节能8系统夹点技术课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4. 过程系统节能 -夹点技术,1,4. 过程系统节能 -夹点技术1,4. 过程系统节能-夹点技术,4.1 绪论,4.2 夹点的形成及意义,4.3 换热网络设计目标,4.4 换热网络优化设计,4.5 换热网络改造综合,4.6 蒸汽动力系统优化综合,2,4. 过程系统节能-夹点技术4.1 绪论2,4.1 绪论,4.1.1 过程系统节能的意义,节能工作发展经历的过程：,第一阶段：属于,“捡浮财”,的阶段，主要表现在余热回收，所着眼的只是单个的余热流；,第二阶段：考虑单个设备节能，如蒸发由单效改为双效、采用热泵装置、减小精馏塔的回流比、强化换热器的传热等；,第三阶段：考虑过程系统节能，是由于20世纪80年代过程系统工程学的发展。,3,4.1 绪论节能工作发展经历的过程：3,4.1 绪论,4.1.1 过程系统节能的意义,意义：,要把一个过程工业的工厂设计的,能耗最少、费用最小、环境污染最少，,必须把整个系统集成起来作为一个有机结合的整体看待，达到整体设计最优化。,过程集成方法中,目前最实用的是夹点技术，,已成功地在世界范围内取得了显著的节能效果。对新厂较传统设计方法可节能30%-50%，节约投资10%左右。对老厂改造，通常可节能20%-35%，回收年限一般0.5-3年。,4,4.1 绪论意义：要把一个过程工业的工厂设计的能耗最少、费用,4.1 绪论,4.1.1 过程系统节能的意义,Linnhoff基于对换热网络的热力学分析提出的夹点技术，被公认为是一项突破性进展。在现有工厂的节能改造和新厂设计中，已初见成效。,受到各国重视：如赫斯特、拜尔、联碳、孟三都、杜邦、ICI等早已采用夹点技术。,有名的大工程设计公司，如凯洛格、鲁姆斯、千代田、东洋等都设立了夹点技术组。,现在国际上一些大公司在投标时，先进行夹点技术分析已成为必要条件。,5,4.1 绪论Linnhoff基于对换热网络的热力学分析提出的,4.1 绪论,4.1.1 过程系统节能的意义,工艺装置 技术 节能（,万美元/每年,） 投资（,万美元,）,石油化工 改造 240 180,常压原油塔 改造 120 节省,无机产品 新设计 32 节省,精细化工 新设计 160 节省,ICI公司应用情况,节能(,万美元/每年,) 投资(,万美元,) 回收期(月),石油化工 105 50 6,有机产品 100 60 7,无机产品 124 183 18,精细化工 13.9 5.7 5,联碳公司应用情况,6,4.1 绪论工艺装置 技术 节能（万美元/每年） 投资,4.1 绪论,4.1.1 过程系统节能的意义,简单灵活，易学实用，可发挥工程设计人员的实践经验；,可得出换热网络最大热回收量和最小公用工程消耗量；,所得方案即使不是最优解，也接近最优，在此基础上调优也不致太困难。,夹点技术的特点,7,4.1 绪论简单灵活，易学实用，可发挥工程设计人员的实践经验,4.1 绪论,4.1.2 夹点技术的应用范围及发展,过程工业：,是指以处理物料流和能量流为目的的行业。,如化工、冶金、建材、炼油、造纸、水泥、食品、医药、电力等行业。,生产系统中始终伴随着能量的供应、转换、利用、回收、生产、排弃等环节。,从系统工程的角度看，,过程工业的生产系统可以分为三个子系统：,工艺过程-,生产系统主体指反应器、分离器等；,热回收换热网-,换热设备等,；蒸汽动力公用工程-,锅炉、透平、蒸气管道等。三者相互影响。,8,4.1 绪论过程工业：是指以处理物料流和能量流为目的的行业。,4.1 绪论,4.1.2 夹点技术的应用范围及发展,应用范围：夹点技术开始,成功应用于热回收换热网络子系统，,扩展,到蒸汽动力公用公用工程子系统，,后来发展,成为包括上二者的总能系统。