化工過(guò)程分析與合成7

1、第七章第七章 換熱換熱網(wǎng)絡(luò)合成網(wǎng)絡(luò)合成 換熱是化工生產(chǎn)不可缺少的單元操作過(guò)程。 對(duì)于一個(gè)含有換熱物流的工藝流程，將其中的換熱物流提取出來(lái)，組成了換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 其中被加熱的物流稱為冷物流，被冷卻的物流稱為熱物流。 換熱的目的不僅是為了使物流溫度滿足工藝要求，而且也是為了回收過(guò)程余熱，減少公用工程消耗。 基于這種思想進(jìn)行的換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)稱為換熱網(wǎng)絡(luò)合成。 換熱網(wǎng)絡(luò)合成的任務(wù)，是確定換熱物流的合理匹配方式，從而以最小的消耗代價(jià)，獲得最大的能量利用效益。 換熱網(wǎng)絡(luò)的消耗代價(jià)來(lái)自三個(gè)方面：，換熱網(wǎng)絡(luò)合成追求的目標(biāo)，是使這三方面的消耗都為最小值。 實(shí)際進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，需要在某方面做出犧牲，以獲得一個(gè)的方

2、案。 一組需要冷卻熱物流H和一組需要加熱的冷物流C，每條物流的熱容流率FCp，熱物流從初始溫度TH初冷卻到目標(biāo)TH終，冷物流從初始溫度TC初加熱到目標(biāo)溫度TC終。 通過(guò)確定物流間的匹配關(guān)系，使所有的物流均達(dá)到它們的目標(biāo)溫度，同時(shí)使裝置成本、公用工程（外部加熱和冷卻介質(zhì)）消耗成本最少。Hohmann的開(kāi)創(chuàng)性工作。!在溫焓圖上進(jìn)行過(guò)程物流的熱復(fù)合，找到了換熱網(wǎng)絡(luò)的能量最優(yōu)解，即最小公用消耗；!提出了換熱網(wǎng)絡(luò)最少換熱單元數(shù)的計(jì)算公式。!意義在于從理論上導(dǎo)出了換熱網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)理想狀態(tài)，從而為換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)指明了方向Linnhoff和Flower的工作 合成能量最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)。 從熱力學(xué)的角度出發(fā)，劃分溫度

3、區(qū)間和進(jìn)行熱平衡計(jì)算，這樣可通過(guò)簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算就能找到能量最優(yōu)解（即最小公用工程消耗），這就是著名的溫度區(qū)間法（簡(jiǎn)稱TI法） 對(duì)能量最優(yōu)解進(jìn)行調(diào)優(yōu)。 夾點(diǎn)（Pinch Point ）概念以及夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法的建立 人工智能方法的建立 7.3.1 7.3.1 第一定律分析)(終初TTFCpQ物流號(hào)類型FCp,KW/T初, T終, 熱量Q,kW1冷3.060180-3602熱2.0180402803冷2.630105-1954熱4.015040440165 如果沒(méi)有溫度推動(dòng)力的限制，就必須由公用工程系統(tǒng)提供165kW的熱量 第一定律計(jì)算算法沒(méi)有考慮一個(gè)事實(shí)，即：只有熱物流溫度超過(guò)冷物流時(shí)，才能把熱量由熱

4、物流傳到冷物流。 因此所開(kāi)發(fā)的任何換熱網(wǎng)絡(luò)既要滿足第一定律，還要滿足第二定律 首先根據(jù)工程設(shè)計(jì)中傳熱速率要求，設(shè)置冷、熱物流之間允許的的最小溫差Tmin 將熱物流的起始溫度與目標(biāo)溫度減去最小允許溫差Tmin，然后與冷物流的起始、目標(biāo)溫度一起按從在到小排序，分別用T1、T2、Tn+1表示，從而生成n個(gè)溫度區(qū)間。 冷、熱物流按各自的始溫、終溫落入相應(yīng)的溫度區(qū)間（注意，熱物流的始溫、終溫應(yīng)減去最小允許溫差Tmin）。 落入各溫度區(qū)間的物流已考慮了溫度推動(dòng)力，所以在每個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)都可以把熱量從熱物流傳給冷物流，即熱量傳遞滿足第二定律。 每個(gè)區(qū)間的傳熱表達(dá)式為iiCiHiTFCpFCpQ)()(.溫度區(qū)

