換熱夾點(diǎn)技術(shù)基礎(chǔ)

1、第四章夾點(diǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)理論第四章夾點(diǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)理論夾點(diǎn)技術(shù)：夾點(diǎn)技術(shù)：以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，分析過程系統(tǒng)中能以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，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(wǎng)絡(luò)的溫度夾點(diǎn)首次提出換熱網(wǎng)絡(luò)的溫度夾點(diǎn)問題。問題。4.1 過程系統(tǒng)的夾點(diǎn)及其意義過程系統(tǒng)的夾點(diǎn)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(biāo)繪：圖上的標(biāo)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(jìn)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(jìn)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(gòu)造過程組合曲線的構(gòu)造過程例題：三個冷物流，構(gòu)造組合曲線。4.1.3 在在T-H圖上描述夾點(diǎn)圖上描述夾點(diǎn)凡是等于凡是等于P點(diǎn)溫度的熱流體部位和等于點(diǎn)溫度的熱流體部位和等于Q點(diǎn)溫度的冷流體部位點(diǎn)溫度的冷流體部位都是夾點(diǎn)。熱流體的夾點(diǎn)溫度與冷流體

3、的夾點(diǎn)溫度相差都是夾點(diǎn)。熱流體的夾點(diǎn)溫度與冷流體的夾點(diǎn)溫度相差Tmin。兩曲線的垂直距離兩曲線的垂直距離Tmin夾點(diǎn)描述所得信息：夾點(diǎn)描述所得信息：（1）過程系統(tǒng)的最小傳熱溫差，夾點(diǎn)部位的傳熱溫差最小；）過程系統(tǒng)的最小傳熱溫差，夾點(diǎn)部位的傳熱溫差最?。唬?）最小的公用工程加熱負(fù)荷）最小的公用工程加熱負(fù)荷QH ,min ；（3）最小的公用工程冷卻負(fù)荷）最小的公用工程冷卻負(fù)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(diǎn)將系統(tǒng)分為熱端和冷端，熱端在夾點(diǎn)溫度以上，只需）夾點(diǎn)將系統(tǒng)分為熱端和冷端，熱端在夾點(diǎn)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(diǎn)溫度以下，只需要冷端在夾點(diǎn)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(diǎn)溫度差的影響：夾點(diǎn)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(fèi)用最低的優(yōu)化值。是總費(fèi)用最低的優(yōu)化值。5.1.4 用問題表格法確定夾點(diǎn)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(jié)構(gòu)。每一級相當(dāng)于一個子網(wǎng)絡(luò)成的串級結(jié)構(gòu)。每一級相當(dāng)于一個子網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)，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(diǎn)位置。 物流標(biāo)號 熱容流率CP / ( kW/ ) 初始溫度Ts / 終了溫度Tt / 熱負(fù)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(wǎng)絡(luò)的分割，問題表格(1)： 做法：表 5-3 問題表格(1) Tmin = 20 子網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(fù)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(wǎng)絡(luò) 1(SN1) 有剩余熱量供給子網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)1 (SN1)的剩余熱量供給了子網(wǎng)絡(luò)2 (SN2) 。 O2 = I 2 D 2= 10 12.5 = 2.5 O2為負(fù)值，說明子網(wǎng)絡(luò) 2(SN2) 只能向子網(wǎng)絡(luò)3(SN3)提供負(fù)的剩余熱量（即需要子網(wǎng)絡(luò)3向子網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)5 (SN5)無剩余熱量供給了子網(wǎng)絡(luò)6 (SN6) 。 O6 = I 6 D6 =55 12.5 = 67.5 O6為負(fù)值，說明子網(wǎng)絡(luò)6(SN6) 熱量不夠，無法達(dá)到規(guī)定的傳熱要求。問題表格2 子網(wǎng)絡(luò) 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(fù)值，方法：引入公用工程加熱負(fù)荷使 I1 = 各子網(wǎng)絡(luò)中最小負(fù)數(shù)的絕對值（107.5)得：結(jié)果: O3=0, 在夾點(diǎn)處 I1=QH,min 107.5 kW （ 最小公用工程加熱負(fù)荷） O6 =Qc,min 40kW ( 最小公用工程冷卻負(fù)荷 ） 夾點(diǎn)特征： 夾點(diǎn)處系統(tǒng)傳熱溫差最小，等于T min； 夾點(diǎn)處熱流量等于0. 夾點(diǎn)介于子網(wǎng)絡(luò)3(SN3）和子網(wǎng)絡(luò)4(SN4)之間，夾點(diǎn)處熱流體溫 度90 ，冷流體溫度7