既可用于新厂设计，又可用于已有系统的节能改造，二者在目标和方法上有别。,优化目标：最初以能量,为系统的目标；,后发展为以总费用,为目标，,又考虑,过程系统的安全性、可操作性、对不同工况的适应性、对环境的影响等非定量的工程目标。,9,4.1 绪论应用范围：夹点技术开始成功应用于热回收换热网络子,4.1 绪论,4.1.2 夹点技术的应用范围及发展,夹点技术的应用：,热回收换热网络的优化集成、合理设置热机和热泵、确定公用工程的等级和用量、去除“瓶颈”、提高生产能力、分离设备的集成、减少生产用水（节水）、减少废气污染排放等。,10,4.1 绪论夹点技术的应用：热回收换热网络的优化集成、合理设,4.2 夹点的形成及意义,4.2.1 温-焓图和复合曲线,当一股物流吸收或放出热量dQ时，温度发生dT的变化，则,热流率，即质量流率与等压热容的乘积， 。,应用稳流体系热力学第一定律，忽略宏观势能、动能变化项，则：,若取平均等压热容，则为常数，,11,4.2 夹点的形成及意义当一股物流吸收或放出热量dQ时，温度,4.2 夹点的形成及意义,4.2.1 温-焓图和复合曲线,就可以在温-焓图上用一条直线表示流体的加热或冷却过程，且CP值越大，直线的斜率越小。,这条线称为,物流线,，左右平移不影响其温位和热量值。,T,H,0,H=Q,T,H,0,H=Q,加热,冷却,12,4.2 夹点的形成及意义就可以在温-焓图上用一条直线表示流体,4.2 夹点的形成及意义,4.2.1 温-焓图和复合曲线,在过程工业生产系统中，通常有,多股物流,需要被,加热或被冷却,，可以将它们合并成一条,热复合曲线,或,冷复合曲线,。设有三股热流，热流率为：A、B、C（kW/K）。,A （T,2,-T,5,）,B （T,1,-T,3,）,C （T,2,-T,4,）,13,4.2 夹点的形成及意义在过程工业生产系统中，通常有多股物流,4.2 夹点的形成及意义,4.2.1 温-焓图和复合曲线,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,CP=A,CP=B,CP=C,温度按顺序排列，相同的只排一个。,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,确定温度区间，并描绘在T-H图上。,描绘三股热流的物流线。,分析个温度区间物流，计算个温度区间的热流率。,14,4.2 夹点的形成及意义T1T2T3T4CP=ACP=BCP,4.2 夹点的形成及意义,4.2.1 温-焓图和复合曲线,(T,2,-T,3,)(,A+B+C),(T,1,-T,2,)B,H,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,CP=A,CP=B,CP=C,在T,1,到T,2,温度区间，只有一股热流共给热量，热量值为(T,1,-T,2,)B=,H所以这段曲线的斜率等于曲线B的斜率；在T,2,到T,3,温度区间，,有三股热流共给热量，总热量值为(T,2,-T,3,) (A+B+C)=,H,2,，于是这段曲线要改变斜率，,15,4.2 夹点的形成及意义(T2-T3)(A+B+C)(T1-,4.2 夹点的形成及意义,4.2.1 温-焓图和复合曲线,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,CP=A,CP=B,CP=C,(T,2,-T,3,)(,A+B+C),(T,3,-T,4,)(,A+C),(T,4,-T,5,),A,(T,1,-T,2,)B,H,(T,2,-T,3,)(,A+B+C),(T,1,-T,2,)B,H,曲线两个端点的纵坐标不变，而横坐标上的距离等于原来三股热流在横轴上的迭加，即总热量为：,j-为第i温区的物流数。原三条曲线合为一条，余类推。