第13講換熱網(wǎng)絡(luò)集成

1、 化工生產(chǎn)過程中，需要對許多化工生產(chǎn)過程中，需要對許多流股流股進進行行加熱加熱和和冷卻冷卻，經(jīng)常引入外源，即，經(jīng)常引入外源，即蒸汽蒸汽加加熱或熱或冷卻水冷卻水、冷凍液冷卻。這些公用工程、冷凍液冷卻。這些公用工程費用，在生產(chǎn)成本中占有相當大的份額。費用，在生產(chǎn)成本中占有相當大的份額。 為了降低成本、節(jié)約能源，在設(shè)計中為了降低成本、節(jié)約能源，在設(shè)計中應(yīng)用應(yīng)用換熱網(wǎng)絡(luò)換熱網(wǎng)絡(luò)的合成技術(shù)。即對化工過程的合成技術(shù)。即對化工過程中的流股進行詳細的分析與匹配，盡量使中的流股進行詳細的分析與匹配，盡量使系統(tǒng)內(nèi)的加熱和冷卻的物流相互配合，盡系統(tǒng)內(nèi)的加熱和冷卻的物流相互配合，盡量量避免使用外源避免使用外源，以降低

2、網(wǎng)絡(luò)所需的公用，以降低網(wǎng)絡(luò)所需的公用工程費用。工程費用。 熱流：熱流：由起始溫度被由起始溫度被冷卻冷卻至目標溫度至目標溫度的流股的流股(提供熱量的物流提供熱量的物流)； 冷流：冷流：由起始溫度被由起始溫度被加熱加熱至目標溫度至目標溫度的流股的流股(提供冷量的物流提供冷量的物流) ； 并流傳熱：并流傳熱：冷流體和熱流體在間壁兩冷流體和熱流體在間壁兩側(cè)以同一方向流動并換熱；側(cè)以同一方向流動并換熱； 逆流傳熱：逆流傳熱：冷流體和熱流體在間壁兩冷流體和熱流體在間壁兩側(cè)以相反方向流動并換熱。側(cè)以相反方向流動并換熱。 對于一個實際的換熱器，只有在兩端存在對于一個實際的換熱器，只有在兩端存在溫差的情況下，才

3、能在有限的換熱面積上發(fā)生溫差的情況下，才能在有限的換熱面積上發(fā)生換熱，即：換熱，即：minT)tT,tT(T 1221 Tmin 稱換熱流體的稱換熱流體的最小誤差最小誤差。 (1) 已知物料流股的流率，進出口溫度，以已知物料流股的流率，進出口溫度，以及比熱容及比熱容(流率流率熱容熱容=熱容流率熱容流率)；公用工程進；公用工程進口溫度已知，且其流率大小不受限制；口溫度已知，且其流率大小不受限制； (2) 傳熱系數(shù)根據(jù)各流股性質(zhì)及操作條件傳熱系數(shù)根據(jù)各流股性質(zhì)及操作條件(溫溫度、壓力、流量度、壓力、流量)而變化；而變化； (3) 逆流操作；逆流操作； (4) 設(shè)備投資與所用臺數(shù)有關(guān)，每臺換熱又設(shè)備

4、投資與所用臺數(shù)有關(guān)，每臺換熱又與其換熱面積有關(guān)，在換熱網(wǎng)絡(luò)的合成中，有與其換熱面積有關(guān)，在換熱網(wǎng)絡(luò)的合成中，有以下五種方法表示熱交換系統(tǒng)。以下五種方法表示熱交換系統(tǒng)。(1) 冷、熱流股用線表示冷、熱流股用線表示 熱交換器用圓圈表示熱交換器用圓圈表示(2) 矩陣法矩陣法 冷流為行，熱流為列冷流為行，熱流為列(3) 溫焓溫焓(T-H)圖圖TCpFH 圖中的斜率稱為圖中的斜率稱為熱容流率熱容流率：)hK.kJ(CpF11 (4) 熱焓圖熱焓圖(5) 網(wǎng)絡(luò)圖網(wǎng)絡(luò)圖 在在溫焓圖溫焓圖上，因為焓值僅僅是個相對值，上，因為焓值僅僅是個相對值，所以我們只關(guān)心所以我們只關(guān)心焓差焓差及其及其溫位溫位?？梢栽谕粡?/p>

5、。可以在同一張T-H圖圖上畫出各個流股的上畫出各個流股的溫焓特性直線溫焓特性直線，并在不同，并在不同的溫度段內(nèi)進行加和，得到的溫度段內(nèi)進行加和，得到復合曲線復合曲線。 將冷熱流股復將冷熱流股復合曲線水平移動，合曲線水平移動，縱坐標最近處為縱坐標最近處為夾夾點點(Pinch Point)，夾，夾點處的溫度差為：點處的溫度差為：minT 圖中，圖中，QH,min為為最小需要外源熱量最小需要外源熱量(熱阱熱阱)； QC,min為最為最小需要外源冷量小需要外源冷量(冷冷阱阱)。 冷、熱復合曲線冷、熱復合曲線 法難于準確。引入問題列表法：法難于準確。引入問題列表法： (1) 根據(jù)冷、熱流股的進出口溫度建

6、立根據(jù)冷、熱流股的進出口溫度建立溫度區(qū)間溫度區(qū)間； (2) 對每個區(qū)間的對每個區(qū)間的邊界溫度邊界溫度：2T-TTmin熱區(qū)間間邊 2TTTmin 冷冷區(qū)間間邊 (3) 繪出總復合曲線，熱流股放熱的熱量為正；冷繪出總復合曲線，熱流股放熱的熱量為正；冷流股吸收的熱量為負；流股吸收的熱量為負； (4) 將總復合曲線水平移動，使所有的折線均處于將總復合曲線水平移動，使所有的折線均處于大于大于0的位置；的位置； (5) H=0的溫度為夾點；的溫度為夾點； (6) 上部缺口為所需外熱源，下部為所需外冷源。上部缺口為所需外熱源，下部為所需外冷源。取取Tmin為為10，求，求QH,min和和QC,min 。物

