第5章 夹点技术设计换热网络.ppt

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如何匹配冷热物流，能够最大限度地减少公用工程消耗？

如何设计换热网络，使其总成本最低？

换热网络的费用来自三个方面,公用工程换热单元数传热面积,第5章夹点技术设计换热网络,夹点技术：

以热力学为基础，分析过程系统中能量流沿温度的分布，从而发现系统用能的“瓶颈”所在，并给以“解瓶颈”。

1978年，Linnhoff首次提出换热网络的温度夹点问题。

5.1夹点技术的基础理论5.1.1T-H图（温-焓图）,Wcp-热容流率,不同物流在T-H图上的标绘：

5.1.2组合曲线,将系统的物流组合起来，以便于进行过程的冷、热物流的合理匹配。

组合方法：

组合曲线的构造过程,例题：

三个冷物流，构造组合曲线。

5.1.3在T-H图上描述夹点,凡是等于P点温度的热流体部位和等于Q点温度的冷流体部位都是夹点。

热流体的夹点温度与冷流体的夹点温度相差Tmin。

夹点两曲线的垂直距离Tmin,夹点描述所得信息：

（1）过程系统的最小传热温差，夹点部位的传热温差最小；,

（2）最小的公用工程加热负荷QH,min；,（3）最小的公用工程冷却负荷QC,min；,（4）系统最大的热回收量QR,max；,（5）夹点将系统分为热端和冷端，热端在夹点温度以上，只需要公用工程加热（热阱）;,（6）冷端在夹点温度以下，只需要冷公用工程冷却（热源）。

夹点温度差的影响：

Tmin大，QH,min、QC,min增大，QR,max减小,适宜的Tmin是总费用最低的优化值。

5.1.4用问题表格法确定夹点热级联：

每个单元都是相似的传热过程组成的串级结构。

每一级相当于一个子网络,第k级的热平衡（k=1、2、3、4、.K）输出=输入-赤字Ok=Ik-DkDk=（CPC-CPH）（Tk-Tk+1）,热级联虚拟的结构，同一温位的物流集中于同一级。

例一过程系统含有的工艺物流为2个热物流及2个冷物流，给定的数据列于表中，并选热、冷物流间最小允许传热温差Tmin=20,试确定该过程系统的夹点位置。

子网络的分割，问题表格

（1）：

做法：

对子网络进行热衡算：

Ok=Ik-DkDk=（CPC-CPH）（Tk-Tk+1）k=1，（温度间隔为150145）D1=（02）（150145）=-10（负赤字表示有剩余热量10kW）I1=0（无外界输入热量）O1=I1D1=0（-10）=10O1为正值，说明子网络1（SN1）有剩余热量供给子网络2（SN2）,k=2，（温度间隔为145120）D2=（2.52）（145120）=12.5（正号表示有热量赤字12.5kW）I2=O1=10子网络1（SN1）的剩余热量供给了子网络2（SN2）。

O2=I2D2=1012.5=2.5O2为负值，说明子网络2（SN2）只能向子网络3（SN3）提供负的剩余热量（即需要子网络3向子网络2供给热量，但这是不可能的）。

k=3，（温度间隔为12090）D3=（2.5+32）（12090）=105O3=I3D3=2.5105=107.5k=4，（温度间隔为9060）D4=（2.5+328）（9060）=135O4=I4D4=107.5（135）=27.5k=5，（温度间隔为4025）D5=（2.5+3）（4025）=82.5O5=I5D5=27.582.5=55,k=6，（温度间隔为2520）D6=2.5（2520）=12.5（正号表示有热量赤字12.5kW）I6=O5=55子网络5（SN5）无剩余热量供给了子网络6（SN6）。

O6=I6D6=5512.5=67.5O6为负值，说明子网络6（SN6）热量不够，无法达到规定的传热要求。

问题表格2,过程分析：

消除I或O的负值，方法：

引入公用工程加热负荷使I1=各子网络中最小负数的绝对值（107.5）得：

结果:

