換熱夾點技術基礎

1、第四章夾點技術的基礎理論第四章夾點技術的基礎理論夾點技術：夾點技術：以熱力學為基礎，分析過程系統(tǒng)中能以熱力學為基礎，分析過程系統(tǒng)中能量流沿溫度的分布，從而發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)用能的量流沿溫度的分布，從而發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)用能的“瓶頸瓶頸”（Bottleneck）所在，并給以）所在，并給以“解瓶頸解瓶頸”（Debottleneck）的一種方法。）的一種方法。1978年，年，Linnhoff 首次提出換熱網絡的溫度夾點首次提出換熱網絡的溫度夾點問題。問題。4.1 過程系統(tǒng)的夾點及其意義過程系統(tǒng)的夾點及其意義4.1.1 T-H 圖圖 ( 溫溫-焓圖焓圖 )HTTcWQstp)(pstcWHTTHT1斜率Wcp-熱容流率線

2、段線段AB有二個特征。有二個特征。不同物流在不同物流在 T-H 圖上的標繪：圖上的標繪：冷物流熱物流純組分氣化純組分冷凝多組分氣化多組分冷凝4.1.2 組合曲線組合曲線(Composite curve) 將系統(tǒng)的物流組合起來，以便于進行過程的冷、熱物流的合將系統(tǒng)的物流組合起來，以便于進行過程的冷、熱物流的合 理匹配。理匹配。 組合方法：組合方法：組合曲線的構造過程組合曲線的構造過程例題：三個冷物流，構造組合曲線。4.1.3 在在T-H圖上描述夾點圖上描述夾點凡是等于凡是等于P點溫度的熱流體部位和等于點溫度的熱流體部位和等于Q點溫度的冷流體部位點溫度的冷流體部位都是夾點。熱流體的夾點溫度與冷流體

3、的夾點溫度相差都是夾點。熱流體的夾點溫度與冷流體的夾點溫度相差Tmin。兩曲線的垂直距離兩曲線的垂直距離Tmin夾點描述所得信息：夾點描述所得信息：（1）過程系統(tǒng)的最小傳熱溫差，夾點部位的傳熱溫差最??；）過程系統(tǒng)的最小傳熱溫差，夾點部位的傳熱溫差最小；（2）最小的公用工程加熱負荷）最小的公用工程加熱負荷QH ,min ；（3）最小的公用工程冷卻負荷）最小的公用工程冷卻負荷QC, min ； （4）系統(tǒng)最大的熱回收量）系統(tǒng)最大的熱回收量QR,max ；（5）夾點將系統(tǒng)分為熱端和冷端，熱端在夾點溫度以上，只需）夾點將系統(tǒng)分為熱端和冷端，熱端在夾點溫度以上，只需 要公用工程加熱（熱阱）要公用工程加熱

4、（熱阱）;冷端在夾點溫度以下，只需要冷端在夾點溫度以下，只需要 冷公用工程冷卻冷公用工程冷卻(熱源熱源)。夾點溫度差的影響：夾點溫度差的影響： T min大，大，QH, min、QC ,min 增大，增大，QR,max減小減小 適宜的適宜的T min 是總費用最低的優(yōu)化值。是總費用最低的優(yōu)化值。5.1.4 用問題表格法確定夾點熱級聯(lián)：熱級聯(lián)： 每個單元都是相似的傳熱過程組每個單元都是相似的傳熱過程組成的串級結構。每一級相當于一個子網絡成的串級結構。每一級相當于一個子網絡第 k 級的熱平衡 (k =1、2、3、4、.K) 輸出 = 輸入- 赤字 Ok=I k-D k D k=（CPC- CPH

5、）(T k-T k+1) D k+1T1T kT k+1I1I kI k+1IKD1D kD KO kO1OkOk+1熱級聯(lián)熱級聯(lián) 虛擬的結構，同一溫位的物流 集中于同一級。例 5-2 一過程系統(tǒng)含有的工藝物流為2個熱物流及2個冷物流，給 定的數(shù)據(jù)列于表 5-2 中，并選熱、冷物流間最小允許傳熱 溫差Tmin = 20 , 試確定該過程系統(tǒng)的夾點位置。 物流標號 熱容流率CP / ( kW/ ) 初始溫度Ts / 終了溫度Tt / 熱負荷Q / kW H1 2.0 150 60 180.0 H2 8.0 90 60 240.0 C1 2.5 20 125 262.5 C2 3.0 25 100

