关于换热系统优化目标函数的探讨

　　1关键词热力学第定律；换热系统优化；目标函数；可用能费用损失1引言随着能源的日趋紧张，能源的合理利用越来越受到人们的1视，换热器作为能景转换与利的心环节，在社会的各行各业得到了广泛应用。如何使能量在1换热系统中得到员效率的转化，也就成了人们日益关心的问。因而，以研宄能量转化效率为核心的换热系统优化理论也得到了迅速发展。

　　长期以来，人们对换热系统的性能分析与优化，是以热力学第定律为。论丛础。主要从热量转换的量的角度评价换热系统的性能。本文以热力学第定律为理论基础，从热经济学的角度对换热系统优化的目标函数进行了研究。

　　2换热系统优化目标阐数的确定换热系统冷热介质均为不可压缩流体的换热过程是个典型的不可逆过程，因而也是个熵，过程。系统熵增必然导致系统可用能的损失本文对影响换热系统可用能损失费用的各种因素进行了分析，并综合考虑换热器的材料消耗费用，提出了以换热系统单位换热玷的总费用损失闲数作为目标函数对换热系统逃汀优化，2.1单位换热量总费用损失设换热系统的换热量为2，其总费用损失为则系统的单位换热量的总费用损失可为值可以作为於价换热系统热经济忭优劣的1综合性指标，仇越小。说明换热系统热经济忭越好；反之，则说明系统热经济性越差。

　　2.2单位换热量总费用损失函数的推导对于上述目1标函数。系统换热试，可以迎过简单的测定和计算求出。而系统的总费用损失户值的确定则较为繁琐=根据工程热力学流体力学及热经济学的有关知识，可知户小要由以下儿部分构成2.2.1传热引起的可用能费用损失尸实际过程的传热均是有温差传，是典型的不可逆过程的熵增过程因而必然产生可用能的损失。

　　可用能的损失义，为环境温度71与由温差传热引起的冷热介质总熵变，阳而4为冷流体的熵增量方，和热流体的熵减鼾4之和。

　　设冷流体的质量流量为所定压比热为101.，进口温度为7，出口温度为7热流体的质量流奸为71年，纪味比热为70.若冷热流体均无相变，则由以上分析，可得传热引起的可用能损失费用Pi收稿日期20040106；修订日期2004以07入1传热1用能费用损火因户。由下式确定其中户知压差引起的可用能费用损失，8；M其中户传热可用能费用损失，8；办锅炉出口热流体的恰，办0锅炉入口热流体的焓，免；5锅炉出口热流体的熵1广锅炉入口热流体的熵，10.1燃料价格，燃料的热值，rI锅炉效率。

　　其物理意义是热源提供单位可用能所付出的经济代价其。，=由换热介质的性决定。则山燃料的特性及热源设谷的特忡决记，2.2.2压差引起的可用能费用损失尸在传热过程中，由于流动阻力的存在，将使冷热流体的熵均有所增加，因而也将产生可用能的损失。

　　可用能的损失您今贾可为环境温度7，与由压差引起的冷热介质总熵变，的乘枳，即1屯机机械效率；水泵效率，传热4起的可叫能损失4，是由燃料提供的，而压差引起的可用能损失是电能提供的，因而两者在经济上是不等价的。这种不等价性由两者的迅失；1广入和入来体现。

　　2.2.3换热系统制造材料的费用损失尸换热系统的制造材料包括主材料和辅助材料。

　　小材料指构成系统换热面的材料。辅助村料指构成换热器壳休的材料及相应管道等为了便于计兑。我们假定换热系统辅助材料的损失费用是随着主材料换热系统制造材料的费用损失78可以为换热积12的的数。即其中换热系统制造材料的费用损失因子，换热面单位平米价格心；31换热器的使用寿命。

　　综上所述，系统的总费用损失可小为而，为冷流体的熵增试5和热流体的熵减量4，之和设冷流体的质量流量为叫18，进出口压差为今仇，进出口平均温度为2，热流体的质量流量为肌18，进出口压差为今，进出口平均温度为7.则为因此，单位换热量总损失费用函数可进步由以上分析，可得压差引起的可用能损失费用PP=，ToXS，在进行换热系统的优化时，根据工艺要求的条件，农用上述目你函数。就能获得优化矣数。

　　3实例分析入为十差了月1鹿损失费用十。由式确定程热媒为饱和减结水。进门温皮；=1588，出入，1乃热能动力工程工况恒定，其换热系数如=40.，在上述条件下，对换热器的管程流速进行优化，使换热系统的总费用损失函数值小。

　　在本例中，由于冷热介质温度恒定，故温差可用能损失费用不随管程流速的变化而变化。但随着管程流速的增加，方面会导致压差可用能损失费用增加，另方面会导致换热器材料消耗费用减小。因此，必然存在佳的管程流速，使得换热系统的总费用损失函数值小。

　　根据流体力学传热学及换热器原理的有关理论，经过推导及整理，可以将总费用函数为管程流速函数732.3按换热器入口流速为1.0计算；由式16可以得到总费用函数户与管程流速叫的关系曲线1.

　　5567，对应的管程流速约为1.158，此流速即为换热器的优管程流速。

　　4结论通过对影响换热系统可用能损失费用的各种因素进行了分析，综合考虑了换热器的材料消耗费用，提出了基于热力学第定律的对换热系统进行优化的目标函数。

　　利用工程热力学流体力学及热经济学的有关知识对目标函数进行了推导，得到了目标函数的计算公式。

　　史美中，王中铮。热交换器原理与设计叫。南京东南大学出3i倪振伟。评价换热器热性能的项指标工程热物理学报。198454387389.

　　姚平经，郑轩荣。换热系统的模拟优化与综合。北京化学工业出版社，1991.

　　5沈维道。郑佩芝。工程热力学叫。北京高等教育出版社，1983.徐文忠。换热系统管程流速优化问研宄。济南山东大液幕状气液两相流流动特性的实验研究