,16,4.2 夹点的形成及意义T1T2T3T4CP=ACP=BCP,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,CP=A,CP=B,CP=C,(T,2,-T,3,)(,A+B+C),(T,3,-T,4,)(,A+C),(T,4,-T,5,),A,(T,1,-T,2,)B,H,(T,2,-T,3,)(,A+B+C),(T,1,-T,2,)B,H,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,H,1,CP=B,CP=A,CP=C,H,2,H,3,H,4,在各温度区间绘制复合热物流线。,4.2 夹点的形成及意义,4.2.1 温-焓图和复合曲线,17,T1T2T3T4CP=ACP=BCP=C(T2-T3)(A+,4.2 夹点的形成及意义,4.2.1 温-焓图和复合曲线,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,物流线复合：曲线左右平移，不改变其温位及热流量。,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,18,4.2 夹点的形成及意义T1T2T3T4物流线复合：曲线左右,4.2 夹点的形成及意义,4.2.2 夹点的形成,当有多股热流和多股冷流进行换热时，可将所有的热流合并成一条热复合曲线，所有的冷流合并成一条冷复合曲线，然后将两条曲线绘制在一个温-焓图上，冷、热复合曲线的相对位置有三种情况：,T,H,1.,两曲线在H轴上的投影完全没有重叠部分，表示热量全部没回收，冷、热流体加热及冷却全部用公用工程能量，且最大。,Q,1,Q,2,19,4.2 夹点的形成及意义当有多股热流和多股冷流进行换热时，可,4.2 夹点的形成及意义,4.2.2 夹点的形成,T,H,2.,冷复合曲线平行左移,则在H轴上的投影重叠了一部分Q,R,，表Q,R,示热流体的部分热量用来加热冷流体，公用工程能量消耗减少。此时由于最高温的热流加热最低温的冷流，传热温差很大，但回收的余热有限。,Q,R,Q,C,Q,H,20,4.2 夹点的形成及意义TH2.冷复合曲线平行左移,则在H轴,4.2 夹点的形成及意义,4.2.2 夹点的形成,T,H,3.,将冷复合曲线继续向左移，使两线在某点刚好重合，所回收的热量达到最大值，公用工程耗能量最少。,两曲线在某点重合时该系统内部换热达到极限，重合点的传热温差为零，该点即为夹点。,Q,R,Q,C,Q,H,夹点,21,4.2 夹点的形成及意义TH3.将冷复合曲线继续向左移，使两,4.2 夹点的形成及意义,4.2.2 夹点的形成,传热温差为零需无限大的传热面积，是不现实的。但可以通过技术经济评价而确定一个最小的传热温差。,定义：,冷、热复合温焓线上传热温差最小的地方，称为夹点。该点的温差，称为夹点温差。,22,4.2 夹点的形成及意义传热温差为零需无限大的传热面积，是不,4.2 夹点的形成及意义,4.2.2 夹点的形成,确定了夹点温差后，冷热复合曲线图。,T,H,夹点,夹点温差,冷却公用工程Q,1,加热公用工程Q,2,在两端已没有合适的冷流及热流与之换热，需用公用工程加热器及冷却器满足工艺要求，此时量为最小。,过程内部换热,23,4.2 夹点的形成及意义确定了夹点温差后，冷热复合曲线图。T,4.2 夹点的形成及意义,4.2.3 问题表法,当物流较多时，采用复合温焓线很繁琐，且不够准确，此时常采用问题表法来精确计算。,问题表法的步骤：,1.,以冷、热流体的平均温度为标尺，划分温度区间。,冷、热流体的平均温度相对热流体，下降1/2夹点温差（T,min,/2），相对冷流体上升1/2夹点温差（T,min,/2），这样可保证在整个温区内热、冷物流温差为T,min,，满足传热需要。