节能-4换热

W、t1、 CP
1
TL、工艺余热 t
2
Th、新鲜高压蒸汽 t2
废热回收利用换热过程
25
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
当采用联合方案时，对于换热器1，余热的费用为：
1 $1
SlQ1 SlWC P t - t1 , 元 / 年
式中：
Sl—废热（设为恒温）的单价，元/千焦。 换热器1设备折旧费为：
可见：
传热过程的有效能损失
有效能能损失愈大，有效能效率愈小，能量的
降级愈大。例如热流体3000C，冷流体2700C （自2500C预热至2900C）的油品，环境温度 250C，有效能损失5.6%，有效能效率94.4%； 当冷流体为250C的空气时，有效能损失93.2%， 有效能效率仅6.8%；
15
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
单位热容量流率的传热面积为：
A Q / K T1 T2 WC P Q/ T1 T2 K
16
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
假设余热回收中有效能的单价为k1，设备折旧费单 价为k2，则该换热器的净收益为：
50 6 Sh / 2064 24.22 10 元 / 千焦 1000 8 6 Sl / 2240 3.5 10 元 / 千焦 1000
35
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
1.工艺物料仅用新鲜蒸汽加热方案： 消耗蒸汽费用、设备折旧费用、传热面积、总成本：
当 dC/dt=0 时，系统的总成本最低，则
S f Th Tl Th t Tl t K S h S l
由此式可求出最适宜温度 t ，一般在 t1 与 t2 之 间。若 t 接近 t1 ，余热回收的意义不大；若 t 接 近 t2 ，用新鲜蒸汽就显得有些浪费。
32
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
例：某工艺物料，需从 340K 预热到 395K ，全 年工作时间为8000小时/年，换热器的传热系数 均为0.3kW/(m2·K)。设备折旧费为 Sf=500元/ （m2·年），高压蒸汽温度440K，其费用为 Sh’=50元/吨蒸汽。现有温度为380K的余热蒸汽 可利用，此蒸汽的费用为Sl’=8元/吨蒸汽。若该 工艺物料生蒸汽加热改造成为由废蒸汽、生蒸汽联 合加热方案，比较此两种方案的经济性。
有效能损失是衡量换热器节能与经济效益的重要指 标之一。 对给定的换热器，传热面积一定，为满足一定工艺 热负荷要求，所需传热温差为：
' ' Q WC P T2 T1 Tm KA KA


9
3.2.1 传热节能的理论基础
对逆流换热器： Tm
换热器的节能与经济效益
' T1 T2 ' T2 T1 ' T1 T2 ln ' T2 T1
20
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
换热器的经济衡算：
化工生产中，工艺预热的回收是众所周知的问题。 如下图所示：
W、t1、 CP
1
TL、工艺余热 t
2
Th、新鲜高压蒸汽 t2
废热回收利用换热过程
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3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
流率为W的冷流体从温度t1预热到t2，如果仅用换 热器2，全部用新鲜蒸汽加热，换热量为：
3.2 换热过程
1
2
3
3.2.1 传热节能的理论基础
传热过程的有效能损失
有效能的利用与损耗是评价换热过程经济性的重 要指标。对于稳定传热过程，传热速率为Q，则
T0 高温流体的有效能： E xh 1 Q Th
低温流体的有效能： E xl
T0 1 Q Tl