6、 225.0 表5-2 例5-2的物流數(shù)據(jù)子網絡的分割，問題表格(1)： 做法：表 5-3 問題表格(1) Tmin = 20 子網絡序號 冷物流及其溫度 熱物流及其溫度 k C1 C2 / H1 H2 /SN1SN2SN3SN4SN5SN6150145120906012510070402520對子網絡進行熱衡算： Ok=I k-D k D k=（CPC- CPH ）(T k-T k+1) k=1，（溫度間隔為 150145 ) D 1=（02) (150145) = -10 （負赤字表示有剩余熱量10kW） I 1 = 0 （無外界輸入熱量） O1= I 1 D 1= 0 (-10) = 1

7、0 O1為正值，說明子網絡 1(SN1) 有剩余熱量供給子網絡2(SN2)k =2，（溫度間隔為 145120 ) D 2=（2.52) (145120) = 12.5 （正號表示有熱量赤字12.5kW） I 2 = O1 = 10 子網絡1 (SN1)的剩余熱量供給了子網絡2 (SN2) 。 O2 = I 2 D 2= 10 12.5 = 2.5 O2為負值，說明子網絡 2(SN2) 只能向子網絡3(SN3)提供負的剩余熱量（即需要子網絡3向子網絡2供給熱量，但這是不可能的）。k=6，（溫度間隔為2520 ) D 6= 2.5 ( 2520) = 12.5 （正號表示有熱量赤字12.5kW）

8、 I 6 = O5 = 55 子網絡5 (SN5)無剩余熱量供給了子網絡6 (SN6) 。 O6 = I 6 D6 =55 12.5 = 67.5 O6為負值，說明子網絡6(SN6) 熱量不夠，無法達到規(guī)定的傳熱要求。問題表格2 子網絡 赤 字 熱量/kW 無外界輸入熱量 熱量/kW 外界輸入最小熱量 序 號 Dk / kW Ik Ok Ik Ok表 5-4 問題表格(2) Tmin = 20 SN1 -10.0 0 10.0 107.5 117.5SN2 12.5 10.0 -2.5 117.5 105.0SN3 105.0 -2.5 -107.5 105.0 0SN4 -135.0 -10

9、7.5 27.5 0 135.0SN5 82.5 27.5 -55.0 135.0 52.5SN6 12.5 -55.0 -67.5 52.5 40.0 過程分析： 消除 I 或 O 的負值，方法：引入公用工程加熱負荷使 I1 = 各子網絡中最小負數(shù)的絕對值（107.5)得：結果: O3=0, 在夾點處 I1=QH,min 107.5 kW （ 最小公用工程加熱負荷） O6 =Qc,min 40kW ( 最小公用工程冷卻負荷 ） 夾點特征： 夾點處系統(tǒng)傳熱溫差最小，等于T min； 夾點處熱流量等于0. 夾點介于子網絡3(SN3）和子網絡4(SN4)之間，夾點處熱流體溫 度90 ，冷流體溫度7

10、0 ，夾點溫度（界面虛擬溫度）80 。若改變最小傳熱溫差T min 15，則結果如下： 表 5-5 問題表格(1) Tmin = 15 子網絡序號 冷物流及其溫度 熱物流及其溫度 k C1 C2 H1 H2123456150140115906012510075452520問題表格（2） 子網絡 赤 字 熱量/kW 無外界輸入熱量 熱量/kW 外界輸入最小熱量 序 號 Dk / kW Ik Ok Ik Ok表 5-6 問題表格(2) Tmin = 15 1 -20 0 20 80 100 2 12.5 20 7.5 100 87.5 3 87.5 7.5 -80 87.5 0 4 -135 -8