,24,4.2 夹点的形成及意义当物流较多时，采用复合温焓线很繁琐，,4.2 夹点的形成及意义,4.2.3 问题表法,2.,计算每个温区内的热平衡，以确定各温区内所需的加热量和冷却量。计算式为：,式中：,第i区间所需外加热量kW；,该区间冷、热物流热容流率之和kW/K；,分别为该区间的进、出口温度,0,C。,25,4.2 夹点的形成及意义2. 计算每个温区内的热平衡，以确定,4.2 夹点的形成及意义,4.2.3 问题表法,3.,进行热级联算。,第一步,计算外界无热量输入时各区间的热通量。此时，各温区间可有自上而下的热流通量，但不能有逆向热流通量。,第二步,为保证各温区之间的热通量不小于零，根据第一步级联计算结果，取绝对值最大的为负的热通量的绝对值为所需外界加入的最小热通量，即最小加热公用工程用量，由第一各温区加入；然后计算外界输入最小加热公用工程量时各温区之间的热通量；而由最后一个温区流出的热量，就是最小冷却公用工程用量。,26,4.2 夹点的形成及意义3. 进行热级联算。第一步计算外界无,4.2 夹点的形成及意义,4.2.3 问题表法,4.,温区之间热通量为零处，即为夹点。,举例如下：,27,4.2 夹点的形成及意义4. 温区之间热通量为零处，即为夹点,4.2 夹点的形成及意义,4.2.3 问题表法,例：,某一换热系统的工艺物流为两股热流和两股冷流，物流参数如下表。取冷、热流体之间最小温差为10,0,C。现在用问题表法确定该换热系统的夹点位置，以及最小加热、冷却公用工程量。,表1 物流参数,物流编号及类型 热熔流率CP/(kW/K) 供应温度/,0,C 目标温度/,0,C,热流 2.0 170 60,热流 1.5 150 30,冷流 2.0 20 135,冷流 4.0 80 140,28,4.2 夹点的形成及意义例：某一换热系统的工艺物流为两股热流,4.2 夹点的形成及意义,4.2.3 问题表法,解：,步骤一，把系统划分区间。,1.,分别将所有热、冷流体的进出口温度（,0,C）从小到大排列起来。,热流体： 30 60 150 170,冷流体： 20 80 135 140,29,4.2 夹点的形成及意义解：1.分别将所有热、冷流体的进出口,2.,计算冷、热流体的平均温度（,0,C），即将热流体温度下降、冷流体温度上升T,min,/2。,热流体： 25 55 145 165,冷流体： 25 85 140 145,4.2 夹点的形成及意义,4.2.3 问题表法,3.,将所有冷、热流体的平均温度（,0,C），从小到大排列起来，相等的只写一个。,冷热流体： 25 55 85 140 145 165,30,2.计算冷、热流体的平均温度（0C），即将热流体温度下降、冷,4.2 夹点的形成及意义,4.2.3 问题表法,4.,将整个系统可以划分为五个温区，如下：,第一温区 165 145,第二温区 145 140,第三温区 140 85,第四温区 85 55,第五温区 55 25,31,4.2 夹点的形成及意义4. 将整个系统可以划分为五个温区，,4.2 夹点的形成及意义,4.2.3 问题表法,（160）,165,（170）,（140）,145,（150）,（135）,140,（145）,（80）,85,（90）,（50）,55,（60）,（20）,25,（30）,温区1,温区2,温区3,温区4,温区5,CP=3.0,CP=1.5,CP=4.0,CP=2.0,32,4.2 夹点的形成及意义（160）165（170）温区1温区,4.2 夹点的形成及意义,4.2.3 问题表法,步骤二 温区内热平衡计算。,计算结果命名为“亏缺热量”。