对所需的传热温差，各温度可相互推算，不同的热 载体温度（T1、T2），有效能损失不同。因此，生 产上既要满足工艺要求，又应使有效能损失最小。
如一工艺物料，从00C预热至1000C，维持传热温差 50K，不同温wenku.baidu.com热载体有效能损失如下表：
10
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
11
有效能损失(相对值)
0 100 200 20 0 100 175 31 0 100 150 50 0 100 125 88
0 100 120 100 50
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
可见：选用1500C 500C的载热 体最节能，因为传热过程的有效能 损失最小。
12
33
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
解：系统图示如下
W、t1、 CP
1
TL、工艺余热
2
Th、新鲜高压蒸汽
t
t2
废热回收利用换热过程
查得 :
H hv 2064kJ/kg H lv 2240kJ / kg
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3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
则：
Sf—换热设备投资费用单价，元/米2·年。总成本：
C
0
0 $1
0 $2
S hWC P t 2 t1
S f WC P K
Th t1 ln Th t 2
24
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
若采用余热回收联合方案时，系统中增加了一台换 热器，换热器1、2间的温度为 t ，而 t 的选取将 直接影响系统的经济性。
T0 T1 M k1 T1 T2 1 ln T1 T2 T2 T1 T2 k2 K
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3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
上式对T2求偏导：
M T0 T1 k1 1 ln T2 T1 T2 T2 T0 T1 k1 T1 T2 [ ln 2 T1 T2 T2 T0 1 k2 ] T1 T2 T2 K
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
经济排热温度：
对于温度为T1的热流体，在换热过程中存在着最 经济的排出温度T2。热流体可提供的热量:
Q WC P T1 T2
T0 E x Q 1 Tm
若用平均温度计算有效能，则：
13
3.2.1 传热节能的理论基础
6
3.2.1 传热节能的理论基础
传热过程的有效能损失
传热过程的温差愈大，有效能损失愈大。因此，对
于增大温差提高传热速率的设备，存在节能潜力；
有效能损失与热力学温度成反比，对于深冷工程尤
为重要；
若Tl=T0，因为Q与（Th-T0）成正比，因此有效能 减小传热温差，会降低传热速率，就必须提高K。
1 $2
WC P Tl t1 Q1 S f A1 S f Sf ln Kt m1 Tl t K
26
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
则第一台换热器的成本为：
C1
1 $1
1 $2
WC P Tl t1 SlWC P t t1 S f ln Tl t K
0 $1 0 $2 0 A2 0
38364WC P 1330WC P 2.66WC P
0 $1 0 $2
元 /年 元 /年 米
2
C
39694WC P
元 /年
36
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
2. 新鲜蒸汽与废蒸汽联合加热方案：先应求出最 经济的中间温度 t 。
换热器的节能与经济效益
第二台换热器的成本为：
C2
2 $1
2 $2
WC P Th t ShWC P t 2 t S f ln Th t 2 K
29
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
联合系统的总成本：
C C1 C 2 WC P Tl t1 SlWC P t t1 S f ln Tl t K WC P Th t ShWC P t 2 t S f ln Th t 2 K
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3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
对于第二台换热器，其蒸汽费用为：
2 $1
ShWC P t 2 t1
换热器投资的折旧费用为：
2 $2
WC P Th t S f A2 S f ln Th t1 K
28
3.2.1 传热节能的理论基础
0 A2 0 Q2

t 2 t1 K Th t1 ln Th t 2
WC P ln Th t1 K Th t 2
23
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
换热器的设备投资折旧费用为：
0 $2

0 S f A2
WC P Th t1 Sf ln K Th t 2
换热器的节能与经济效益
T
T1 △ t2 T2
假设传热温差为△，则流 体的平均温度：
△
t1
Q
逆流换热器
t 2 t1 T1 T2 Tm t2 T1 ln ln t1 T2
14
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
则有效能的计算可写成：
T0 T1 E x Q 1 ln T1 T2 T2 单位热容量流率的有效能为： [Q WC P T1 T2 ] Ex T0 T1 T1 T2 1 ln WC P T1 T2 T2
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3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
整理得：
M k1T0 k2 k1 T2 T2 K
，得最适宜的排放温度：
令
M 0 T2
T0 T2 k2 1 k 1 K
19
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
上式表明：当能量费用k1愈大，设备折旧 费用k2愈小时，则排放温度T2愈低。 故排放温度，应根据具体情况综合予以考 虑。
0 Q2
WC P t 2 t1 , kJ / h
0 S hQ2
所需蒸汽的费用：
0 $1

S hWC P t 2 t1 , 元 / 年
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3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
Sh—新鲜高压蒸汽的价格，元/千焦； θ —换热器全年工作时间，小时。 所需传热面积：
' T1 0
C
' T2 0
T1
0
T2
0
Tm
K
50 50 50 50
热流量（相对值）
C
C
C
WC P 100 E xl T 1 1 100 0 T T Q T1 T2 Q l h
0.56 0.69 1.00 2.70 5.00 0.135 0.126 0.125 0.142 0.15
4
3.2.1 传热节能的理论基础
传热过程的有效能损失
传热过程的有效能损失为：
Dl E xh E xl
1 1 T0 Q Tl Th
T0 Th Tl Q ThTl
5
3.2.1 传热节能的理论基础
E xl Th Tl T0 传热过程的有效能效率： x E xh Tl Th T0
损失与(Th-T0)2/Th成正比，反映了保温工作的重要性；
7
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的热能图
d
T
a 0
b
c
Q
T0/T
根据此原理，任意换热 过程均可表示在图上， 有效能和有效能损失一 目了然。
热、有效能图
8
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
换热过程中不同热载体温度的有效能损失
30
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益
为了获得最经济的温度 t ，C 对 t 求导：
S f WC P / K dC SlWC P dt Tl t S f WC P / K ShWC P Th t
31
3.2.1 传热节能的理论基础
换热器的节能与经济效益