换热夹点技术基础

第四章夹点技术的基础理论夹点技术：以热力学为基础，分析过程系统中能量流沿温度的分布，从而发现系统用能的“瓶颈”（Bottleneck）所在，并给以“解瓶颈”（Debottleneck）的一种方法。1978年，Linnhoff首次提出换热网络的温度夹点问题。4.1过程系统的夹点及其意义4.1.1T-H图(温-焓图)HTTcWQstp)(pstcWHTTHT1斜率W·cp-热容流率线段AB有二个特征。不同物流在T-H图上的标绘：冷物流热物流纯组分气化纯组分冷凝多组分气化多组分冷凝4.1.2组合曲线(Compositecurve)将系统的物流组合起来，以便于进行过程的冷、热物流的合理匹配。组合方法：组合曲线的构造过程例题：三个冷物流，构造组合曲线。4.1.3在T-H图上描述夹点凡是等于P点温度的热流体部位和等于Q点温度的冷流体部位都是夹点。热流体的夹点温度与冷流体的夹点温度相差ΔTmin。两曲线的垂直距离＝ΔTmin夹点描述所得信息：（1）过程系统的最小传热温差，夹点部位的传热温差最小；（2）最小的公用工程加热负荷QH,min；（3）最小的公用工程冷却负荷QC,min；（4）系统最大的热回收量QR,max；（5）夹点将系统分为热端和冷端，热端在夹点温度以上，只需要公用工程加热（热阱）;冷端在夹点温度以下，只需要冷公用工程冷却(热源)。夹点温度差的影响：ΔTmin大，QH,min、QC,min增大，QR,max减小适宜的ΔTmin是总费用最低的优化值。5.1.4用问题表格法确定夹点热级联：每个单元都是相似的传热过程组成的串级结构。每一级相当于一个子网络第k级的热平衡(k=1、2、3、4、…..K)输出=输入-赤字Ok=Ik-DkDk=（∑CPC-∑CPH）(Tk-Tk+1)Dk+1T1TkTk+1I1IkIk+1IKD1DkDKOkO1OkOk+1热级联－虚拟的结构，同一温位的物流集中于同一级。例5-2一过程系统含有的工艺物流为2个热物流及2个冷物流，给定的数据列于表5-2中，并选热、冷物流间最小允许传热温差△Tmin=20℃,试确定该过程系统的夹点位置。物流标号热容流率CP/(kW/℃)初始温度Ts/℃终了温度Tt/℃热负荷Q/kWH12.015060180.0H28.09060240.0C12.520125262.5C23.025100225.0表5-2例5-2的物流数据子网络的分割，问题表格(1)：做法：表5-3问题表格(1)△Tmin=20℃子网络序号冷物流及其温度热物流及其温度kC1C2/℃H1H2/℃SN1SN2SN3SN4SN5SN6150145120906012510070402520对子网络进行热衡算：Ok=Ik-DkDk=（∑CPC-∑CPH）(Tk-Tk+1)k=1，（温度间隔为150～145℃)D1=（0－2)×(150－145)=-10（负赤字表示有剩余热量10kW）I1=0（无外界输入热量）O1=I1－D1=0－(-10)=10O1为正值，说明子网络1(SN1)有剩余热量供给子网络2(SN2)k=2，（温度间隔为145～120℃)D2=（2.5－2)×(145－120)=12.5（正号表示有热量赤字12.5kW）I2=O1=10子网络1(SN1)的剩余热量供给了子网络2(SN2)。O2=I2－D2=10－12.5=－2.5O2为负值，说明子网络2(SN2)只能向子网络3(SN3)提供负的剩余热量（即需要子网络3向子网络2供给热量，但这是不可能的）。k=6，（温度间隔为25～20℃)D6=2.5×(25－20)=12.5（正号表示有热量赤字12.5kW）I6=O5=－55子网络5(SN5)无剩余热量供给了子网络6(SN6)。O6=I6－D6=－55－12.5=－67.5O6为负值，说明子网络6(SN6)热量不够，无法达到规定的传热要求。