,第一温区 H,1,= -3.0（165-145）= -60（kW）,第二温区 H,2,= (4.0-3.0-1.5)(145-140)=-2.5（kW）,第三温区 H,3,= (4.0+2.0-3.0-1.5)(140-85)=82.5(kW),第四温区 H,4,= (2.0-3.0-1.5)(85-55)= -75（kW）,第五温区 H,5,= (2.0-1.5)(55-25）= 15（kW）,H为负值表示该温区有剩余热量。,33,4.2 夹点的形成及意义步骤二 温区内热平衡计算。计算结果,4.2 夹点的形成及意义,4.2.3 问题表法,步骤三： 计算外界无热量输入时各温区之间的热通量，命名为“积累热量”。,此时，第一温区输入的热量为零，其余各温区输入的热量等于上一温区的输出热量，每一温区的输出热量等于本温区的输入热量减去本温区的亏缺热量H，计算结果如下：,34,4.2 夹点的形成及意义步骤三： 计算外界无热量输入时各温区,4.2 夹点的形成及意义,4.2.3 问题表法,第一温区：输入热量=0(因外界无热量输入)，输出热量=0+60=60kW；,第二温区：输入热量=60，输出热量=60+2.5=62.5kW；,第三温区：输入热量=62.5，输出热量=62.5-82.5=-20kW；,第四温区：输入热量=-20，输出热量=-20+75=55kW；,第五温区：输入热量=55，输出热量=55-15=40kW。,35,4.2 夹点的形成及意义第一温区：输入热量=0(因外界无热量,4.2 夹点的形成及意义,4.2.3 问题表法,步骤四 确定最小公用工程量。,从第三步计算可看出，当外界无热量输入时，温区三向温区四输出的热量为负值，意味着温区四向温区三提供热量，在热力学上是不合理的。为消除这种不合理现象，使各温之间的热量0，就必须从外界输入热量，使原来的负值至少变为零，,因此得到最小公用工程量为20kW。,36,4.2 夹点的形成及意义步骤四 确定最小公用工程量。 从第,4.2 夹点的形成及意义,4.2.3 问题表法,步骤五 计算外界输入最小加热公用工程量时各温区之间的热通量。,换热网络所需的最小加热量可以从第三温区以上的任何温区中输入。为方便起见，本例假定热量从温区1输入。计算方法同步骤三的完全相同，计算结果列于问题表的最后一列热通量。,37,4.2 夹点的形成及意义步骤五 计算外界输入最小加热公用工,4.2 夹点的形成及意义,4.2.3 问题表法,第一温区：输入热量=20(kW)，输出热量=20+60=80(kW)；,第二温区：输入热量=80(kW)，输出热量=80+2.5=82.5(kW)；,第三温区：输入热量=82.5(kW)，输出热量=82.5-82.5=0；,第四温区：输入热量=0(kW)，输出热量=0+75=75(kW)；,第五温区：输入热量=75(kW)，输出热量=75-15=60(kW)。,由最后温区输出的热量60kW，为最小冷却公用工程用量。,38,4.2 夹点的形成及意义第一温区：输入热量=20(kW)，输,4.2 夹点的形成及意义,4.2.3 问题表法,表4-4 问 题 表,温区和温度,物 流,亏缺热量/kW,积累热量/Kw 热通量/kW,输 入 输 出 输 入 输 出,-2.5 60 62.5 80 82.5,-60 0 60 20 80,82.5 62.5 -20 82.5 0,-75 -20 55 0 75,15 55 40 75 60,165,0,C 第1温区145,0,C,第2温区140,0,C,第3温区85,0,C,第4温区55,0,C,第5温区25,0,C,39,4.2 夹点的形成及意义表4-4 问 题 表温区和温度物,4.2 夹点的形成及意义,4.2.3 问题表法,步骤六 确定夹点位置。,温区3与温区4之间热通量为零，此处就是夹点,，即夹点在平均温度85,0,C（热流温度90,0,C，冷流温度80,0,C）处。,40,4.2 夹点的形成及意义步骤六 确定夹点位置。