11、0 55 0 135 5 110 55 -55 135 25 6 12.5 -55 -67.5 25 12.5結果比較：表 5-7 選用不同 Tmin 值計算結果的比較 20 107.5 40 90 70 15 80 12.5 90 75Tmin / QH,min / kWQC,min / kW夾點位置 / 熱物流 冷物流5.1.5 夾點的意義（1）夾點處，系統(tǒng)的傳熱溫差最小（等于夾點處，系統(tǒng)的傳熱溫差最?。ǖ扔赥 min ），），系統(tǒng)用能 瓶頸位置；（2）夾點處熱流量為夾點處熱流量為 0 ，夾點將系統(tǒng)分為熱端和冷端兩個子系 統(tǒng)，熱端在夾點溫度以上，只需要公用工程加熱（熱阱） 冷端在夾點溫度以

12、下，只需要公用工程冷卻（熱源）；（3）在一定的T min下，確定了系統(tǒng)最小的公用工程加熱負荷 QH min 和系統(tǒng)最小的公用工程冷卻負荷QC min ，以及系統(tǒng) 最大的熱回收量QR,max ； （4）夾點處溫度差的影響夾點處溫度差的影響 T min大，QH, min、QC min 增大， QR,max減小。適宜的適宜的T min 是一個課題，一般以經驗選取。是一個課題，一般以經驗選取。(1)熱量不能穿透夾點熱量不能穿透夾點（2）夾點上）夾點上方不能設置公方不能設置公用工程冷卻用工程冷卻（3）夾點下方不能）夾點下方不能設置公用工程加熱設置公用工程加熱系統(tǒng)具有最低公用工程消耗以及最大熱回收的原則：

13、 夾點上方夾點上方 熱阱熱阱 夾點下方夾點下方 熱源熱源夾點QH,min+xQC,min+x 夾點上方夾點上方 熱阱熱阱 夾點下方夾點下方 熱源熱源QH,min+yQC,miny 夾點上方夾點上方 熱阱熱阱 夾點下方夾點下方 熱源熱源QH,minQC,min+zzx5.2 準確地確定過程系統(tǒng)的夾點位置5.2.1 準確地確定夾點位置操作型夾點計算 操作型（模擬型）夾點計算：確定現(xiàn)有過程系統(tǒng)中熱流 量沿溫度的分布，熱流量等于零處即為夾點。方法一方法一: 采用單一的T min （或HRAT，Heat Recovery Approach Temperature)，確定夾點位置的計算步驟如下： （1）收

14、集過程系統(tǒng)中熱、冷物流數(shù)據(jù)，包括其熱容流 率、初溫、終溫等； （2）選擇一最小允許的傳熱溫差初值T min，按5.1.4節(jié)介 紹的問題表格法確定夾點位置，并得到系統(tǒng)所需的熱、 冷最小公用工程負荷QH, min、QC min ； （3）修正T min ，直至QH, min、QC min與現(xiàn)有過程系統(tǒng)所 需的熱、冷公用工程負荷相符，此時即確定了該過程系 統(tǒng)的夾點位置。方法二方法二：采用現(xiàn)場過程中各物流間匹配換熱的實際傳熱溫差進行 計算。物流間傳熱溫差值T min ，即平均傳熱溫差：TTCCHCmTTTCCHC熱物流對傳熱溫差的貢獻值；冷物流對傳熱溫差的貢獻值。采用“虛擬溫度法”法，具體步驟：（1）

15、按現(xiàn)場數(shù)據(jù)推算各熱、冷物流對傳熱溫差的貢獻值TTCjCHiC、,，i、j分別表示熱、冷物流的序號；（2）確定各物流的虛擬溫度 熱物流虛擬初始溫度=實際初始溫度 - 熱物流虛擬目標溫度=實際目標溫度 - 冷物流虛擬初始溫度=實際初始溫度 + 冷物流虛擬目標溫度=實際目標溫度 +TTTTCjCCjCHiCHiC,（3）按5.1.4節(jié)介紹的問題表格法進行夾點計算，但不同之處是 全過程系統(tǒng)取T min值為零，這是因為當所有物流轉換成 虛擬溫度后，都已經考慮了各物流間的傳熱溫差值；（4）打印輸出計算結果。P123 例例5-3 作出過程系統(tǒng)中熱流量沿溫度的分配，即總組 合曲線如圖所示：夾點溫度1050C5