5、間具有以下特性：溫度區(qū)間具有以下特性： 可以把熱量從高溫區(qū)間內(nèi)的任何一股熱物流傳給低溫區(qū)間內(nèi)的任何一股冷物流。 熱量不能從低溫區(qū)間的熱物流向高溫區(qū)間的冷物流傳遞。例7-17-1 最小允許溫差Tmin為10 ， 劃分溫度區(qū)間* 將熱物股的初、終溫度分別減去Tmin后，與冷物流的初、終溫度一起排序，得到溫度區(qū)間的端點(diǎn)溫度值T1=180 T2=170 T3=140 T4=105 T5=60 T6=30一、問(wèn)題表一、問(wèn)題表1. 確定溫區(qū)端點(diǎn)溫度T1、T2、Tn+1，將原問(wèn)題劃分為n個(gè)溫度區(qū)間。2. 對(duì)每個(gè)溫區(qū)進(jìn)行流股焓平衡，以確定熱量?jī)粜枨罅緿i 區(qū)間的凈熱需求量Ii 輸入到第i個(gè)溫區(qū)的熱量，這個(gè)量或

6、表示從第i-1個(gè)溫區(qū)傳遞的熱量，或表示從外部的加熱器獲得的熱量；i 從第i個(gè)溫區(qū)輸出的熱量。這個(gè)量或表示傳遞給第i+1個(gè)子溫區(qū)的熱量，或表示傳遞給外部冷卻器的熱量。)(1HCiiiiiFCpFCpTTQID3. 設(shè)第一個(gè)溫區(qū)從外界輸入的熱量I1為零，則該溫區(qū)的熱量輸出Q1為：（74） 在根據(jù)溫度區(qū)間之間熱量傳遞特性，并假定各溫度區(qū)間與外界不發(fā)生熱量交換，則有：（75）（76） 利用上述關(guān)系計(jì)算得到的結(jié)果列入問(wèn)題表。1111DDIQiiQI11111iiiiiDQDIQ4. 若i為正值，則表示熱量從第i個(gè)溫區(qū)向第i+1個(gè)溫區(qū)，這種溫度區(qū)間之間的熱量傳遞是可行的。 若i為負(fù)值，則表示熱量從第i+1

7、個(gè)溫區(qū)向第i個(gè)溫區(qū)傳遞，這種傳遞是不可行的。 為了保證i均為正值，可取步驟3中計(jì)算得到的所有i中負(fù)數(shù)絕對(duì)最大值作為第一個(gè)溫區(qū)的輸入熱量，重新計(jì)算。 如果上一步計(jì)算得到的i均為正值，則這步計(jì)算是不必要的例例7-2:7-2:利用例7-1中的數(shù)據(jù)，計(jì)算該系統(tǒng)所需的最小公用工程消耗。假設(shè)熱公用工程為蒸汽，冷公用工程為冷卻水，它們的品位及負(fù)荷足以滿足物流的使用 解：按問(wèn)題表計(jì)算步驟，得到的問(wèn)題表7-2 列12345流股與溫度T，最大允許熱流量，kW溫區(qū)熱流股(2) (4)180冷流股(1) (3)TiTi+1CPC-CPHDiIiQi輸入輸出1180170103.0+300-30+60+30215014

8、0301.0+30-30-60+300311510535-3.0-105-60+450+1054706045-0.4-18+45+63+105+1235403030-3.4-102+63+165+123+225FCP2.0 4.03.0 2.6 第3列最下面的數(shù)字表示由第一定律得到的該熱回收網(wǎng)絡(luò)所需的最小冷卻量； 第4列最上面的數(shù)字表示該熱回收網(wǎng)絡(luò)所需的最小外加熱量； 第5列最下面的數(shù)字表示該熱回收網(wǎng)絡(luò)所需的最小外冷卻量； 若熱回收網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最大能量回收，則所需要的公用工程消耗等于表中最小外加熱、冷卻量。利用問(wèn)題表方法可以計(jì)算換熱網(wǎng)絡(luò)所需的最小公利用問(wèn)題表方法可以計(jì)算換熱網(wǎng)絡(luò)所需的最小公用工程消

