1、第6章 換熱器網(wǎng)絡(luò)的綜合換熱器網(wǎng)絡(luò)綜合：確定具有最小設(shè)備投資，最小操作費(fèi)用，能達(dá) 到過(guò)程要求的換熱器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 具有可控性、穩(wěn)定性和可操作性。方法： 夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法 有效能法 溫度間隔法 熱力學(xué)溫差貢獻(xiàn)法 數(shù)學(xué)規(guī)劃法應(yīng)用軟件： ADVENT, HEXTRAN, INTERHEAT, MAGNETS,RESHEX及SUPERTRAGET等。 換熱器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)步驟：（1）選擇工藝流股和公用工程流股;（2） 確定經(jīng)濟(jì)合理的夾點(diǎn)溫差和公用工程用量;（3） 綜合出初步的候選換熱網(wǎng)絡(luò)；（4） 將候選網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化成最好的換熱網(wǎng)絡(luò);（5）對(duì)換熱器進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì);（6）模擬計(jì)算，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)和系統(tǒng)操作性分析， 對(duì)結(jié)果不

2、滿意，返回第（2）步，直至滿意。 不同的綜合方法，體現(xiàn)在（2）、（3）步。6.1 根據(jù)溫-焓圖綜合換熱器網(wǎng)絡(luò)6.1.1 溫-焓圖 冷、熱物流匹配及對(duì)應(yīng)的換熱器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：過(guò)程物流在T-H圖上的標(biāo)繪：組合曲線的構(gòu)造過(guò)程： 6.1.2 熱力學(xué)最小傳熱面積網(wǎng)絡(luò)的綜合（1）傳熱過(guò)程的有效能分析 過(guò)程物流比熱容為常數(shù)，則系統(tǒng)有效能損失：推導(dǎo)過(guò)程：傳熱過(guò)程溫差愈大，過(guò)程的不可逆程度越大， 有效能損失越大。高溫流體有效能的減少為：低溫流體有效能的增加：傳熱過(guò)程中有效能的損失：高溫流體的熱力學(xué)平均溫度：低溫流體的熱力學(xué)平均溫度：高溫流體放出的熱量：低溫流體吸收的熱量：又則：由此，對(duì)于多個(gè)熱、冷物流的換熱系統(tǒng)，有

3、效能損失為：結(jié)論： 給定輸入溫度Tki、tji的換熱系統(tǒng)，使冷物流的輸出溫度tje最大，熱物流的輸出溫度Tke最小，則系統(tǒng)有效能的損失最小。 傳熱溫差愈小，過(guò)程不可逆性愈小，有效能損失愈小，但要 求較大的熱交換面積。 換熱系統(tǒng)物流的質(zhì)量流量及輸入、輸出溫度一定時(shí)，有效能 損失不隨熱交換網(wǎng)絡(luò)的變化而變化。 處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)的過(guò)程物流相混合，則不存在有效能的 損失。 應(yīng)合理分配每個(gè)換熱器的有效能損失，使熱交換面積的總和 最小。 逆流熱交換器有效能的損失比并流熱交換器為小，因?yàn)椴⒘?熱交換是一個(gè)固有的不可逆過(guò)程。 （2）熱力學(xué)最小傳熱面積網(wǎng)絡(luò)的綜合 根據(jù)有效能分析，在T-H圖上合理分配傳熱溫差及熱

4、負(fù)荷，實(shí)現(xiàn) 冷熱流體的逆流分配，得到滿足要求的熱力學(xué)最小面積網(wǎng)絡(luò)。 具體步驟： 搜集物流數(shù)據(jù) 流量、溫度、比熱容、汽化熱等； 構(gòu)造冷、熱物流的組合曲線 ； 調(diào)整冷熱物流的組合曲線，使得最小傳熱溫差不小于指定 值； 劃分溫度間隔區(qū)間，進(jìn)行物流匹配。 具體作法說(shuō)明：（1）構(gòu)造組合曲線（2）劃分溫度間隔，進(jìn)行物流匹配（3）對(duì)應(yīng)的換熱網(wǎng)絡(luò)6.1.3 熱力學(xué)最小傳熱面積網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)(1) 應(yīng)使各換熱器的 值相近。（2）減少物流的分支與混合，并把小負(fù)荷換熱器合并到相鄰的 換熱器上。但應(yīng)當(dāng)盡可能接近最小傳熱面積網(wǎng)絡(luò)時(shí)的溫度關(guān) 系，使所需增加的傳熱面積不致太多。 6.2 夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法的基本原則：(1)

