海200093；2空調國際（上海）有限公司，上海200001）

    摘要：多股流換熱器的運行優化直接影響到能量回收水平和整體性能。本文從多股流換熱器的熱回收效率入手，通過不同工況條件下的計算分析，獲得了流體組織方式與其最佳運行工作點之間的關系，從而為多股流換熱器提供了一種在線運行優化的調節方法。

    關鍵詞：能量回收；多股流換熱器；運行優化

    由于具有結構緊湊、傳熱效率高、適應性強、經濟性好、傳熱溫差小等一系列優點，多股流板翅式換熱器廣泛地應用于空氣分離、石油化工、航天航空等領域。與其他換熱設備一樣，多股流換熱器的性能提升也依賴于結構優化和運行優化兩部分。鑒于其結構的特殊性，多種流體存在復雜的耦合關系，其運行優化對于高效地發揮其性能具有更重要的作用。

    多股流換熱器的運行優化包括兩部分內容，一是運行工作點的優化，二是控制過程中過渡過程的優化。所謂運行工作點的優化，即是尋找一個最佳工況點，使得在此工作點處能夠發揮換熱器的最佳性能。對于多股流換熱器，控制優化則是指，為了保證目標流體的出口工藝參數，在擾動作用下如何組合調節輔助流體才能達到控制過程最優化。但是，任何換熱設備在正常工作時，在一定時期內其工況一般都是相對穩定的，其運行工況點選取的好壞將直接影響到其總體的性能水平，這種長效的性能差異將遠大于控制所帶來的能效降低。因此運行工況點的優化是多股流換熱器運行優化的基礎，是首先必須解決的問題[1-2]。

    基于此，本文以能量回收為應用背景，以多股流換熱器為能量回收設備，考察了不同工況條件下，流體組織與其最佳運行工況點之間的關系，從而為在線最佳運行工況點調節提供了理論基礎。

    1·兩股流體進口溫度相等情況下的最佳運行工況點

    1.1兩股冷流體進口溫度相等

    針對于熱回收的多股流換熱器，如果兩股冷流體入口溫度相同，用以回收一股熱流體的熱量，其等效結構如圖1所示。換熱器的結構參數以及流體參數如表1、表2所示。

    參數如表1、表2所示。

    冷流體總流量為一定值，在進入換熱器之前被分為兩部分即冷流體A和冷流體B，但是兩者的流量怎樣分配才能使換熱器的熱回收效率最高？根據這個思想，計算兩股冷流體所占總流量比例不同情況下的熱回收效率，結果示于表3。

    從表3可以看出，當換熱器具有最大熱回收效率時并不是冷流體A和冷流體C的流量相等時，而是兩者為一定比值時。對兩股流換熱器來說，同一流體在不同通道中有著相同的流量，因此換熱器總運行在非最佳狀態。而多股流換熱器通過合理匹配不同通道中流體的流量可以實現最佳靜態工作點下的運行。

    為了更好地觀察兩股冷流體進口溫度相等時冷流體的進口溫度改變時，兩股冷流體流量比值不溫度的變化而改變，不管冷流體的進口溫度是多少，佳靜態工作點的位置總是在冷流體C的流量比值為0.6左右。這種現象表明，靜態工作點的位置是由兩股冷流體各自的換熱量比例決定的而不是由總的換熱量決定。

    1.2兩股熱流體進口溫度相等

    對圖1所示的系統，我們不妨把流體溫度改變一下，變為一股冷流體回收兩股熱流體的熱量，然后再進行熱回收效率的計算，這樣能得到什么結論呢？基于此，給出換熱器的流體參數如表4所示，同時的熱回收效率，如圖2所示。

    從圖中可以清楚地看出，最佳靜態工作點的位置并不隨冷流體進口溫度別為10℃、15℃、25℃時的熱回收效率。即當靜態工作點的位置，本文又進一步計算了冷流體的把熱流體A、C的流量按一定的比例組合進行計算，熱回收效率ε表示為：

    式中，p1C，p2C分別為兩股熱流體的定壓比熱容。計算結果如表5所示。

    為了更直觀地看出熱回收效率與熱流體C流量所占熱流體總流量比例不同時的關系，作圖3。從圖3中可以看出，當熱流體C流量與總流量的比值為某一定值時，換熱器具有最大的熱回收效率，這與冷流體溫度相等的情況得到的結果相一致。從表中可以精確計算出熱回收效率的最大值與最小值之間的差值?ε=0.01048，也就是說，尋找到最佳靜態工作點以后，與最小值相比，熱回收效率可提高1％。

