1、7.6 實(shí)際工程項(xiàng)目的換熱網(wǎng)絡(luò)合成,7.6.1數(shù)據(jù)提取 工藝流程圖是提取數(shù)據(jù)最主要的依據(jù)。換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)為物流的溫度、流量及熱容。 熱容流率與溫度與一定的關(guān)系，尤其是溫度變化范圍較大或存在相變時(shí)。此時(shí)可以將物流分段，分別對(duì)各段進(jìn)行線性處理。 許多工藝設(shè)計(jì)過(guò)程提供了換熱裝置的熱負(fù)荷與物流溫度的關(guān)系圖（即TH圖），可以根據(jù)此圖決定是否有必要對(duì)物流分段，如何分段,需要注意以下問(wèn)題：,在TH圖上，夾點(diǎn)處對(duì)溫度誤差最為敏感，因此在夾點(diǎn)附近必須盡可以取得準(zhǔn)確的熱容流率值 為了防止低估能量消耗值，對(duì)熱物流所作線性的逼近不能高于熱物流線，對(duì)冷物流所作的線性逼近不能低于冷物流線 相變點(diǎn)必須作為分段點(diǎn),7

2、.6.2 選擇物流,工藝流程中的許多物流，往往不是從起始溫度直接加熱或冷卻到最終指定溫度，而是要經(jīng)過(guò)幾次加熱或冷卻。 另外還遇到物流的混合與分解。 如何選取物流，以便最大程度地發(fā)揮換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的作用，是解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題,如：在蒸餾預(yù)熱串聯(lián)系統(tǒng)中，原料從10加熱到150后進(jìn)入蒸餾塔，在進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，物流的選取有下列三種方法： 1) 將進(jìn)料分為三股物流，第一股從10到25，第二股從25到70，第三股從70到150 2)將進(jìn)料分為二股物流，第一股從10到25，第二股從25到150 3)將進(jìn)料看作一股物流，從10到150,按第一種方法設(shè)計(jì)的結(jié)果，可能會(huì)和原有流程一致，因?yàn)槊慷挝锪鞫寂c原

3、有物流完全吻合，因此起不到換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的作用。 第二種方法提供了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的自由度，但實(shí)際上，要求常溫儲(chǔ)存的物料并不是必須在25，因此將25作為指定溫度又限制了網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。,第三種方法最大限度地提供了自由設(shè)計(jì)空間，有可能找到更好的換熱方案。 因此，在選取物流時(shí)，應(yīng)盡量避免過(guò)細(xì)地將物流拆開，當(dāng)物流中間有指定溫度時(shí)，應(yīng)當(dāng)分析一下該溫度是否可以調(diào)整。,出現(xiàn)物流混合和分解時(shí)，物流的選取就更加復(fù)雜。 圖a：兩股起始溫度不同的物流A、B，混合為C后被加熱到共同的目標(biāo)溫度。 實(shí)際的工藝流程通常為圖b的形式，這種方式是否合理就要看物流混合時(shí)的溫度的變化是否跨越了夾點(diǎn)。,設(shè)A、B混合后的溫度為60，夾點(diǎn)溫度為10

4、0，則可以按的圖b的方式直接混合，然后看作只有一股物流C參與匹配。 如果夾點(diǎn)溫度為80，則不能簡(jiǎn)單地按上述方式處理。圖c兩條冷物流的直接混合將違背夾點(diǎn)匹配原則，即夾點(diǎn)之上與夾點(diǎn)之下的物流進(jìn)行了換熱，將導(dǎo)致公用工程的消耗的增加。,因此，在物流混合出現(xiàn)溫度跨越時(shí)，為了避免過(guò)多地消耗公用工程，必須先將物流A、B看作兩條不同的熱物流和冷物流，經(jīng)過(guò)與其它物流換熱達(dá)到同一溫度T后再混合成C，也就是保證物流A、B在等溫狀態(tài)下混合。 若混合溫度T=120，則系統(tǒng)被看作了兩條物流。若T120，則應(yīng)將C選作一條物流從T加熱到120，系統(tǒng)實(shí)際上是被看作了三條物流。,因此，為了保證最小公用工程用量，應(yīng)當(dāng)避免物流的非等

5、溫混合，但會(huì)增加換熱單元數(shù),物流分解也是工藝流程中常遇到的情況 如圖所示，物流A被分解成B、C，物流B、C的具有不同的目標(biāo)溫度。,實(shí)際工藝流程中可能采用圖b、c所示的兩種不同方式 圖b，系統(tǒng)被看作兩條物流 圖c，則系統(tǒng)中有一條物流參與了匹配，節(jié)省了一臺(tái)換熱器，但旁路物流D、E的混合構(gòu)成了物流混合問(wèn)題，需慎重對(duì)待,7.6.3老廠改造,老廠改造項(xiàng)目多是節(jié)能改造。在做換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮節(jié)省能量，還要考慮原有設(shè)備的利用，因?yàn)檫@涉及到裝置的投資費(fèi)用。 利用夾點(diǎn)方法，很容易計(jì)算出最小能耗目標(biāo)，并找到最好的匹配方案，問(wèn)題是，改進(jìn)后的方案與對(duì)原來(lái)的流程改動(dòng)程度有多大。 顯然，在各種改進(jìn)方案中，應(yīng)該選取