7、流號物流號流股流股溫度，溫度， T Tminmin邊界溫度，邊界溫度，合并邊界溫度合并邊界溫度2熱260-52552554熱250-52452453冷24052453冷23552402403160-51551554熱130-51251251冷1205125溫度從高到低：溫度從高到低：區(qū)間：區(qū)間：255 245；Cp=3；H=30區(qū)間：區(qū)間：245 240；Cp=3+1.5-4=0.5；H=2.5區(qū)間：區(qū)間：240 185；Cp=3+1.5-2-4=-1.5；H=-82.5區(qū)間：區(qū)間：185 155；Cp=3+1.5-2=2.5；H=60區(qū)間：區(qū)間：155 125；Cp

8、=1.5-2=-0.5；H=-15夾點溫度：夾點溫度：185QH,min= 50QC,min= 45網(wǎng)絡(luò)設(shè)計要求：網(wǎng)絡(luò)設(shè)計要求： (1) 無熱量穿過夾點；無熱量穿過夾點； (2) 夾點以上只需要外熱；夾點以上只需要外熱； (3) 夾點以下只需要外冷。夾點以下只需要外冷。 根據(jù)經(jīng)驗，當換熱量一定時，傳熱面積的變化只根據(jù)經(jīng)驗，當換熱量一定時，傳熱面積的變化只有有3%左右。因此，設(shè)計中應(yīng)盡量減少左右。因此，設(shè)計中應(yīng)盡量減少搭配搭配(換熱器換熱器)數(shù)數(shù)，才能滿足降低設(shè)備成本的優(yōu)化目標。才能滿足降低設(shè)備成本的優(yōu)化目標。 根據(jù)圖論根據(jù)圖論Euler定理，定理，最少搭配數(shù)最少搭配數(shù)為：為：LSNNMOP )

9、(min式中，式中，NP 過程冷、熱物流總數(shù)；過程冷、熱物流總數(shù)； NO 外加冷、熱公用工程流股數(shù)目；外加冷、熱公用工程流股數(shù)目； S 網(wǎng)絡(luò)中的獨立次級網(wǎng)的數(shù)目；網(wǎng)絡(luò)中的獨立次級網(wǎng)的數(shù)目； L 網(wǎng)絡(luò)中的回路數(shù)目網(wǎng)絡(luò)中的回路數(shù)目(應(yīng)盡量減少應(yīng)盡量減少)。 今有兩個熱流股今有兩個熱流股H1和和H2，兩個冷流股，兩個冷流股C1和和C2：HUC70=1HP,HUC90=2HP,HUC40=1CP,HUC100=2CP,分析設(shè)計方案和搭配數(shù)。分析設(shè)計方案和搭配數(shù)。HUQ30=minH,HUQ50=minC,解題：解題：NP = 4；NO = 2方案方案1：1=S0=L5016 -minM方案方案2：1=

10、S1 L6116 -minM方案方案3：2 S0 L4026 -minM (1) 熱容流率可行性準則熱容流率可行性準則(夾點附近夾點附近) 夾點之上：夾點之上： 夾點之下：夾點之下： CP,HP,CC CP,HP,CC 否則，夾點之上熱物流斜率較大，或者夾點之否則，夾點之上熱物流斜率較大，或者夾點之下熱物流斜率較小，換熱過程均易出現(xiàn)交叉下熱物流斜率較小，換熱過程均易出現(xiàn)交叉(即從即從夾點向兩端擴大夾點向兩端擴大)。 (2) 流股數(shù)可行性準則流股數(shù)可行性準則 夾點之上：夾點之上： 夾點之下：夾點之下： 如果夾點之上，冷物流數(shù)目小于熱物流數(shù)目；如果夾點之上，冷物流數(shù)目小于熱物流數(shù)目；或者夾點之下，

11、冷物流數(shù)目大于熱物流數(shù)目，則或者夾點之下，冷物流數(shù)目大于熱物流數(shù)目，則考慮到夾點之上單獨的加熱器和夾點之下單獨的考慮到夾點之上單獨的加熱器和夾點之下單獨的冷卻器，需要進行物流分割。冷卻器，需要進行物流分割。 夾點之上，需要將冷物流拆分；夾點之下，夾點之上，需要將冷物流拆分；夾點之下，需要對熱物流拆分。需要對熱物流拆分。 CHNN CHNN 夾夾點點之之上上夾夾點點之之下下 (1) 列表分析列表分析所有熱流股、冷流股；所有熱流股、冷流股； (2) 圖解求出圖解求出夾點夾點和最少外源熱量和冷量；和最少外源熱量和冷量； (3) 分析夾點上下的冷、熱分析夾點上下的冷、熱流股搭配流股搭配，能否滿，能否滿足足“流股數(shù)可行性準則流股數(shù)可行性準則”和和“熱容流率可行性準熱容流率可行性準則則”； (4) 畫出畫出換熱網(wǎng)絡(luò)圖換熱網(wǎng)絡(luò)圖，確定滿足最大能量回收，確定滿足最大能量回收的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案；的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案； (5) 消除回路消除回路，減少搭配數(shù)，最小化總目標費，減少搭配數(shù)，最小化總目標費用；用； (6) 若不能滿足第若不能滿足第(3)要求，研究要求，研究流股分支流股分支；