换热过程1Word文件下载.docx

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因此，实际进行的换热网络设计时，需要在某些方面做出牺牲，以获得一个折衷的方案。

换热网络自二十世纪60年代起就作为过程设计的一个子问题而引起重视，具有重要的理论意义和实用价值。

换热网络设计要考虑如图所示的3个方面的问题，但仍存在着许多问题尚未解决。

二、问题的提出

考虑一个化工系统，具有Nh股物流需要冷却（这些物流称为热流），Nc股物流需要加热（这些物流称为冷流）。

各股物流的热容流率W（流量F与比热容Cp的乘积）和温度均已知，现需合成一个由热交换器、辅助加热器和辅助冷却器构成的换热器网络，使各股物流达到规定的温度，而总费用最小。

这里的热交换器是指系统物流之间进行热量交换的换热设备，辅助加热器是指利用公用工程中的热剂（如蒸汽和热水等），对物流进行加热的换热设备，辅助冷却器是指利用公用工程中的冷剂对物流进行冷却的换热设备。

换热器网络是一个复杂的排列问题，包括①热交换物流的匹配和②换热次序的安排，可行的排列方案的数量比一般的过程合成问题更大。

系统物流、热剂、冷剂间进行可能的换热匹配如下图所示。

可能的匹配数p可用下式表示

式中Nuh和Nuc分别为热剂和冷剂的数量。

若构成网络的换热器数为N，则网络的合成问题即为从可能的p个换热匹配中，选出N个构成网络。

这是一个排列问题，可能的方案数为

网络中所用换热器数在Nmax工和Nmin之间。

最大换热器数Nmax等于可能匹配数P，若最小换热器数Nmin等于：

Nmin＝Nh＋Nc＋Nuh＋Nuc－1

可能的方案的总数为：

若Nh和Nc分别为3，Nuh和Nuc分别为1，则

p=（3+1）*（3+1）-（1*1）=15，

Nmin=3+3+1+1-1=7

在使用最小换热个数时可能的方案数为：

匹配组合爆炸。

显而易见，建立指导物流换热的匹配原则，使在不过多耗费人力的条件下得到总费用最少的最优合成方案，是一个非常有意义的课题。

针对上述会成问题，研究人员在过去的30年中作了许多工作，提出了各种方法。

大致可以分为三类：

热力学方法、数学规划法、人工智能专家系统，并都取得了一定的成就。

方法

特点

应用范围

热力学方法

以严格的热力学知识和数学理论作为基础，方法简单、灵活、实用，概念清晰，易于理解和掌握，并且可在设计前预测设计目标

最广泛

潜力最大

数学规划法

计算机耗时大，而且其简化处理会对系统造成一定程度的失真

较少

人工智能专家系统

尚属开发阶段，离工业实际应用还有一段距离

少

由于被研究系统的规模一般较大，且呈高度非线性，如用数学规划法进行求解，计算机耗时大，而且其简化处理会对系统造成一定程度的失真。

而人工智能专家系统尚属开发阶段，离工业实际应用还有一段距离。

因此，目前应用最广泛、潜力最大的当属热力学方法，其中尤以夹点技术法（PinchDesignMethod，简为PDM）最为突出。

夹点技术以严格的热力学知识和数学理论作为基础，方法简单、灵活、实用，概念清晰，易于理解和掌握，并且可在设计前预测设计目标。

国内外许多化工装置及石油炼制项目已运用夹点技术进行改造或新建设计，取得了非常显著的节能效果。

并且随着夹点技术的深入研究，夹点技术方法本身也在不断地完善和发展。

在80年代后期又提出了超目标法（Supertargeting），双温差方法（DualApproachTemperatureMethod，简为DATM）或伪夹点技术（Pseudo－PinchDesignMethod）等。

