夹点温度合成换热网络的理解

)(s t p T T Wc Q H -==∆利用夹点温度合成换热网络

摘要：化工生产中存在着大量的需要换热的工段，有些需要加热，有些需要冷却或冷凝。如果能够合理地设计好换热网络系统，就可以最大限度地减少公共供热或供冷，而且还可能减少设备投资，达到节能的目的。夹点技术（Pinch Technology ）是合成换热网络常用的综合设计技术。利用该技术设计合成公共供热或供冷最小的换热网络，在降低能耗，减少投资，保护环境等方面成效显著。

关键词：夹点技术、夹点的确定及意义、换热网络合成

1.夹点技术

夹点技术是以热力学为基础，从宏观的角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发现系统的用能“瓶颈”所在，并给以“解瓶颈”的一种方法。夹点限制了换热网络可能达到的最大热回收。用夹点技术设计合成的换热网络，可推广应用于整个过程系统的能量分析与调优。目前，夹点技术在实际中应用广泛，取得较好的成效。我国高校，设计部也已将夹点分析方法用于原油预热系统的节能改造，取得满意效果。

1.1温焓图

用温焓图（T-H 图）能够简单明了地描述过程系统中换热网络中物流的热特性。在温焓图上可以用一段线段或曲线描述物流的换热过程。例如，当某一工艺物流从供应温度Ts 加热或冷却到目标温度Tt,其所需的热量或冷量（该过程的焓差）为

式中，W 为质量流率kg/h;Cp 为比热容,kJ/kg.K;

由此，就可在温焓图中画出表示物流温度及热量的变化的直线。若Q 为负值，表示物流被冷却，需要冷量，在图中的直线为有一条箭头指向左下方的直线；若Q 为正值，表示物流被加热，需要热量，在图中的直线为有一条箭头指向右上方的直线。若为一水平线，则表示为饱和物质流体的焓变，过程中温度保持不变。若为曲线，则表示为多组分物质流体的热量变化。

1.2组合曲线

在一个过程系统中，会有多股热物流和冷物流，在研究过程中，常常把多股物流在温焓图中有机结合在一起，同时考虑冷热物流的匹配换热问题，这样才更有意义。因此，即需在温焓图中画出组合曲线。

在温焓图中，可做出多股热物流和多股冷物流的热组合曲线和冷组合曲线。即把相同温度间隔内物流的热负荷累加起来，然后在该温度间隔中用一个具有累加热负荷值的虚线物流来代表即可。

2、夹点的确定及意义

2.1夹点的确定

（1）作图法

夹点的位置可以在温焓图中直观的确定出来。为确定夹点温度，需知道最小传热温差m in T ∆。 在温焓图中先根据所给的温度作出热物流组合曲线和冷物流组合曲线，让两条物流曲线在水平方向上相互靠近，当两物流曲线在某处的垂直距离正好等于m in T ∆时，该处即为夹点。由此即可确定热流体的夹点温度和冷流体的夹点温度，热冷流体的夹点温差刚好等于m in T ∆。

确定夹点后，还可以在温焓图中确定过程系统中所需最小公用工程加热量Q H,min ，最小公用工程

冷却量Q C,min 以及最大回收热量Q R,max 。夹点把过程系统分隔成了两部分，即夹点上方和夹点下方。

夹点上方为热端，只需用公用工程加热，夹点下方为冷端，只需用公用工程冷却。

（2）表格法

① 确定区间温度

将所有冷流体的供应温度和目标温度上升m in T ∆/2,将所有热流体的供应温度和目标温度下降m in T ∆/2，将调整后的温度从高到低排列，得到若干温度区间。

② 计算所需热量或冷量

在每个温度区间的热平衡内，计算各温去所需热量或冷量。公式为∑∑+--=∆))((1i i C H i T T CP CP H

i H ∆有正有负，一般，夹点就在i H ∆小于

0的区间。 ③ 计算热级联

找到最小的的外加热量，使原来的输出热量为负值的区间变成输出热量为零的区间，该区间的下限温度就是夹点的温度。

2.2夹点的意义

夹点的意义有如下2点：

（1）夹点出热冷物流间传热温差最小，为m in T ∆，它限制了过程系统能量的回收，成为了系统用能的“瓶颈”。为此，需要改善夹点，以“解瓶颈”。

（2）夹点处过程系统的热流量为零。即夹点处没有热流流过。

3、换热网络合成

换热网络的合成就是利用夹点技术设计出能够回收最大热量的换热网络。而换热网

络是有很多的，所以需要对换热网络进行优化。所谓的换热网络的优化，是在完成规定换热任务下可能换热器数目最小，也有可能是公用工程消耗的能量最小，或是总操作费用最小。目前，最常用的是公用工程能量消耗最小及总操作费用最小两个指标。

由上述已可确定夹点，由此即可设计换热网络。根据夹点的意义，在换热网络设计

时，应遵循以下原则：

（1）夹点上方不能引入任何冷工用工程；

（2）夹点下方不能引入任何热工用工程；

（3）在夹点处不能有跨越夹点的传热。

此外，在进行设计应用时，还应遵循换热器的流股匹配法则：

① 夹点之上的所有的热流在夹点处只能和那些热容流率比自己大或相等的 冷流相匹配；即保证在传热过程中传热温差大于最小传热温差；即C H CP CP ≤

② 夹点之下的所有的冷流在夹点处只能和那些热容流率比自己大或相等的热流相匹配；即保证在传热过程中传热温差大于最小传热温差；即H C CP CP ≤

除此之外，还须满足一个要求，即最大限度地满足其中一个流股的换热，使这一流股的热量尽量用一台换热器用尽。如果在夹点之上，则先满足热流股；如果在夹点之下，则先满足冷流股。

根据所述的设计原则、匹配法则、基本要求，即可合成换热网络。

虽然利用夹点技术可以设计出最大能量回收系统的换热网络，但从经济上讲，并不是最优的系统，所以，还可以对换热网络进行改善，使其更优化。

结论

换热网络的合成需要利用夹点技术。夹点技术是以热力学为基础，从宏观的角度分析过程系统中能量流沿温度的分布，从中发现系统的用能“瓶颈”所在，并给以“解瓶颈”的一种方法。夹点的确定需要在温焓图中利用热冷物流的组合曲线确定。让热冷两条物流曲线在水平方向上相互靠近，当两物流曲线在某处的垂直距离正好等于m in T ∆时，该处即为夹点。夹点确定后，即可确定过程系统中所需最小公用工程加热量Q H,min ，最小公用工程冷却量Q C,min 以及最大回收热量Q R,max 。利用所确定的夹点，就可以合成换热网络。

致谢 感谢韩媛媛老师的教导

参考文献

【M 】张卫东 孙巍 刘君鹏等 化工过程分析与合成 【M 】北京 化学工业出版社2016，277~287

【M 】方利国 化工过程系统分析与合成 【M 】北京 化学工业出版社 2013，,102~115

【M 】都健 化工过程分析与合成 【M 】大连 大连理工大学出版社2012,202~211

附：