6、那些最能充分利用原有設(shè)備管線的方案，即和原有流程具有最大兼容性的方案（Linnhoff）,圖a為一個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)的原有匹配流程，其中熱公用工程消耗為196kW，冷公用工程消耗為175.3kW。,取Tmin10，利用所給數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到夾點(diǎn)位置在149159，最小熱公用工程消耗為106.4kW，最小冷公用工程消耗為85.7kW，可見(jiàn)熱量的節(jié)能潛力高達(dá)46。 利用夾點(diǎn)匹配技術(shù)，分別對(duì)夾點(diǎn)之上和夾點(diǎn)之下的子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。,夾點(diǎn)之上，只有一種能夠滿足最小能量消耗的匹配方式。匹配4為新增加的。 夾點(diǎn)之下，有多個(gè)方案，圖b與原有流程的兼容性最大，只需要增加一個(gè)新匹配5。,將兩個(gè)子系統(tǒng)合并，得到圖8-28c的

7、換熱網(wǎng)絡(luò)，它比原有網(wǎng)絡(luò)多了匹配4和匹配5。這意味著能量消耗的降低將以增加兩臺(tái)換熱器為代價(jià)節(jié)能,為了減少換熱單元，利用能量松馳法進(jìn)行改進(jìn)。 匹配4、匹配5與兩臺(tái)冷卻器構(gòu)成一個(gè)回路。由于匹配4造成了物流5的分解，這是原有流程中不存在的，因此在斷開回路時(shí)將匹配4合并到匹配5上。,結(jié)果使T1、T2違反了允許溫差的約束，利用能量松馳法進(jìn)行調(diào)整，得到下圖。 匹配方案方案與原有流程比較接近，只多了匹配5，可以作為一個(gè)較好的改進(jìn)方案,加熱器、匹配5與冷卻器仍構(gòu)成回路，因此可將網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)改進(jìn)。,因?yàn)槠ヅ?為新增加的換熱單元，選擇將匹配5消去，得到下圖。這一改進(jìn)造成能量的進(jìn)一步松馳，即公用工程消耗增加。,利用將物流

8、3和物流4之間匹配的能量“繃緊”(即將T1從77調(diào)整到80)，可以節(jié)省2.7個(gè)單位的能量，得到下圖。 與原有流程進(jìn)行比較，所有裝置都為原來(lái)存在的裝置，熱量節(jié)省5，其中匹配1和匹配3的負(fù)荷有所增加，匹配2的負(fù)荷有所降低。,對(duì)各方案的能量回收與設(shè)備增加情況進(jìn)行比較 方案 能量回收潛力最大，但需要增加和改造的設(shè)備也最多，方案能量回收潛力較小，但設(shè)備投資也最小。,7.6.4 禁止匹配與強(qiáng)制匹配,在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，可能會(huì)對(duì)物流的匹配提出一些限制。 如考慮到腐蝕、操作安全、設(shè)備布置、管線鋪設(shè)、操作方便等問(wèn)題，可能會(huì)禁止某些物流間的匹配或強(qiáng)制進(jìn)行某些物流間的匹配。 老廠改造時(shí)應(yīng)充分利用原有設(shè)備，就屬于強(qiáng)制匹

9、配。 這些限制有時(shí)會(huì)影響到能量的回收。,熱物流H1、H2的品位高于冷物流C1、C2時(shí)，如果禁止或強(qiáng)制匹配，可能不會(huì)增加外加熱量消耗,熱物流H2的品位低于冷物流C1時(shí)，當(dāng)禁止熱物流H1與冷物流C1匹配時(shí)，則可能要增加外加熱量。,再如，前面的老廠改造例題，當(dāng)要求保留原有設(shè)備時(shí)，夾點(diǎn)之下仍能找到滿足最小能量消耗的方案，因此強(qiáng)制匹配不會(huì)影響能量回收。 總之，對(duì)于存在禁止或強(qiáng)制匹配的問(wèn)題，應(yīng)該先找出滿足最小公用工程消耗的方案，然后檢查增加的限制是否會(huì)影響到能量回收，影響的程度有多大，是否存在解決方案,7.6.5 閾值問(wèn)題,夾點(diǎn)問(wèn)題的冷、熱公用工程消耗隨Tmin單調(diào)變化，且二呈平行關(guān)系。即使Tmin為0，

10、這種平行關(guān)系也不變。 對(duì)于夾點(diǎn)問(wèn)題存在能量與設(shè)備投資的折衷，需要考慮Tmin的選擇。 在實(shí)際問(wèn)題中，并不是所有的問(wèn)題都存在夾點(diǎn)。,不存在夾點(diǎn)的問(wèn)題稱為非夾點(diǎn)問(wèn)題 圖a即需要蒸汽也需要冷卻水，將組合曲線平移，冷公用工程用量隨著Tmin的減小而消失,繼續(xù)減小Tmin，高端的蒸汽用量會(huì)繼續(xù)減少，在低端卻出現(xiàn)了對(duì)蒸汽的需求，結(jié)果造成總的熱公用工程消耗量不變,Tmin對(duì)公用工程的影響有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，稱為閾值T閾。 高于這個(gè)閾值，關(guān)系特性符合夾點(diǎn)問(wèn)題，低于此閾值，公用工程用量與Tmin無(wú)關(guān)，因此也就不存在能量與設(shè)備投資的折衷問(wèn)題。,由于非夾點(diǎn)問(wèn)題的存在，在進(jìn)行實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該首先判斷問(wèn)題是否為夾點(diǎn)問(wèn)題 如果是，則按前面介紹的夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 如果為非夾點(diǎn)問(wèn)題，則應(yīng)找出Tmin與公用工程的關(guān)系曲線，并確定閾值位置 如果實(shí)際要求的Tmin高于閾值，仍可運(yùn)用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行能量與設(shè)備數(shù)的調(diào)優(yōu) 如果實(shí)際要求的Tmin低于閾值，則不能進(jìn)行能量與換熱設(shè)備數(shù)的權(quán)衡。,7.6.6 多品位公用工程,在前面利用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，一直把公用工程放在物流的末端，即熱公用工程處在物流溫度的最高端，冷卻公用工程處在溫度的最低端。