这些发展更有利于获得结构简单，费用较低的换热网络拓扑结构，更接近于工程实际问题，因此本文重点介绍夹点技术。

夹点技术从70年代末由Linnhoff提出以来，其运用范围已经有了很大的拓展。

如今，它不仅被用于换热器网络设计，而且还用于公用工程，热能动力系统及与其他工艺过程（如分离，反应等）的联合优化。

第二节夹点技术

一、基本概念

1-1、T－H图

在合成换热器网络时，需要对每一股物流的温度、焓进行考察。

为了直观形象，便于理解，通常用图形来表示，现在常用的是T－H图。

下图是热流与冷流的T－H图，其纵坐标表示物流的温度，横坐标是物流的焓。

每一股恒热容物流的变温过程都可以用一条直线表示（包括热、冷公用工程介质）。

图（a）是表示热流的一条直线，图（b）是表示冷流的一条直线。

图Ts、TT为物流的起始温度和目标温度，每条直线在横坐标上的投影的长度就是该物流的焓差，对于热流来说是放热量，对于冷流来说是吸热量。

如果物流的热容不是常数，该物流在T－H图上可用一条曲线表示，如果物流发生相变化，它在T-H图上是一条水平线或其中一段是水平线。

应该指出。

此处的T－H图在热力学意义上并不很严格，它们可以作水平的随意移动而对所讨论问题的结果没有影响。

1-2、夹点及最小公用工程用量

冷热物流换热的极限是传热温差等于零，此时设备费用无限增大。

一般情况下为了避免设备费用过大，总是规定一个最小的传热温差，用△Tmin来表示。

对于一定的△Tmin而言，冷热物流间的换热量有一极限值，当换热量达到最大时，所需的热、冷公用工程用量最小，此时的公用工程用量称为最小公用工程用量。

当△Tmin确定之后，最小公用工程用量可以用图解法确定。

下图是一股热流与一股冷流的换热情况。

图中Qc是冷公用工程用量，Qh是热公用工程用量，Qe是热交换量。

当两条直线通过水平移动而靠近时，传热推动力减小，Qe增加，QcQh均减小，而换热器面积增加。

当某处传热温差达到△Tmin时，Qe达到最大而Hh，Qc达到最小，下图表示了这种情况。

图中Qcmin、Qhmin就是最小冷、热公用工程用量。

传热温差为△Tmin处称为夹点，其含义是该处的温度差限制了进一步的换热，在夹点处的热流温度称为热端温度，冷流温度称为冷端温度。

对于有多股热流，多股冷流的情况，同样可以绘出组合的T-H图称为组合曲线。

将表示两股物流的直线并行移动至首尾相接，这时有两种情况：

第一种情况是两股物流的温度完全不重叠，这时可将两条物流线直接用垂直线连接，即拼成两股物流的组合线，见上图所示。

第二种情况是物流的温度区间有重叠，合成组合线的方法是在温度区间重叠部分画两条平行线，连接四边形的对角线，加上两物流温度不重叠的部分，即为两物流的组合线，如图所示。

显然，组合线的焓与各个物流线的焓之和是相等的。

热、冷组合线确定后，将两条组合线画在同一个图上，使它们逐步相互靠近，直至某处的传热温差等于△Tmin为止，这时夹点位置，热、冷公用工程用量也就随之确定了。

下图是一个由组合线确定最小公用工程用量及夹点位置的例子。

一般来说，为了使换热网络中每股物流都达到目标温度，需要引入公用工程进行加热和冷却，这是因为热流放出的热量不太可能恰好等于冷流吸收的热量。

即使热物料所放出的热量大于冷物料所要吸收的热量，由于冷、热物料传热要有一定的温差，常常使得冷流所需热量无法全部取自于热流，仍然需要热公用工程，反之亦然。

当然，也有夹点不出现和只需要一种公用工程的情况，如热流的目标温度很高且焓值较大，冷流的目标温度很低且焓值较小时，夹点就不会出现。

下图是两个没有夹点的例子，其中图（a）只需要冷公用工程，图（b）只需要热公用工程。

（没有夹点的网络合成问题称为ThresholdProblem。

）工业上的换热网络一般都有夹点。

在以上的讨论中，没有涉及公用工程的温度。

实际上，已经假定了热公用工程具有足够高的温度，冷公用工程有足够低的温度，它们都能满足网络的任何加热和冷却的需要，即对于要解决的问题而言，采用的公用工程都是最高级别的。

由于不同级别的公用工程的价格是不一样的，对于相同的换热量，

（a）只需要冷公用工程（b）只需要热公用工程

冷却水比冷冻剂便宜，低压蒸汽比高压蒸汽便宜。

为了节约公用工程费用，希望尽量用便宜的公用工程介质，如有可能，应采用不同级别的公用工程进行加热或冷却。

一般情况下，引入一个新的公用工程之后网络中会产生一个新的夹点，这种由于引入公用工程而生产的夹点称为公用工程夹点。

1-3温度区间

对于有N股工艺物流进行换热是情况，可将各个物流的初始温度和目标温度，按高低顺序排列，得到一个递减的温度序列；

每相邻的两个温度作为区界温度，形成一个温度区间，这样可以形成K个温度区间。

一般情况，K≤2N-1。

注意：

为了保证相互换热的物流间有一个给定的最小温度差△Tmin，在确定区间温度时，应将热工艺物流的初始温度和目标温度均减去△Tmin作为其区间温度。

（或将冷工艺物流的初始温度和目标温度均加上△Tmin作为其区间温度。

）

例如，对于一个有4股物流的换热网络划分温度区间，物流原始数据为下表。

假设给定△Tmin的为20℃，

物流号码与类型

Ts

TT

热H1

260

138

热H2

160

93

冷C1

60

冷C2

106

220

热容流率

kW/℃

热容负荷

Kw

1冷

3.0

180

-360

2热

2.0

40

280

3冷

2.6

30

105

-195

4热

4.0

150

440

由于落入各温度区间的物流已考虑了温度推动力，所以在每个温度区间内，都可以把热量从热物流传给冷物流，每个区间的传热表达式为：

温度区间具有以下特性：

（1）可以把热量从高温区间的任何一股热物流，传给低温区间内任意一股冷物流。

（2）热量不能从低温区间的热物流向高温区间的冷物流传递。

1-4、栅格图

合成换热器网络首先应确定物流间的匹配，即哪一股热流和哪一股或几股冷流进行换热。

为了确定合适的匹配，有必要反复对各种可能的匹配进行试差，并进行各种方案的比较。

为了方便地进行这样的过程，可以将各种方案用栅格图（gridrepresentation）来表示。

如图所示的栅格图，包括物流数据和夹点位置，可以灵活和方便地进行各种物流匹配。

上图是某个网络的栅格图，网络的原始数据见下表。

在上图中，小方格中的数字是物流的编号，每一条水平线代表一股物流，在上面的是热流，下面的是冷流；

左端是高温区，右端是低温区。

小方块边上的温度是物流的起始温度，箭头边的温度是物流的目标温度。

h表示加热器，c表示冷却器，两个由一条竖线连接的小圆圈表示是一个换热器，圆圈所在的两股物流即为进行换热的冷热物流。

圆圈内的数字是换热器编号，圆圈外的数字是换热器或加热器、冷却器的热负荷，它们的单位和CpF的单位相同。

垂直的虚线表示夹点的位置，线旁的温度即为夹点温度，热、冷端温度相差△Tmin。

栅格图所示网络的原始数据

冷

热