夹点技术设计换热网络

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1、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 5.1.1 T-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：

2、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：T min大，QH

3、, min、QC ,min 增大，QR,max减小,适宜的T min 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=I k-D kD k=（CPC- CPH ）(T k-T k+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

4、：,对子网络进行热衡算：,Ok=I k-D kD k=（CPC- CPH ）(T k-T k+1)k=1，（温度间隔为 150145 )D 1=（02) (150145) = -10 （负赤字表示有剩余热量10kW）I 1 = 0 （无外界输入热量）O1= I 1 D 1= 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 )D 2=（2.52) (145120) = 12.5 （正号表示有热量赤字12.5kW）I 2 = O1 = 10子网络1 (SN1)的剩余热量供给了子网络2 (SN2) 。O2 = I

5、2 D 2= 10 12.5 = 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 )D 3=（2.5+32) (12090) = 105 O3 = I3 D 3 = 2.5 105= 107.5 k =4，（温度间隔为 9060 )D 4=（2.5+328) (9060) = 135 O4 = I4 D 4 = 107.5 (135) = 27.5 k =5，（温度间隔为 4025 )D 5=（2.5+3) (4025) = 82.5 O5 = I5 D 5 = 27

6、.5 82.5 = 55,k=6，（温度间隔为2520 )D 6= 2.5 ( 2520) = 12.5 （正号表示有热量赤字12.5kW）I 6 = O5 = 55子网络5 (SN5)无剩余热量供给了子网络6 (SN6) 。O6 = I 6 D6 =55 12.5 = 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,min 107.5 kW （ 最小公用工程加热负荷）O6 =Qc,min 40

7、kW ( 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T min；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T min 15，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T min ），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T min下，确定了系统最小的公用工程加热负荷

8、QH min 和系统最小的公用工程冷却负荷QC min ，以及系统 最大的热回收量QR,max ； （4）夹点处温度差的影响 T min大，QH, min、QC min 增大， QR,max减小。,适宜的T min 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

9、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

10、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

11、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： CPH CPC 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： CPH CPC,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

12、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T min=20oC的情况下

13、，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 Q H min = 107.5 kw最小公用工程冷却量 Q C min = 40 kw,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：

14、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+L U: 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=U min=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 ,C

15、2) （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),