9、耗值。此時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部的能量得到最大用工程消耗值。此時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部的能量得到最大程度的回收程度的回收二、二、 夾點(diǎn)的概念?yuàn)A點(diǎn)的概念表7-2的第4列、第5列表示公用工程消耗最小時(shí)，高溫區(qū)與低溫區(qū)之間以及與環(huán)境之間熱量流動(dòng)。這種熱量流動(dòng)可以用溫區(qū)熱流圖來(lái)表示SN1SN2SN3SN4SN5QHmin=60kWQCmin=225kW30kW0105kW123kW 從圖7-3中可以直觀地看到溫區(qū)之間的熱量流動(dòng)關(guān)系和所需最小公用工程用量。 其中SN2和SN3間的熱量流動(dòng)為零，表示無(wú)熱量從SN2流向SN3。這個(gè)熱流量為零的點(diǎn)稱為。 對(duì)熱物流來(lái)說(shuō)，此點(diǎn)為150，對(duì)于冷物流來(lái)說(shuō)，此點(diǎn)為140 從熱流圖中可以看出，夾

10、點(diǎn)將整個(gè)溫度區(qū)間分為了兩部分 夾點(diǎn)之上需要從外部獲取熱量，而不向外部提供任何熱量，即需要加熱器； 夾點(diǎn)之下可以向外部提供熱量，而不需要從外部獲取熱量，即需要冷卻器。 夾點(diǎn)的物理意義可以通過(guò)溫焓圖（T-H圖）來(lái)描述 對(duì)于同一個(gè)溫度區(qū)間的冷物流或熱物流，由于溫差相同，只需將冷熱流、熱物流的熱容流率分別相加再乘上溫差，就能得到冷物流或熱物流的總熱量 冷物流或熱物流的熱量與溫差的關(guān)系可以用冷物流或熱物流的熱量與溫差的關(guān)系可以用T TH H圖上的一條曲線表示，稱之組合曲線圖上的一條曲線表示，稱之組合曲線iiFCpTTQH)(初終 TH圖上的焓值是相對(duì)的?；鶞?zhǔn)點(diǎn)可以任何選取 對(duì)于熱物流，取所有熱物流中最低

11、溫度T，設(shè)在T時(shí)的H=HH0，以此作為焓基準(zhǔn)點(diǎn)。從T開(kāi)始向高溫區(qū)移動(dòng)，計(jì)算每一個(gè)溫區(qū)的積累焓，用積累焓對(duì)T作圖，得到熱物流的組合曲線 對(duì)于冷物流，取所有冷物流中最低溫度T，設(shè)在T時(shí)的H=HC0（HC0 HH0），以此作為焓基準(zhǔn)點(diǎn)。從T開(kāi)始向高溫區(qū)移動(dòng)，計(jì)算每一個(gè)溫區(qū)的積累焓，用積累焓對(duì)T作圖，得到冷物流的組合曲線例例7-37-3 根據(jù)例根據(jù)例7-27-2的數(shù)據(jù)，用的數(shù)據(jù)，用T TH H圖表示冷、熱物圖表示冷、熱物流的組合曲線流的組合曲線解： 熱物流的最低溫度T=40，設(shè)其對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)焓HH00。 冷物流的最低溫度T=30，對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)焓HC0=1000。 用溫度區(qū)間的端點(diǎn)溫度對(duì)各溫區(qū)的積累焓在TH