温区3与温区,4.2 夹点的形成及意义,4.2.4 夹点的意义,夹点是冷、热复合温焓线中传热温差最小的地方，此处热通量为零。,夹点的出现，将整个换热网络分成,两部分：夹点之上是热端，,只有换热和公用工程，没有任何热量流出，可看成是一个,净热阱,；夹点之下是冷端，只有换热和冷却公用工程，没有任何热量流入，可看作是一个,净热原,；在夹点处，热流量为零。,根据夹点上、下子系统的热平衡，任意增加冷却器或加热器，都会使公用工程量增加。,41,4.2 夹点的形成及意义夹点是冷、热复合温焓线中传热温差最小,4.2 夹点的形成及意义,4.2.3 问题表法,因此，为达到最小加热和冷却公用工程量，夹点方法的设计及优化原则是：,夹点之上不应该设置任何公用工程冷却器；,夹点之下不应该设置任何公用工程加热器；,不应由跨越夹点的传热。,夹点是制约整个系统能量性能的“瓶颈”，限制了进一步能量回收的可能性。可通过调整工艺改变物流的热特性，如使夹点处热物流升温或冷物流降温，就可使复合曲线进一步左移，增加回收的热量。,42,4.2 夹点的形成及意义因此，为达到最小加热和冷却公用工程量,4.3 换热网络设计目标,4.3.1 能量目标,指最小加热公用工程量和最小冷却公用工程量。,能量目标,随夹点温差而变化,，夹点温差一定，所分析系统的能量目标一定。夹点温差越大，能量目标越大。因此，可通过缩小夹点温差，挖掘节省公用工程量的潜力。,43,4.3 换热网络设计目标指最小加热公用工程量和最小冷却公用,4.3 换热网络设计目标,4.3.2 换热单元数目目标,换热单元数目目标，换热面积目标。,二者相比，前者对设备投资费用的影响更大。,因为，一台换热器的费用中封头、外壳、土建基础等占很大比例，而管束面积只是费用中的一部分。换热器费用计算公式：,式中：A-换热器面积；,a、b、c-价格系数，一般c=0.6。,44,4.3 换热网络设计目标换热单元数目目标，换热面积目标。二,4.3 换热网络设计目标,4.3.2 换热单元数目目标,可见面积对费用的影响不如换热器台数影响大。因此，在换热网络设计中，通常把能量目标、换热单元数目目标看作是比换热面积目标更重要的目标。,45,4.3 换热网络设计目标可见面积对费用的影响不如换热器台数,4.3 换热网络设计目标,4.3.2 换热单元数目目标,一个换热网络的最小单元数目可由,欧拉通用网络定理,来描述：,式中：U-换热单元数目，包括换热器、加热器、冷却器；,N-流股数目，包括工艺物流以及加热和冷却公用工程；,L-独立的热负荷回路数目；,S-可能分离成不相关子系统的数目。,46,4.3 换热网络设计目标一个换热网络的最小单元数目可由欧拉,4.3 换热网络设计目标,4.3.2 换热单元数目目标,当系统中某一热物流的热负荷和某一冷物流的热负荷恰好相等，且其间各处的传热温差均不小于规定的最小传热温差（即夹点温差）T,min,时，则这两物流一次匹配换热就完成了各自所要求的换热负荷。此时，该两物流与其它物流没有关系，可以分离出来作为独立子系统。当系统中存在这样一个独立子系统时，整个系统就可以分离成两个不相关的子系统。,47,4.3 换热网络设计目标当系统中某一热物流的热负荷和某一冷,4.3 换热网络设计目标,4.3.2 换热单元数目目标,通常，系统往往没有可能分离成不相关子系统，故S=1；一般希望避免多余的换热单元，因此尽量消除回路（后面介绍），使L=0，于是上式变成：,另外，在设计之前，通常认为加热公用工程和冷却公用工程物流均为1。,48,4.3 换热网络设计目标通常，系统往往没有可能分离成不相关,4.3 换热网络设计目标,4.3.2 换热单元数目目标,但是，最大能量回收网络设计把整个网络分解成为加点之上和夹点之下两个独立的网络，整个网络的最小换热单元数目为夹点之上和夹点之下两子系统最小换热单元数目之和。