5、應(yīng)該避免有熱流量通過(guò)夾點(diǎn)；(2) 夾點(diǎn)上方避免引入公用工程冷卻物流；(3) 夾點(diǎn)下方避免引入公用工程加熱物流 。 違背以上三條，就會(huì)增大公用工程負(fù)荷及相應(yīng)的設(shè)備投資。6.2.1 夾點(diǎn)處物流間匹配換熱的可行性規(guī)則夾點(diǎn)匹配：指冷、熱物流同時(shí)有一端直接與夾點(diǎn)相同，即同 一端具有夾點(diǎn)處的溫度。夾點(diǎn)匹配非夾點(diǎn)匹配夾點(diǎn)匹配非夾點(diǎn)匹配可行性規(guī)則：規(guī)則1 對(duì)于夾點(diǎn)上方，熱工藝物流（包括其分支物流）的數(shù)目NH不大于冷工藝物流（包括其分支物流）數(shù)目NC，即：C5C4H2H1(a)H3312(a)熱端夾點(diǎn)處不可行的匹配(b)熱端夾點(diǎn)處的可行匹配（采用冷物流分支）(c)熱端夾點(diǎn)處的可行匹配（采用設(shè)置加熱器H)312(

6、b)C4C3H1（C）H2C5H2190-(80+dT4)或90-(80+dT5)均小于Tmin,只好采用公用工程冷卻物流,違反基本原則2對(duì)于夾點(diǎn)下方，熱工藝物流（包括其分支物流）數(shù)目NH不小于冷工藝物流（包括其分支物流）的數(shù)目NC , 即：C4C3H1H2C5（d）1 （d）冷端夾點(diǎn)處不可行的匹配 （e）可行的匹配采用熱物流分支 （f）可行的匹配設(shè)置冷卻器C 312(e)C4H3H1（f）H2C5C21(90- dT1)-80或( 90- dT2) -80均小于Tmin,只好采用公用工程加熱物流,違反基本原則3規(guī)則2 夾點(diǎn)上方，每一夾點(diǎn)匹配中熱物流的熱容流率CPH小于 或等于冷物流的熱容量流

7、率CPC,即： CPH CPC 夾點(diǎn)下方，每一夾點(diǎn)匹配中熱物流的熱容流率CPH大于 或等于冷物流的熱容量流率CPC,即： CPH CPC規(guī)則2 保證了夾點(diǎn)匹配中的傳熱溫差不小于允許的最小傳熱溫差Tmin 。離開(kāi)夾點(diǎn)后，由于物流間的傳熱溫差都增大了，所以不一定遵循該規(guī)則。 （a)夾點(diǎn)之上，可行的夾點(diǎn)匹配； （b)夾點(diǎn)之上，不可行的夾點(diǎn)匹配。（a) 夾點(diǎn)之下，可行的夾點(diǎn)匹配。 CPHCPC（b) 夾點(diǎn)之下，不可行的夾點(diǎn)匹配。 CPHCPC6.2.2 物流間匹配換熱的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則經(jīng)驗(yàn)規(guī)則1 每個(gè)換熱器的熱負(fù)荷應(yīng)等于該換熱器冷熱物流匹配中熱負(fù)荷較小者，以保證經(jīng)過(guò)一次換熱，既可以使一個(gè)物流達(dá)到規(guī)定的目標(biāo)溫度

8、,以減少所用換熱設(shè)備的數(shù)量。經(jīng)驗(yàn)規(guī)則2 應(yīng)盡量選擇熱容量流率相近的冷、熱流體進(jìn)行匹配換熱，使得換熱器在結(jié)構(gòu)上相對(duì)合理，且在相同的熱負(fù)荷及相同的有效能損失下，其傳熱溫差最大。情況(a)：CPH=2CPC設(shè)環(huán)境溫度T0=293K，熱物流的熱力學(xué)平均溫度為冷物流的熱力學(xué)平均溫度為該傳熱過(guò)程的有效能損失為情況（b）： CPH=CPC熱物流的熱力學(xué)平均溫度仍為T(mén)H=352.9 K冷物流的熱力學(xué)平均溫度為 該傳熱過(guò)程的有效能損失為可見(jiàn)(a)的有效能損失比(b)大了一倍還多。但（a）的傳熱溫差大，故需用的傳熱面積小，所以還不能說(shuō)明情況（a）就是不如情況（b）。進(jìn)一步分析：把情況（b）的傳熱溫差增大到與（a）