12、上作圖，得到冷、熱物流的組合曲線T 積累焓H kW 熱流40H0=0070H1（2+4 ） （7040）180180115H2（2+4 ） （11570）270450150H3（2+4 ） （150115）210660180H42（180150）60720 冷流30H1000100060H12.6（6030）781078105H（3+2.6） （10560）2521330140H3（140105）1051435180H3（180140）1201555TH 由于TH圖上的H值為相對(duì)值，因此曲線可以沿H軸平移而不會(huì)改變換熱量?；谶@一特點(diǎn)，可以用TH圖來(lái)描述夾點(diǎn) 將冷物流的組合曲線沿H軸向左平移，

13、這時(shí)兩條曲線之間的垂直距離隨曲線的移動(dòng)而逐漸減小，也就是說(shuō)傳熱溫差T逐漸減小 當(dāng)兩條曲線的垂直最小距離等于最小允許傳熱溫差Tmin時(shí)，就達(dá)到了實(shí)際可行的極限位置。這個(gè)極限位置的幾何意義就是冷、熱物流組合曲線間垂直距離最小的位置050100150200H kWTQCmin=225kWTmin最大回收熱量 495kWQHmin=60kW 兩條曲線端點(diǎn)的水平差值分別代表最小冷、熱公用工程，以及最大熱回收量（即最大換熱量）。 這個(gè)位置的物理意義表示為一個(gè)熱力學(xué)限制點(diǎn)。這一點(diǎn)限制了冷、熱物流進(jìn)一步作熱交換，使冷、熱公用工程都達(dá)到了最小值，這時(shí)物流間的匹配滿足能量利用最優(yōu)的要求 相同溫度區(qū)間的物流間的組合

14、稱為過(guò)程物流的熱復(fù)合。如果不進(jìn)行過(guò)程物流的熱復(fù)合，只是把兩股冷流和兩股熱流進(jìn)行常規(guī)匹配，則存在兩個(gè)熱力學(xué)限制1. 過(guò)程物流熱復(fù)合可以減少整個(gè)換熱過(guò)程的熱力學(xué)限制數(shù)2. 經(jīng)熱復(fù)合后只剩一個(gè)熱力學(xué)限制點(diǎn)，即夾點(diǎn)。這時(shí)，過(guò)程需要的公用工程用量可達(dá)到最小 夾點(diǎn)的能量特性 夾點(diǎn)限制了能量的進(jìn)一步回收，它表明了換熱網(wǎng)絡(luò)消耗的公用工程用量已達(dá)到最小狀態(tài)。求解能量最優(yōu)的過(guò)程就是尋找?jiàn)A點(diǎn)的過(guò)程夾點(diǎn)的位置特性 夾點(diǎn)把整個(gè)問(wèn)題分解成了夾點(diǎn)上熱端與夾點(diǎn)下冷端兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng) 在夾點(diǎn)之上，換熱網(wǎng)絡(luò)僅需要熱公用工程，因而是一個(gè)熱阱。在夾點(diǎn)之下，換熱網(wǎng)絡(luò)只需要冷公用工程，因而是一個(gè)熱源 夾點(diǎn)以上熱物流與夾點(diǎn)下冷物流的匹配（

15、熱量穿過(guò)程夾點(diǎn)），將導(dǎo)致公用工程用量的增加 設(shè)有x單位熱量從夾點(diǎn)流過(guò)，根據(jù)焓平衡，必將使夾點(diǎn)之上熱公用工程用量增加x單位，同時(shí)也使夾點(diǎn)之下的冷公用工程用量增加x單位。yQCmin+zQCminQCmin+x熱阱xQHmin+x熱阱0QHmin+y熱阱0QHmin熱源熱源熱源z結(jié)論結(jié)論 避免夾點(diǎn)之上熱物流與夾點(diǎn)之下冷物流間的匹配 夾點(diǎn)之上禁用冷卻器 夾點(diǎn)之下禁用加熱器夾點(diǎn)的傳熱特性?shī)A點(diǎn)的傳熱特性 組合曲線上斜率發(fā)生變化的點(diǎn)，稱為角點(diǎn) 凡是流股進(jìn)入處或離開(kāi)處，均引起組合曲線熱容流率的變化，從而形成角點(diǎn) 夾點(diǎn)一定出現(xiàn)在角點(diǎn)或組合曲線的端點(diǎn)處 夾點(diǎn)是整個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)傳熱推動(dòng)力T最小的點(diǎn) 所以在夾點(diǎn)附近從夾