O3=0,在夹点处I1=QH,min107.5kW（最小公用工程加热负荷）O6=Qc,min40kW（最小公用工程冷却负荷）夹点特征：

夹点处系统传热温差最小，等于Tmin；夹点处热流量等于0.夹点介于子网络3（SN3）和子网络4（SN4）之间，夹点处热流体温度90，冷流体温度70。

若改变最小传热温差Tmin15，则结果如下：

问题表格

（2）,结果比较：

5.1.5夹点的意义,

（1）夹点处，系统的传热温差最小（等于Tmin），系统用能瓶颈位置；

（2）夹点处热流量为0，夹点将系统分为热端和冷端两个子系统，热端在夹点温度以上，只需要公用工程加热（热阱）冷端在夹点温度以下，只需要公用工程冷却（热源）；（3）在一定的Tmin下，确定了系统最小的公用工程加热负荷QHmin和系统最小的公用工程冷却负荷QCmin，以及系统最大的热回收量QR,max；（4）夹点处温度差的影响Tmin大，QH,min、QCmin增大，QR,max减小。

适宜的Tmin是一个课题，一般以经验选取。

（1）热量不能穿透夹点,

（2）夹点上方不能设置公用工程冷却,（3）夹点下方不能设置公用工程加热,系统具有最低公用工程消耗以及最大热回收的原则：

5.2换热器网络的综合,换热器网络综合：

确定具有最小设备投资，最小操作费用，能达到过程要求的换热器网络结构。

具有可控性、稳定性和可操作性。

方法：

夹点设计法有效能法温度间隔法热力学温差贡献法数学规划法应用软件：

ADVENT,HEXTRAN,INTERHEAT,MAGNETS,RESHEX及SUPERTRAGET等。

夹点设计法的基本原则：

（1）应该避免有热流量通过夹点；

（2）夹点上方避免引入公用工程冷却物流；（3）夹点下方避免引入公用工程加热物流。

违背以上三条，就会增大公用工程负荷及相应的设备投资。

5.2.1夹点处物流间匹配换热的可行性规则,夹点匹配：

指冷、热物流同时有一端直接与夹点相同，即同一端具有夹点处的温度。

夹点匹配,非夹点匹配,夹点匹配,非夹点匹配,可行性规则：

规则1对于夹点上方，热工艺物流（包括其分支物流）的数目NH不大于冷工艺物流（包括其分支物流）数目NC，即：

（a）热端夹点处不可行的匹配（b）热端夹点处的可行匹配（采用冷物流分支）（c）热端夹点处的可行匹配（采用设置加热器H）,90-（80+dT4）或90-（80+dT5）均小于Tmin,只好采用公用工程冷却物流,违反基本原则2,对于夹点下方，热工艺物流（包括其分支物流）数目NH不小于冷工艺物流（包括其分支物流）的数目NC,即：

C4,C3,H1,H2,C5,（d）,（d）冷端夹点处不可行的匹配（e）可行的匹配采用热物流分支（f）可行的匹配设置冷却器C,（90-dT1）-80或（90-dT2）-80均小于Tmin,只好采用公用工程加热物流,违反基本原则3,规则2夹点上方，每一夹点匹配中热物流的热容流率CPH小于或等于冷物流的热容量流率CPC,即：

CPHCPC夹点下方，每一夹点匹配中热物流的热容流率CPH大于或等于冷物流的热容量流率CPC,即：

CPHCPC,规则2保证了夹点匹配中的传热温差不小于允许的最小传热温差Tmin。

离开夹点后，由于物流间的传热温差都增大了，所以不一定遵循该规则。

（a）夹点之上，可行的夹点匹配；（b）夹点之上，不可行的夹点匹配。

（a）夹点之下，可行的夹点匹配。

CPHCPC（b）夹点之下，不可行的夹点匹配。

CPHCPC,5.2.2物流间匹配换热的经验规则,经验规则1每个换热器的热负荷应等于该换热器冷热物流匹配中热负荷较小者，以保证经过一次换热，既可以使一个物流达到规定的目标温度,以减少所用换热设备的数量。