例如4.2.3节中的例子，经夹点设计可初步综合为下图所示网络：,49,4.3 换热网络设计目标但是，最大能量回收网络设计把整个网,4.3 换热网络设计目标,4.3.2 换热单元数目目标,1,1,3,170,0,C,90,0,C,60,0,C,2,2,C,4,150,0,C,90,0,C,70,0,C,30,0,C,60kW,3,2,3,4,H,135,0,C,125,0,C,80,0,C,35,0,C,20,0,C,20kW,90kW,90kW,30kW,4,1,140,0,C,80,0,C,240kW,图4-9 换热网络综合结果,热流,冷流,145,150,50,4.3 换热网络设计目标1131700C900C600C2,4.3 换热网络设计目标,4.3.2 换热单元数目目标,在夹点之上N=5（包括加热蒸气），L=0，但2-3流股匹配与2-4-H匹配无关，S=2；夹点之下N=4（包括冷却水），L=0，S=1，于是,如果有,热量穿过夹点传递,，则会使加热和冷却公用工程量均增加,，此时夹点上下就不再是独立的网络了，只能把整个换热网络作为一体对待，于是N=6（包括加热蒸气和冷却水），S=1，故 就是说，可少用一个换热单元。,51,4.3 换热网络设计目标在夹点之上N=5（包括加热蒸气），,4.3 换热网络设计目标,4.3.2 换热单元数目目标,这样就有一个,权衡,问题，,少用换热单元可使设备投资减少，但又引其能量费用增加；,按照最大能量回收设计换热网络，可使能量消耗降到最小，但投资大些。,因此，通常所说的换热单元数目目标，是指把整个换热网络作为一体对待时的最小换热单元数目，即上例所求出的5。,52,4.3 换热网络设计目标这样就有一个权衡问题，少用换热单元,4.3 换热网络设计目标,4.3.3 换热网络面积目标,在进行换热网络设计之前，无法精确计算换热网络的面积。因此，,换热网络的面积目标是物流按纯逆流垂直换热时的近似面积目标，即在冷热复合温焓图上计算各区间垂直传热所需传热面积，然后加和而得。,所谓垂直换热，是指各区间的冷（或热）流只与本区间的热（或冷）流换热，而不与其它区间的热（或冷）流换热。,53,4.3 换热网络设计目标在进行换热网络设计之前，无法精确计,4.3 换热网络设计目标,4.3.3 换热网络面积目标,在冷热复合温焓图上的分区如下图：,T,H,换热面积分区计算图,复合温焓线的每个折点处做垂线进行分区。各区内冷、热物流的数目和热容流率维持不变，区内按逆流换热，温差按逆流对数平均温差计算，只考虑冷、热流体的对流传热热阻，忽略其他热阻，,54,4.3 换热网络设计目标在冷热复合温焓图上的分区如下图：T,4.3 换热网络设计目标,4.3.3 换热网络面积目标,则，第i区段的换热面积为：,式中：,A,i,-第i区段的换热面积，m,2,；,T,lmi,-第i区段的对数平均温差，,0,C；,q,j,-区段内第j股物流的热负荷，kW；,h,j,-第j股物流的传热膜系数，kW/(m,0,C)。,55,4.3 换热网络设计目标则，第i区段的换热面积为：式中：5,4.3 换热网络设计目标,4.3.3 换热网络面积目标,换热热网络的总面积：,这样分布后且垂直换热，,、,就能保证具有,最高输入,温度的热物流与具有,最高输出,温度的冷物流匹配换热；,、,具有,中等输入,温度的热物流与具有,中等输出,温度的冷物流匹配换热；,、,具有,最低输入,温度的热物流与具有,最低输出,温度的冷物流匹配换热，获得最小换热网络面积。,56,4.3 换热网络设计目标换热热网络的总面积：这样分布后且垂,4.3 换热网络设计目标,4.3.4 经济目标,在换热网络设计中，经济目标包括：,能量费用目标、设备投资费用目标、总年度费用目标。,能量费用目标,是在能量目标的基础上求取。,式中：Q,H,-加热公用工程用量，kW/h；,Q,C,-冷却公用工程用量，kW/h；,C,H,-单位加热公用工程费用，元/kW；,C,C,-单位冷却公用工程费用，元/kW。