16、.2.2 合理地設計夾點位置設計型夾點計算設計型夾點計算：設計型夾點計算：改進各物流間匹配換熱的傳熱溫差以及對物流工藝參數(shù)進行調優(yōu)，以得到合理的過程系統(tǒng)中熱流量沿溫度的分布，從而減小公用工程負荷，達到節(jié)能的目的。如何確定各物流適宜的傳熱溫差貢獻值，從而改善夾點？具有一個熱阱（或熱源）和多個熱源（或熱阱），滿足：iTiaiUi 第i臺換熱器。多個熱源與多個熱阱匹配換熱：jTjajhj 第j個物流找到一參照物流r，則：rTrajhjarhjT每一物流的傳熱溫差貢獻值都確定以后，按5.2.1節(jié)介紹的操作型夾點計算步驟進行夾點計算，確定改進后的夾點位置，進行熱回收系統(tǒng)的設計。5.3 過程系統(tǒng)的總組合曲

17、線總組合曲線總組合曲線 在TH圖上描述過程系統(tǒng)中的熱流量沿溫度的分布，熱流量為零處就是夾點。5.3.1 總組合曲線的繪制（1）根據(jù)問題表格法計算的結果進行標繪物流標號 熱容流率 / ( kW/ ) 初始溫度Ts / 目標溫度Tt / 傳熱溫差貢獻值 H1 2.0 150 60 10 H2 8.0 90 60 5 C1 2.5 20 125 10 C2 3.0 25 100 10 物流標號 虛擬初始溫度/ 虛擬目標溫度/ H1 150 10 = 140 60 10 = 50 H2 90 5 = 85 60 5 = 55 C1 20 + 10 = 30 125 + 10 = 135 C2 25 +

18、 10 = 35 100 + 10 = 110 表5-11 物流的虛擬溫度 表 5-12 問題表格(1)子網絡序號 冷物流及其溫度 熱物流及其溫度 k C1 C2 H1 H212345614013511085555035307 子網絡 赤 字 序 號 Dk / kW Ik Ok Ik Ok 表 5-13 問題表格(2) 1 -10 0 10 90 100 2 12.5 10 -2.5 100 87.5 3 87.5 -2.5 -90 87.5 0 4 -135 -90 45 0 135 5 17.5 45 27.5 135 117.5 6 82.5 27.5 -55 117.5 35 7 12

19、.5 -55 -67.5 35 22.5 熱 流 量 / kW 7 35 30 35 22.5 子網絡 界面溫度 / 界面熱負荷 / kW (虛擬溫度) 上界面 下界面 序 號 上界面 下界面 輸入 輸出 表 5-14 問題表格(3) 1 140 135 90 100 2 135 110 100 87.5 3 110 85 87.5 0 4 85 55 0 135 5 55 50 135 117.5 6 50 35 117.5 35按問題表格（3）標繪總組合曲線：5.3.2 總組合曲線的意義總組合曲線的意義 描述熱流量沿溫度的分布； 需要補充熱量的溫位； 可以回收熱量的溫位； 夾點上方熱阱，只

20、需要熱公用工程； 夾點下方熱源，只需要冷公用工程； 過程能量綜合的背景。（2） 構造總組合曲線 總組合曲線的繪制夾點計算程序夾點計算程序5.4 多夾點問題逆夾點逆夾點CK夾點1與夾點2間冷、熱物流組合曲線間溫差最大處。處理方法處理方法：分隔成多個單夾點問題，逐一處理。特點特點：第一個夾點問題的夾點上方（即第二段）不需要熱公用工程。第二個夾點問題的夾點下方（第三段）不需要冷卻公用工程?！皧A點區(qū)夾點區(qū)”第1個夾點與第2個夾點之間；其間熱、冷物流間的匹配換熱要遵循一個總原則，即不能引入熱、冷公用工程物流。5.5 無夾點門檻問題門檻問題 一過程系統(tǒng)只需要一種公用工程物流。（a）只需要冷卻公用工程；（b）只需要冷卻公用工程，最小傳熱溫差在冷物流組合曲線 的左端E；（c）只需要加熱公用工程；（d）只需要加熱公用工程，最小傳熱溫差在熱物流組合 曲線的左端A； 情況（情況（b）：）：（1）增大熱、冷物流間的傳熱