16、點(diǎn)向兩端的T是增加的。這是由于在夾點(diǎn)的一側(cè)，流入夾點(diǎn)流股的熱容流率之和總是小于或等于流出夾點(diǎn)流股的熱容流率之和流入流出FCpFCp 對(duì)沒(méi)有流入夾點(diǎn)的流股4我們稱這為從夾點(diǎn)進(jìn)入的流股，流股1和2為通過(guò)夾點(diǎn)的流股 對(duì)任意一條組合曲線而言，流入夾點(diǎn)的流股數(shù)應(yīng)小于或等于流出夾點(diǎn)的流股數(shù)（7-9）1423流出流入FCp=260夾點(diǎn)流出流出流入FCp=4FCp=3FCp=2.6212+41TQ1+3流入流出NN7.4 7.4 夾點(diǎn)法設(shè)計(jì)能量夾點(diǎn)法設(shè)計(jì)能量 最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò) 目標(biāo)：在公用工程用量最少的前提下尋求設(shè)備投資最少（即換熱單元數(shù)最少）。 包括：一是公用工程消耗最少，二是換熱單元數(shù)最少。

17、實(shí)際上，這個(gè)目標(biāo)很難同時(shí)滿足，也就是說(shuō)，當(dāng)公用工程消耗最少時(shí)，不能保證換熱單元數(shù)最小。為了減少換熱單元數(shù)，往往要犧牲一些能量消耗。 因此在設(shè)計(jì)換熱網(wǎng)絡(luò)時(shí)，存在能量與換熱設(shè)備數(shù)的折衷問(wèn)題。 在實(shí)際進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，一般是先找出最小公用工程消耗，即先設(shè)計(jì)能量最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)，然后再采取一定的方法，減少換熱單元數(shù)，從能量和設(shè)備數(shù)上對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)優(yōu)。 因?yàn)閵A點(diǎn)處溫差最小，限制最嚴(yán)，一旦離開(kāi)夾點(diǎn)，選擇余地就加大了。由于夾點(diǎn)處的特性，導(dǎo)致夾點(diǎn)處的匹配不能隨意進(jìn)行 為了保證設(shè)計(jì)出的換熱網(wǎng)絡(luò)能量最優(yōu)，可以把原問(wèn)題分解成兩個(gè)部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)夾點(diǎn)匹配與非夾點(diǎn)匹配(a) 夾點(diǎn)匹配;(b)匹配(2)不是夾點(diǎn)匹配 (c)

18、 匹配(3)不是夾點(diǎn)匹配1） 總物流數(shù)可行性原則總物流數(shù)可行性原則 某些過(guò)程流通過(guò)夾點(diǎn)時(shí)，為了達(dá)到夾點(diǎn)溫度，必須利用匹配進(jìn)行換熱 因?yàn)閵A點(diǎn)之上使用外部冷卻器會(huì)使總公用工程消耗增大，從而達(dá)不到能量最優(yōu)的目的 利用流股分割可以避免夾點(diǎn)之上使用冷卻器 為了保證能量最優(yōu)，夾點(diǎn)之上的物流數(shù)應(yīng)滿足NH為熱流股數(shù)或分支數(shù)，NC冷流股數(shù)或分支數(shù)。 流股的分割可以保證上式成立CHNN 相反，為了避免在夾點(diǎn)之下使用加熱器，以保證能量最優(yōu)，夾點(diǎn)之下的流股數(shù)應(yīng)滿足CHNN 夾點(diǎn)上下的總物流數(shù)可行性原則可歸并成下式（夾點(diǎn)一側(cè)）（7-12） 若上式不滿足，則必須對(duì)流出夾點(diǎn)的流股作分割。是對(duì)夾點(diǎn)一是對(duì)夾點(diǎn)一側(cè)的流股數(shù)進(jìn)行比