问题表格2子网络赤字热量/kW无外界输入热量热量/kW外界输入最小热量序号Dk/kWIkOkIkOk表5-4问题表格(2)△Tmin=20℃SN1-10.0010.0107.5117.5SN212.510.0-2.5117.5105.0SN3105.0-2.5-107.5105.00SN4-135.0-107.527.50135.0SN582.527.5-55.0135.052.5SN612.5-55.0-67.552.540.0过程分析：消除I或O的负值，方法：引入公用工程加热负荷使I1=各子网络中最小负数的绝对值（107.5)得：结果:O3=0,在夹点处I1=QH,min＝107.5kW（最小公用工程加热负荷）O6=Qc,min＝40kW(最小公用工程冷却负荷）夹点特征：夹点处系统传热温差最小，等于ΔTmin；夹点处热流量等于0.夹点介于子网络3(SN3）和子网络4(SN4)之间，夹点处热流体温度90℃，冷流体温度70℃，夹点温度（界面虚拟温度）80℃。若改变最小传热温差ΔTmin＝15℃，则结果如下：表5-5问题表格(1)△Tmin=15℃子网络序号冷物流及其温度热物流及其温度kC1C2℃H1H2123456150140115906012510075452520问题表格（2）子网络赤字热量/kW无外界输入热量热量/kW外界输入最小热量序号Dk/kWIkOkIkOk表5-6问题表格(2)△Tmin=15℃1-2002080100212.5207.510087.5387.57.5-8087.504-135-80550135511055-5513525612.5-55-67.52512.5结果比较：表5-7选用不同△Tmin值计算结果的比较20107.5409070158012.59075△Tmin/℃QH,min/kWQC,min/kW夹点位置/℃热物流冷物流5.1.5夹点的意义（1）夹点处，系统的传热温差最小（等于ΔTmin），系统用能瓶颈位置；（2）夹点处热流量为0，夹点将系统分为热端和冷端两个子系统，热端在夹点温度以上，只需要公用工程加热（热阱）冷端在夹点温度以下，只需要公用工程冷却（热源）；（3）在一定的ΔTmin下，确定了系统最小的公用工程加热负荷QHmin和系统最小的公用工程冷却负荷QCmin，以及系统最大的热回收量QR,max；（4）夹点处温度差的影响ΔTmin大，QH,min、QCmin增大，QR,max减小。适宜的ΔTmin是一个课题，一般以经验选取。(1)热量不能穿透夹点（2）夹点上方不能设置公用工程冷却（3）夹点下方不能设置公用工程加热系统具有最低公用工程消耗以及最大热回收的原则：夹点上方热阱夹点下方热源夹点QH,min+xQC,min+x夹点上方热阱夹点下方热源QH,min+yQC,miny夹点上方热阱夹点下方热源QH,minQC,min+zzx5.2准确地确定过程系统的夹点位置5.2.1准确地确定夹点位置—操作型夹点计算操作型（模拟型）夹点计算：确定现有过程系统中热流量沿温度的分布，热流量等于零处即为夹点。方法一:采用单一的ΔTmin（或HRAT，HeatRecoveryApproachTemperature)，确定夹点位置的计算步骤如下：（1）收集过程系统中热、冷物流数据，包括其热容流率、初温、终温等；（2）选择一最小允许的传热温差初值ΔTmin，按5.1.4节介绍的问题表格法确定夹点位置，并得到系统所需的热、冷最小公用工程负荷QH,min、QCmin；（3）修正ΔTmin，直至QH,min、QCmin与现有过程系统所需的热、冷公用工程负荷相符，此时即确定了该过程系统的夹点位置。方法二：采用现场过程中各物流间匹配换热的实际传热温差进行计算。物流间传热温差值ΔTmin，即平均传热温差：TTCCHCmTTTCCHC—热物流对传热温差的贡献值；—冷物流对传热温差的贡献值。