,57,4.3 换热网络设计目标在换热网络设计中，经济目标包括：能,4.3 换热网络设计目标,4.3.4 经济目标,设备投资费用目标,是在换热网络,面积目标,和换热,单元数目目标,的基础上求取。,在网络设计之前，先获得各项设计目标，使夹点技术的一个显著特点。,但在网络综合前无法确定网络的换热单元数以及各单元的换热面积，因而假定换热单元数目为U,min,，并假定换热面积平均分配在各单元中。,58,4.3 换热网络设计目标设备投资费用目标是在换热网络面积目,4.3 换热网络设计目标,4.3.4 经济目标,可求得换热设备投资费用为：,总费用目标为：,式中：C,T,-总费用，元/年；,B-年运转时间，h/年；,R-设备折旧年限，年。,59,4.3 换热网络设计目标可求得换热设备投资费用为：总费用目,4.3 换热网络设计目标,4.3.5 最优夹点温差的确定,在换热网络的综合中，夹点温差的大小是一个关键的因素。,夹点温差越小，,热回收量越多，则所需的加热和冷却公用工程量越小，即,运行中能量费用越小。,但夹点温差越小，,整个换热网络各处的传热温差均相应减小，使换热面积增大，造成,网络投资费用的增大。,夹点温差与费用的关系如下图：,当系统物流和经济环境一定时，存在一个总费用目标最小的夹点温差，换热网络的综合应在此点。,60,4.3 换热网络设计目标在换热网络的综合中，夹点温差的大小,4.3 换热网络设计目标,4.3.5 最优夹点温差的确定,T,H,T,min,Q,Hmin,Q,Cmin,Q,H,Q,C,费用,T,opt,T,min,能量费用,设备费用,总费用,夹点温差与费用的关系,61,4.3 换热网络设计目标THTminQHminQCmin,4.3 换热网络设计目标,4.3.5 最优夹点温差的确定,最优夹点温差的确定方法，大致有以下几种：,1、根据经验确定：,此时，,需要考虑公用工程和换热器设备的价格、换热工质、传热系数、操作弹性等因素的影响。,当换热器材质价格较高，能源价格较低时，可取较大的夹点温差，以减少换热面积。例如钛材或不锈钢，可取T,min,=50,0,C左右。,反之亦然。例如制冷系统，可取T,min,=5-10,0,C。,62,4.3 换热网络设计目标最优夹点温差的确定方法，大致有以下,4.3 换热网络设计目标,4.3.5 最优夹点温差的确定,当传热系数较大时，可取较小的夹点温差。,另外，企业出于操作弹性的考虑，往往希望传热温差不小于某个值，此时也可取该值作为夹点温差。,63,4.3 换热网络设计目标当传热系数较大时，可取较小的夹点温,4.3 换热网络设计目标,4.3.5 最优夹点温差的确定,2、在不同的夹点温差下，综合出不同的换热网络，然后比较各网络的总费用，选取总费用最低的网络所对应的夹点温差。求得的值是实际的最优夹点温差，但此法的缺点是工作量太大。,64,4.3 换热网络设计目标2、在不同的夹点温差下，综合出不同,3、在网络综合之前，依据冷热复合温焓线，通过数学优化估算最优夹点温差。,4.3 换热网络设计目标,4.3.5 最优夹点温差的确定,输入物流和费用等数据，指定一个T,min,；,做出冷热复合曲线；,求出目标Q,H,和Q,C,，换热单元数目目标U,min,和面积目标 ；,计算总费用目标；,判断是否达到最优，是输出结果，否重新计算。,65,3、在网络综合之前，依据冷热复合温焓线，通过数学优化估算最优,4.3 换热网络设计目标,4.3.5 最优夹点温差的确定,计算最小公用工程用量,计算最小换热单元数目,计算最小换热面积,计算总费用,优化判断,输出设计目标,是,Tmin优化搜索,否,物流数据，费用数据,Tmin,确定换热网络夹点温差和设计目标计算框图,66,4.3 换热网络设计目标计算最小公用工程用量计算最小换热单,