19、較的側(cè)的流股數(shù)進(jìn)行比較的流入流出NN2. FCp可行性原則可行性原則 夾點(diǎn)處的傳熱推動(dòng)力達(dá)到最小允許傳熱溫差Tmin，在離開(kāi)夾點(diǎn)處應(yīng)有 為了保證傳熱推力T不小于Tmin,每個(gè)夾點(diǎn)匹配流股的熱容流率FCp必須滿足下列FCp不等式 夾點(diǎn)之上： 夾點(diǎn)之下： FCpH 為熱流股或分支的熱容流率 FCpC為冷流股或分支的熱容流率minTTCHFCpFCpCHFCpFCp 夾夾點(diǎn)點(diǎn)之之上上可可行行匹匹配配夾夾點(diǎn)點(diǎn)之之下下可可行行匹匹配配夾夾點(diǎn)點(diǎn)之之上上不不可可行行匹匹配配夾夾點(diǎn)點(diǎn)之之下下不不可可行行匹匹配配 同樣，F(xiàn)Cp可行性原則也可歸并（夾點(diǎn)一側(cè)）：（7-16） 如果流股間的各種匹配組合均不能滿足上式，

20、則需利用流股分割來(lái)改變流股的FCp值 注意，上式僅適用于夾點(diǎn)匹配。非夾點(diǎn)匹配時(shí)溫差較大，對(duì)匹配的限制不象夾點(diǎn)處那樣苛刻流入流出FCpFCp夾點(diǎn)處設(shè)計(jì)過(guò)程夾點(diǎn)處設(shè)計(jì)過(guò)程 例7-4 利用夾點(diǎn)設(shè)計(jì)方法對(duì)表7-4中的物流進(jìn)行匹配流股及類型熱容流率CPkW/T初T終1 熱2150602 熱890603 冷2.5201254 冷3.025100 最小允許傳熱溫差Tmin 為20 利用問(wèn)題表法計(jì)算得到：最小加熱量為107.5 kW，最小冷卻量為40kW，夾點(diǎn)位置在90-70 對(duì)于夾點(diǎn)之上物流匹配情況如圖所示 對(duì)于夾點(diǎn)之下的2條熱物流，只有流股2的熱容流率大于冷物流，它可以與任意一條冷物流匹配，問(wèn)題是剩下的物

21、流則無(wú)法進(jìn)行匹配。 因此需要對(duì)夾點(diǎn)之下的熱物流作分割?yuàn)A點(diǎn)之上的匹配夾點(diǎn)之上的匹配冷冷端端的的 FCP 表表不不可可行行夾夾點(diǎn)點(diǎn)匹匹配配拓拓樸樸結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)采用采用FCpFCp表來(lái)分割物流表來(lái)分割物流 把夾點(diǎn)之上或夾點(diǎn)之下的冷、熱物流的熱容流率按照數(shù)值的大小分別排成兩列列入FCp表，將可行性判據(jù)列于表頭。 每個(gè)FCp值代表一個(gè)流股，那些必須參加匹配的FCp值用方框圈起 夾點(diǎn)匹配表現(xiàn)為一對(duì)冷、熱流股FCp值的結(jié)合，分割后的流股熱容流率寫在原流股熱容流率旁邊?？煽尚行袏A夾點(diǎn)點(diǎn)匹匹配配拓拓樸樸結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) 由于熱流股數(shù)可大于冷流股數(shù)，所以圖c中的冷流股（FCp=2.5）的分割在最終設(shè)計(jì)中是可以省略的。 需要強(qiáng)