10、0 ，夾點(diǎn)溫度（界面虛擬溫度）80 。若改變最小傳熱溫差T min 15，則結(jié)果如下： 表 5-5 問題表格(1) Tmin = 15 子網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò) 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(jié)果比較：表 5-7 選用不同 Tmin 值計算結(jié)果的比較 20 107.5 40 90 70 15 80 12.5 90 75Tmin / QH,min / kWQC,min / kW夾點(diǎn)位置 / 熱物流 冷物流5.1.5 夾點(diǎn)的意義（1）夾點(diǎn)處，系統(tǒng)的傳熱溫差最?。ǖ扔趭A點(diǎn)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(diǎn)處熱流量為夾點(diǎn)處熱流量為 0 ，夾點(diǎn)將系統(tǒng)分為熱端和冷端兩個子系 統(tǒng)，熱端在夾點(diǎn)溫度以上，只需要公用工程加熱（熱阱） 冷端在夾點(diǎn)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(fù)荷 QH min 和系統(tǒng)最小的公用工程冷卻負(fù)荷QC min ，以及系統(tǒng) 最大的熱回收量QR,max ； （4）夾點(diǎn)處溫度差的影響夾點(diǎn)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(jīng)驗選取。是一個課題，一般以經(jīng)驗選取。(1)熱量不能穿透夾點(diǎn)熱量不能穿透夾點(diǎn)（2）夾點(diǎn)上）夾點(diǎn)上方不能設(shè)置公方不能設(shè)置公用工程冷卻用工程冷卻（3）夾點(diǎn)下方不能）夾點(diǎn)下方不能設(shè)置公用工程加熱設(shè)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(diǎn)上方夾點(diǎn)上方 熱阱熱阱 夾點(diǎn)下方夾點(diǎn)下方 熱源熱源夾點(diǎn)QH,min+xQC,min+x 夾點(diǎn)上方夾點(diǎn)上方 熱阱熱阱 夾點(diǎn)下方夾點(diǎn)下方 熱源熱源QH,min+yQC,miny 夾點(diǎn)上方夾點(diǎn)上方 熱阱熱阱 夾點(diǎn)下方夾點(diǎn)下方 熱源熱源QH,minQC,min+zzx5.2 準(zhǔn)確地確定過程系統(tǒng)的夾點(diǎn)位置5.2.1 準(zhǔn)確地確定夾點(diǎn)位置操作型夾點(diǎn)計算 操作型（模擬型）夾點(diǎn)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(diǎn)。方法一方法一: 采用單一的T min （或HRAT，Heat Recovery Approach Temperature)，確定夾點(diǎn)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(diǎn)位置，并得到系統(tǒng)所需的熱、 冷最小公用工程負(fù)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(fù)荷相符，此時即確定了該過程系 統(tǒng)的夾點(diǎn)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(jìn)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(xiàn)值；冷物流對傳熱溫差的貢獻(xiàn)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(xiàn)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(biāo)溫度=實際目標(biāo)溫度 - 冷物流虛擬初始溫度=實際初始溫度 + 冷物流虛擬目標(biāo)溫度=實際目標(biāo)溫度 +TTTTCjCCjCHiCHiC,（3）按5.1.4節(jié)介紹的問題表格法進(jìn)行夾點(diǎn)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(dāng)所有物流轉(zhuǎn)換成 虛擬溫度后，都已經(jīng)考慮了各物流間的傳熱溫差值；（4）打印輸出計算結(jié)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(diǎn)溫度1050C5

16、.2.2 合理地設(shè)計夾點(diǎn)位置設(shè)計型夾點(diǎn)計算設(shè)計型夾點(diǎn)計算：設(shè)計型夾點(diǎn)計算：改進(jìn)各物流間匹配換熱的傳熱溫差以及對物流工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)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(fù)荷，達(dá)到節(jié)能的目的。如何確定各物流適宜的傳熱溫差貢獻(xiàn)值，從而改善夾點(diǎn)？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(xiàn)值都確定以后，按5.2.1節(jié)介紹的操作型夾點(diǎn)計算步驟進(jìn)行夾點(diǎn)計算，確定改進(jìn)后的夾點(diǎn)位置，進(jìn)行熱回收系統(tǒng)的設(shè)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(diǎn)。5.3.1 總組合曲線的繪制（1）根據(jù)問題表格法計算的結(jié)果進(jìn)行標(biāo)繪物流標(biāo)號 熱容流率 / ( kW/ ) 初始溫度Ts / 目標(biāo)溫度Tt / 傳熱溫差貢獻(xiàn)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(biāo)號 虛擬初始溫度/ 虛擬目標(biāo)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(wǎng)絡(luò)序號 冷物流及其溫度 熱物流及其溫度 k C1 C2 H1 H212345614013511085555035307 子網(wǎng)絡(luò) 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(wǎng)絡(luò) 界面溫度 / 界面熱負(fù)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(biāo)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(bǔ)充熱量的溫位； 可以回收熱量的溫位； 夾點(diǎn)上方熱阱，只

20、需要熱公用工程； 夾點(diǎn)下方熱源，只需要冷公用工程； 過程能量綜合的背景。（2） 構(gòu)造總組合曲線 總組合曲線的繪制夾點(diǎn)計算程序夾點(diǎn)計算程序5.4 多夾點(diǎn)問題逆夾點(diǎn)逆夾點(diǎn)CK夾點(diǎn)1與夾點(diǎn)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(diǎn)問題，逐一處理。特點(diǎn)特點(diǎn)：第一個夾點(diǎn)問題的夾點(diǎn)上方（即第二段）不需要熱公用工程。第二個夾點(diǎn)問題的夾點(diǎn)下方（第三段）不需要冷卻公用工程?！皧A點(diǎn)區(qū)夾點(diǎn)區(qū)”第1個夾點(diǎn)與第2個夾點(diǎn)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(diǎn)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