    綜合上述，可以得出這樣的結論：對圖1所示的系統，當冷（熱）流體進口溫度相同時，多股流換熱器的最佳靜態工作點是由冷（熱）流體間流量的合理匹配決定的。此結論為熱交換系統怎樣獲得最大熱回收效率下的運行優化和如何實現高效運行提供了充分的理論依據。

    2·兩股流體進口溫度不等情況下的運行工況點

    2.1兩股冷流體進口溫度不相等

    如上面所說的流體具有相同進口溫度的情況通常發生在換熱器網絡中，對多股流換熱器來說，不同通道流體的溫度往往是不同的，這時，等效換熱器系統如圖4所示。

    為了分析此系統最大熱回收效率和靜態工作點之間的關系，先把冷流體A的進口溫度固定在20℃，冷流體C的進口溫度在20～34℃變化，間隔為2℃。流體的流量為定值，冷流體A的流量為0.224 kg/s，冷流體C的流量為0.096 kg/s，熱流體B的流量為0.256 kg/s。計算此種情況下的熱回收效率。然后，再把冷流體C的進口溫度固定在20℃，冷流體A的進口溫度在20～34℃變化，間隔為2℃，計算這種情況下的熱回收效率。兩次計算結果如表6所示。

    為了更清楚地觀察換熱器效率隨溫度變化時的趨勢，作圖5。從圖5中可以看出：當一股冷流體的溫度一定時，隨著另一股冷流體的溫度升高，換熱器的效率下降；在不同的流體組織方式下，換熱器的效率是不同的：通道1、5為較低溫度的冷流體，通道3為較高溫度的冷流體的布置方式，其換熱器效率要高于相反的布置；另外，隨著兩股冷流體進口溫差的增大，兩者熱回收效率之間的差異也越來越大。

    2.2兩股熱流體進口溫度不相等

    在一股冷流體回收兩股熱流體的情況下，為了分析此系統最大熱回收效率和靜態工作點之間的關系，先把熱流體A的進口溫度固定在60℃，熱流體C的進口溫度在60～48℃變化，間隔為3℃。同時，我們賦予流體的流量為定值，A的流量為0.16kg/s，B的流量為0.14 kg/s，熱流體C的流量為0.24kg/s。計算此種情況下的熱回收效率。然后，再把熱流體C的進口溫度固定在60℃，熱流體A的進口溫度在60～48℃之間變化，間隔為3℃，再計算這種情況下的熱回收效率，兩次計算結果如表7所示。

    為了更好地比較表7中兩種不同的流體組織下熱回收效率之間的關系及其各自的趨勢，作圖6所示。

    從圖6中可以看出，隨著熱流體的溫度升高，熱回收效率單調增大；在不同的流體組織方式下，熱回收效率是不同的：通道1、5為較低溫度的熱流體，通道3為較高溫度的熱流體的布置方式，其換熱器效率要高于相反的布置；另外，隨著兩股熱流體進口溫差的增大，兩種流體組織下的熱回收效率之間的差異也越來越大。這與冷流體溫度不等時的情況得到的結果是一致的。因此，可以得到這樣的結論：對圖4所示的系統，當冷（熱）流體進口溫度不相同時，最佳靜態工作點是由多股流換熱器合理的溫度匹配決定的。

    3·結論

    通過對多股流換熱器不同進口參數情況下靜態工作點的研究，為多股流換熱器的運行優化提出了新的內容，得出如下結論：

    （1）當冷（熱）流體溫度相等時，最佳靜態工作點是由冷（熱）流體間合理的流量匹配決定的；

    （2）當冷（熱）流體溫度不相等時，最佳靜態工作點是由多股流換熱器合理的溫度匹配決定的。

    總之，對于多股流換熱器的運行優化問題，從流體組織的角度著手進行合理地優化，可以實現熱交換系統的節能和能量的高效利用。

    參考文獻

    [1]盧洪波.多股流換熱器優化運行和控制研究[J].工程熱物理學報，2003，24（3），505-507.

    [2]郭佳，崔國民，呂巖巖，等.變工況下多股流換熱器通道排列設計工況點研究[J].石油化工（增刊），2008，37：609-611.

    [3]崔國民，高孝忠，郭佳，等.多股流換熱器網絡的衍生網絡法優化研究[J].工程熱物理學報，2008，29（8）：1403-1406.