9、相同，再計(jì)算該情況下的有效能損失。情況（a）的傳熱平均溫差：按此傳熱溫差，推算出冷流體的入口、出口溫度，如圖： 現(xiàn)計(jì)算其傳熱過(guò)程的有效能損失：熱物流的熱力學(xué)平均溫度仍為T(mén)H=352.9 K冷物流的熱力學(xué)平均溫度為傳熱過(guò)程有效能損失為：此時(shí)比情況（a）小10%多說(shuō)明：完成相同傳熱負(fù)荷條件下，又保持相同傳熱溫差，冷、熱物流熱容流率相等情況下比不等情況下有效能損失??；反之，相同傳熱負(fù)荷和相同有效能損失，冷、熱物流熱容流率相等情況下比不等情況下推動(dòng)力大。經(jīng)驗(yàn)規(guī)則2符合傳熱學(xué)及熱力學(xué)原理。經(jīng)驗(yàn)規(guī)則1優(yōu)于規(guī)則2，對(duì)離開(kāi)夾點(diǎn)的其余物流匹配換熱也是合適的。 夾點(diǎn)設(shè)計(jì)法的要點(diǎn)：（1）在夾點(diǎn)處，換熱網(wǎng)絡(luò)分隔開(kāi)，熱

10、端和冷端分別處理。（2）熱端和冷端都先從夾點(diǎn)開(kāi)始設(shè)計(jì)，遵循夾點(diǎn)匹配可行性規(guī)則 及經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。（3）離開(kāi)夾點(diǎn)后，采用經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，但傳熱溫差約束緊張時(shí)還應(yīng)遵 循可行性規(guī)則。（4）考慮換熱系統(tǒng)的操作性、安全性，以及生產(chǎn)工藝上特殊要 求等。P147 例6-1 物流數(shù)據(jù) T min=20oC 物流 熱容 初始 目標(biāo) 熱負(fù)荷 標(biāo)號(hào) 流率 溫度 溫度 kW/ oC oC oC kW CP Ts Tt Q H1 2.0 150 60 180.0 H2 8.0 90 60 240.0 C1 2.5 20 125 262.5 C2 3.0 25 100 225.0 問(wèn)題表格（1）子網(wǎng)絡(luò)序號(hào) 冷物流及其溫度 熱物流及溫

11、度 k C1 C2 H1 H2 SN1 125 145 SN2 100 120 SN3 70 90 SN4 40 60 SN5 25 SN6 20 150 問(wèn)題表格（2）子網(wǎng)絡(luò) 赤字Dk 熱量 kW 熱量 kW 序號(hào) kW 無(wú)外界輸入熱量 外界輸入最小熱量 I k Q k I k Q k SN1 10 0 10 107.5 117.5 SN2 12.5 10.0 -2.5 117.5 105.0 SN3 105.0 -2.5 -107.5 105.0 0 SN4 -135.0 -107.5 27.5 0 135.0 SN5 82.5 27.5 -55.0 135.0 52.5 SN6 12.5

12、 -55.0 -67.5 52.5 40.0-107.50 kw SN1 SN2 SN3 SN4 SN5 SN60 kw10 kw-2.50 kw27.5 kw-55 kw-67.5 kw熱端夾點(diǎn)冷端 SN1 SN2 SN3 SN4 SN5 SN6QH min=107.5 kw117.50 kw105 kw135 kw52.5 kwQC min=40 kw熱端夾點(diǎn)冷端 0 kwa 未加公用設(shè)施加熱負(fù)荷b 加入公用設(shè)施加熱負(fù)荷得到如下信息： 在T min=20oC的情況下，夾點(diǎn)溫度在90oC（熱流體夾點(diǎn)溫度）和70oC（冷流體夾點(diǎn)溫度）之間，故夾點(diǎn)溫度 T = 80oC.最小公用工程加熱量 Q H min = 107.5 kw最小公用工程冷卻量 Q C min = 40 kw 物流數(shù)據(jù) T min=20oC 物流 熱容 初始 目標(biāo) 熱負(fù)荷 標(biāo)號(hào) 流率 溫度 溫度 kW/ oC oC oC kW CP Ts Tt Q H1 2.0 150 60 180.0 H2 8.0