经验规则2应尽量选择热容量流率相近的冷、热流体进行匹配换热，使得换热器在结构上相对合理，且在相同的热负荷及相同的有效能损失下，其传热温差最大。

夹点设计法的要点：

（1）在夹点处，换热网络分隔开，热端和冷端分别处理。

（2）热端和冷端都先从夹点开始设计，遵循夹点匹配可行性规则及经验规则。

（3）离开夹点后，采用经验规则，但传热温差约束紧张时还应遵循可行性规则。

（4）考虑换热系统的操作性、安全性，以及生产工艺上特殊要求等。

P136例5-1,得到如下信息：

在Tmin=20oC的情况下，夹点温度在90oC（热流体夹点温度）和70oC（冷流体夹点温度）之间，故夹点温度T=80oC.最小公用工程加热量QHmin=107.5kw最小公用工程冷却量QCmin=40kw,夹点以上，流股数符合规则1（热流股数1，小于冷流股数2）及规则2（热流股热容流率2.0,冷流股热容流率2.5、3.0）按经验规则,应使热流股1与冷流股1匹配，得下图。

夹点热端流股的匹配,夹点冷端的流股匹配

（1）,夹点冷端的流股匹配

（2）,具有最小公用工程加热与冷却负荷的整体设计方案,5.3换热器网络的调优,目标：

最大能量回收；最小传热面积；最少换热设备数；最小总费用。

方法：

首先设计能量最优换热网络；然后采用能量松弛进行结构优化。

换热网络的最少换热器个数：

U=N-S+LU:

换热设备个数；N:

网络中存在的独立流股数；（热流股、冷流股、公用工程流股,不包括物流分支）S:

网络中分离为独立的子网络数；L:

网络中存在的独立热负荷回路数。

一般情况下，S=1，所以若要使U最小，必使L=0，即无热负荷回路，此时有：

U=Umin=N-1,5.3.1最少换热设备个数与热负荷回路,热负荷回路级别和回路识别：

热负荷回路:

第1级回路（3,5）第2级回路（1,2,3,4）（1,2,5,4）（C1,3,4,C2）（C1,2,1,C2）（C1,5,4,C2）,（a）独立（3，5）（1，2，3，4）共用3，不独立（1，2，5，4）。

（b）独立回路（C1，3，4，C2）（3，5）消去共用单元3，则构成不独立的回路（C1，5，4，C2）。

（c）独立回路（1，2，3，4）（C1，3，4，C2）消去共用单元3，4，则构成不独立回路，（C1，2，1，C2）。

则总的换热设备单元数：

U=3（源物流）+3（阱物流）+3（独立的回路）-1（子系统）=8与图中一致：

所以：

6个回路中存在3个独立的热负荷回路，即（3，5）、（1，2，3，4）、（C1，3，4，C2）,5.3.2热负荷回路的断开,通常把回路中第一个单元设备的热负荷分配给其他设备单元。

热负荷串中奇数位置的单元设备减去所要合并的单元设备的热负荷，偶数位置则加上该热负荷。

5.3.3热负荷路径及能量松弛,夹点设计法得到的最大热回收系统结构如图.,热负荷回路:

（1,4）（H1,3,2,H2）,保证热负荷非负外，还要检验是否大于,热负荷回路的断开,断开回路（1，4）合并换热器4，但T2-T1=1820（因为1,4跨过了夹点,断开后有一定的热负荷通过夹点）,如何提高T2?

“热负荷路径”:

在加热器和冷却器间由物流和换热器连接而成.（H1，1，C）,使换热器1达到最小的传热温差,求出X=4kW,这称为能量松弛:

加热器H1和冷却器C热负荷增加,以此为代价,减少了一个设备单元4,而且不违背最小允许传热温差的规定,调优后的换热网络,