22、調(diào)指出的是，F(xiàn)Cp表只能幫助我們識(shí)別分割的流股，而并不真正代表最終設(shè)計(jì)中分割流股的分流值（即分支的FCp值）。冷冷端端的的兩兩個(gè)個(gè)可可行行設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)按按 FCp 表表匹匹配配得得到到的的熱熱回回收收網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò) 通過(guò)FCp表，確定了夾點(diǎn)處可分割的對(duì)象流股。 在具體安排匹配時(shí)，必須盡量減少換熱單元數(shù)。圖d中的FCp值進(jìn)行流股分流和匹配，換熱單元數(shù)為5，多出了一個(gè)換熱單元。因此不能直接按FCp表中的FCp值進(jìn)行分流和匹配。 勾銷推斷法是以最小換熱單元數(shù)Umin為目標(biāo)進(jìn)行匹配的直觀推斷法則，它可以指導(dǎo)我們進(jìn)行流股的匹配。 如果每個(gè)匹配均可使其中一個(gè)流股達(dá)到其目標(biāo)溫度或達(dá)到排給公用工程的要求，那么該流股在以

23、后的設(shè)計(jì)中不必再考慮，可以勾銷。 夾點(diǎn)匹配通?？蛇x擇匹配熱負(fù)荷等于兩匹配流股中熱負(fù)荷小的那個(gè)流股的熱負(fù)荷，從而可使該流股在匹配中被勾銷。 熱回收網(wǎng)絡(luò)綜合問(wèn)題在夾點(diǎn)處分解成冷端和熱端兩個(gè)子問(wèn)題 對(duì)冷端和熱端分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用可行性準(zhǔn)則確定分割流股 用勾銷推斷法確定夾點(diǎn)匹配的熱負(fù)荷 非夾點(diǎn)匹配通常是較自由的，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行匹配夾夾點(diǎn)點(diǎn)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)法法對(duì)對(duì)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)的的結(jié)結(jié)果果7.5 7.5 換熱網(wǎng)絡(luò)的調(diào)優(yōu)換熱網(wǎng)絡(luò)的調(diào)優(yōu)7.5.1 7.5.1 最小換熱單元數(shù)最小換熱單元數(shù) 在利用夾點(diǎn)法設(shè)計(jì)能量最優(yōu)的換熱網(wǎng)絡(luò)時(shí)，原問(wèn)題被分解成兩個(gè)子系統(tǒng)（冷端和熱端），這兩個(gè)子系統(tǒng)是不相關(guān)的（它們之間不允許匹配）。 所以它的

24、最小換熱單元數(shù)為兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的最少換熱單元數(shù)之和夾點(diǎn)下夾點(diǎn)上) 1() 1(min,CHCHENNNNU可知： 若夾點(diǎn)上無(wú)熱流股，且?jiàn)A點(diǎn)以下無(wú)冷流股，則 若夾點(diǎn)在換熱網(wǎng)絡(luò)的一端，即不存在夾點(diǎn)以下或夾點(diǎn)以下部分，則 當(dāng)夾點(diǎn)上、下同時(shí)存在冷、熱流股時(shí)，有minmin, 2UNNUCHEminmin,UUEminmin, UUE 即換熱網(wǎng)絡(luò)不能同時(shí)滿足能量最優(yōu)和單元數(shù)最少的要求。 能量最優(yōu)可保證操作費(fèi)用最低，單元數(shù)最少可使設(shè)備費(fèi)用最低，因而存在著操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)之間的權(quán)衡 夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法得到的結(jié)構(gòu)處于最小公用工程消耗狀態(tài)，而勾銷推斷法基本上可以保證兩個(gè)子系統(tǒng)中換熱單元數(shù)最少。當(dāng)兩個(gè)子系統(tǒng)組合成原系統(tǒng)時(shí)引起了

25、換熱單元數(shù)的過(guò)剩Linnhoff結(jié)論： 換熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)際換熱單元數(shù)比最少換熱單元數(shù)每多出一個(gè)單元，都對(duì)應(yīng)著一個(gè)獨(dú)立熱負(fù)荷回路。 換熱負(fù)荷可以沿?zé)嶝?fù)荷回路進(jìn)行“加”、“減”， “加”、“減”地遷移，而不改變?cè)摶芈返臒崞胶?上例中匹配1和匹配4構(gòu)成一個(gè)熱負(fù)荷回路，匹配4可以向匹配1遷移并與其合并，從而可減少一個(gè)換熱單元。 此時(shí)，T1與T2間的溫差為18，違反了最小允許傳熱溫差（Tmin=20）的約束。 所以這樣簡(jiǎn)單地合并是不可行的，還必須借助于“能量松弛法”來(lái)恢復(fù)最小傳熱溫差能量松弛法 把換熱網(wǎng)絡(luò)從最大能量回收的緊張狀態(tài)把換熱網(wǎng)絡(luò)從最大能量回收的緊張狀態(tài)“松弛松弛”下來(lái)下來(lái) 通過(guò)調(diào)整參數(shù)，使能量回收減