采用“虚拟温度法”法，具体步骤：（1）按现场数据推算各热、冷物流对传热温差的贡献值TTCjCHiC、,,，i、j分别表示热、冷物流的序号；（2）确定各物流的虚拟温度热物流虚拟初始温度=实际初始温度-热物流虚拟目标温度=实际目标温度-冷物流虚拟初始温度=实际初始温度+冷物流虚拟目标温度=实际目标温度+TTTTCjCCjCHiCHiC,,,,（3）按5.1.4节介绍的问题表格法进行夹点计算，但不同之处是全过程系统取ΔTmin值为零，这是因为当所有物流转换成虚拟温度后，都已经考虑了各物流间的传热温差值；（4）打印输出计算结果。P123[例5-3]作出过程系统中热流量沿温度的分配，即总组合曲线如图所示：夹点温度1050C5.2.2合理地设计夹点位置—设计型夹点计算设计型夹点计算：改进各物流间匹配换热的传热温差以及对物流工艺参数进行调优，以得到合理的过程系统中热流量沿温度的分布，从而减小公用工程负荷，达到节能的目的。如何确定各物流适宜的传热温差贡献值，从而改善夹点？具有一个热阱（或热源）和多个热源（或热阱），满足：iTiaiUi—第i台换热器。多个热源与多个热阱匹配换热：jTjajhj—第j个物流找到一参照物流r，则：rTrajhjarhjT每一物流的传热温差贡献值都确定以后，按5.2.1节介绍的操作型夹点计算步骤进行夹点计算，确定改进后的夹点位置，进行热回收系统的设计。5.3过程系统的总组合曲线总组合曲线—在T—H图上描述过程系统中的热流量沿温度的分布，热流量为零处就是夹点。5.3.1总组合曲线的绘制（1）根据问题表格法计算的结果进行标绘物流标号热容流率/(kW/℃)初始温度Ts/℃目标温度Tt/℃传热温差贡献值H12.01506010H28.090605C12.52012510C23.02510010物流标号虚拟初始温度/℃虚拟目标温度/℃H1150–10=14060–10=50H290–5=8560–5=55C120+10=30125+10=135C225+10=35100+10=110表5-11物流的虚拟温度表5-12问题表格(1)子网络序号冷物流及其温度热物流及其温度kC1C2℃H1H212345614013511085555035307子网络赤字序号Dk/kWIkOkIkOk表5-13问题表格(2)1-1001090100212.510-2.510087.5387.5-2.5-9087.504-135-90450135517.54527.5135117.5682.527.5-55117.535712.5-55-67.53522.5热流量/kW735303522.5子网络界面温度/℃界面热负荷/kW(虚拟温度)上界面下界面序号上界面下界面输入输出表5-14问题表格(3)114013590100213511010087.531108587.5048555013555550135117.565035117.535按问题表格（3）标绘总组合曲线：5.3.2总组合曲线的意义描述热流量沿温度的分布；需要补充热量的温位；可以回收热量的温位；夹点上方—热阱，只需要热公用工程；夹点下方—热源，只需要冷公用工程；过程能量综合的背景。（2）构造总组合曲线总组合曲线的绘制夹点计算程序5.4多夹点问题逆夹点CK—夹点1与夹点2间冷、热物流组合曲线间温差最大处。处理方法：分隔成多个单夹点问题，逐一处理。特点：第一个夹点问题的夹点上方（即第二段）不需要热公用工程。第二个夹点问题的夹点下方（第三段）不需要冷却公用工程。“夹点区”—第1个夹点与第2个夹点之间；其间热、冷物流间的匹配换热要遵循一个总原则，即不能引入热、冷公用工程物流。5.5无夹点—门槛问题门槛问题—一过程系统只需要一种公用工程物流。（a）只需要冷却公用工程；（b）只需要冷却公用工程，最小传热温差在冷物流组合曲线的左端E；（c）只需要加热公用工程；（d）只需要加热公用工程，最小传热温差在热物流组合曲线的左端A；情况（b）：（1）增大热、冷物流间的传热温差，冷物流组合曲线向右移至E’F’G’，点D、G’在同一垂线上，仍只需要冷却公用工程，且冷却负荷大小不变，且：