26、少，公用工程消耗加大，從而使傳熱溫差加大，在TH圖上表現(xiàn)為冷、熱組合曲線拉開(kāi)距離。 為此，要在打開(kāi)回路的基礎(chǔ)上找到一個(gè)熱負(fù)荷通路，使外部加熱器與外部冷卻器通過(guò)違反溫差的匹配而相互連通（匹配1）。 如果使匹配1減少熱負(fù)荷x單位，根據(jù)熱平衡，熱負(fù)荷通路上的加熱器與冷卻器要相應(yīng)地增加熱負(fù)荷x單位。 匹配1的熱負(fù)荷Q為 通過(guò)能量松弛法，將T1與T2間的溫差恢復(fù)到20，并減少了一個(gè)換熱器，但這是通過(guò)增加4個(gè)單位加熱量和冷卻量獲得的（匹配4）)150(14021TCPxQ282621min2CPTT4)82150(2140 x綜上，對(duì)已滿足最小公用消耗的換熱網(wǎng)絡(luò)，如果換熱單元數(shù)不是最少，可采用以下步驟調(diào)整

27、1）找出獨(dú)立的熱負(fù)荷回路2）沿?zé)嶝?fù)荷回路增加或減少熱負(fù)荷來(lái)斷開(kāi)回路3）檢查合并后的換熱單元是否違反最小傳熱溫差Tmin4）利用能量松弛法求最小能量松弛量，恢復(fù)Tmin 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，對(duì)于合并的回路是否一定要進(jìn)行能量松弛來(lái)恢復(fù)最小傳熱溫差，取決于合并后換熱單元的傳熱溫差值是否可行。如上例中匹配4的最小溫差變?yōu)?8, 在實(shí)際應(yīng)用中，這一溫差仍是可行的，因此不必進(jìn)行能量松弛 圖7-22b是換熱單元與加熱器構(gòu)成的回路，同樣換熱單元與冷卻器也可構(gòu)成回路。圖7-22c是換熱單元與冷卻器和加熱器構(gòu)成的回路，后面第7.6.3節(jié)的老廠改造問(wèn)題例子就涉及到這種類型的回路比較復(fù)雜的回路 當(dāng)x等于L2或L3時(shí)可以斷開(kāi)

28、回路，即將L2合并到L1上，或?qū)4合并到L3上。 同樣也可以使x等于L1或L4來(lái)斷開(kāi)回路，即將L1合并到L2上，或?qū)3合并到L4上。 由此可知，即斷開(kāi)回路的方式有多種選擇。7.5.3 7.5.3 T Tminmin的選擇的選擇 實(shí)際設(shè)計(jì)中，Tmin的選擇與換熱網(wǎng)絡(luò)的操作及設(shè)備成本有直接關(guān)系 熱公用工程和冷公用工程都隨Tmin的增加而增大，而且二者用量平行增加 對(duì)于設(shè)備費(fèi)用，Tmin存在一個(gè)最佳值。 當(dāng)Tmin等于零時(shí)，所需換熱面積無(wú)限大，導(dǎo)致設(shè)備投資無(wú)限大，而公用工程消耗達(dá)到最小值，兩項(xiàng)成本的總和趨于無(wú)窮大。 當(dāng)Tmin的增加時(shí)，夾點(diǎn)處換熱器面積的減小，設(shè)備投資費(fèi)用也迅速下降，但超過(guò)最低值后，由于外加熱 、冷卻單元數(shù)增加，設(shè)備投資