换热器网络的综合

第六章换热器网络的综合

换热器网络的综合的目标是，在公用工程用量最少的前提下，寻找设备投资最少（即换热单元数最少）。实际上，这个目标很难同时满足，在实际进行网络设计时，一般是先找出最小公用工程消耗，然后再采取一定方法，减少换热单元数。

6.1 热力学最小传热面积网络的综合

根据有效能分析，在T-H图上合理分配传热温差及热负荷，实现冷热流体的逆流分配，得到满足要求的热力学最小面积网络。

具体步骤：

①搜集物流数据：流量、温度、比热容、汽化热等；

②构造冷、热物流的组合曲线；

③调整冷热物流的组合曲线，使得最小传热温差不小于指定值；

④划分温度间隔区间，进行物流匹配。

具体作法说明：

例如，一换热器系统，包含两个热物流H1、H2和一个冷物流C1，经上述步骤一、二、三后，在T-H图上得到的结果如图6-1所示。线段AE、FD、GH分别表示物流H2、H1、C1，热物流的组合曲线为ABCD，物流间的最大换热量为Q R，所需的最小公用工程冷却负荷为Q C,min，所需的最小公共工程加热负荷为Q H,min。

图6-1 确定物流间的最大换热量

按照第四步，进行组合曲线区间的分割，由热物流组合曲线的折点B和C，分别引垂线交冷物流线段GH于点I和P，则表面冷物流C1的IP段要同热物流H1的CF线段进行匹配热物流H2的BE部分匹配换热，为此，要把冷物流的IP段要分解为两股物流，分割结果见图6-2。

图6-2 分割区间确定匹配关系

图6-3 对应图6-2的换热网络

换热网络合成的研究

（1）Hohmann的开创性工作。

提出了换热网络最少换热单元数的计算公式，在温焓图上进行过程物流的热复合，找到了换热网络的能量最优解，即最小公用消耗，从理论上导出了换热网络的两个理想状态，从而为换热网络设计指明了方向。

（2）Linnhoff和Flower的工作

从热力学的角度出发，划分温度区间和进行热平衡计算，这样可通过简单的代数运算就能找到能量最优解（即最小公用工程消耗），这就是著名的温度区间法（简称TI法）。

工业换热器网络的设计，大都以总的年费用最小为目标。总的年费包括操作费和设备投资费（以年计），这是一个综合指标，要兼顾多个目标：公用工程负荷最小，换热面积最小，换热设备数最小，换热器适宜的传热温差，设备、泵、管路等具体工程因素。以年费为目标优选ΔT min的方法（参见第五章的PPT）。一旦ΔT min选定，则确定了系统的夹点。

夹点的存在限制了能量的进一步回收，它表明了换热网络消耗的公用工程用量已达到最小状态。求解能量最优的过程就是寻找夹点的过程。夹点把整个问题分解成了夹点上热端与夹点下冷端两个独立的子系统，在夹点之上，换热网络仅需要热公用工程，因而是一个热阱。在夹点之下，换热网络只需要冷公用工程，因而是一个热源，避免夹点之上热物流与夹点之下冷物流间的匹配，夹点之上禁用冷却器，夹点之下禁用加热器。下面介绍如何利用夹点的特性，设计能量最优的热回收网络，以及如何对网络结构进行调优。

6.2 夹点处物流间匹配换热的可行性规则

因为夹点处温差最小，限制最严，一旦离开夹点，选择的余地就加大了，由于夹点处的特性，导致夹点的处的匹配不能随意进行，因此提出夹点匹配的概念，可以通过图6-4理解。

图6-4夹点匹配示意图

图(a)中的换热器1为夹点匹配，其热物流H1与冷物流C1直接与夹点相通，即换热器1的右端传热温差已达到ΔT min，不能再小了。但换热器2不是夹点匹配，因为其中热物流H1与夹点间隔着换热器1。图(b)中，换热器1及换热器2皆为夹点匹配，但换热器3不是夹点匹配。下面讨论夹点之上及夹点之下的匹配规则。

夹点匹配可行性规则l：对于夹点上方，热物流数目(包括其分支物流)NH不大于冷物流(包

括其分支物流)数目NC ，即，

NC NH ≤

该规则可解释如下。参看图6-5(a)，其中热物流号为l ，2，3，冷物流号为4、5。热物流2同冷物流4(换热器1)及热物流3同冷物流5(换热器2)为夹点匹配，此时还剩下热物流1，已不能与冷物流构成夹点匹配了。若热物流l 同冷物流4或5进行匹配则必定违反ΔT min 的要求，这是因为冷物流4经换热器1后温度上升为(80+dT 4)，冷物流5经换热器2后温度上升为(80+dT 5)，而热物流1在夹点处的温度为90C ，显然[90-(80+dT 4)]或[90-(80+dT 5)]都小于规定的ΔT min ＝10℃。所以，为了使热物流1冷却到夹点温度90℃，只好采用公用设施冷却物流，但这违反了前面叙述过的基本原则之二，即在夹点上方引入公用设施冷却物流，必然增加了公用设施加热负荷，造成双倍的浪费，达不到最大的热回收。为此，夹点上方一定要保证用夹点处的冷物流把热物流冷却到夹点温度，即保证热物流为夹点匹配。对于图6-5(a)的情况，考虑用冷物流5(或冷物流4)的分枝同热物流1进行匹配换热，见图(b)，则满足了ΔT min 的传热温差要求，而且不必引入公用设施冷却物流。

图6-5 夹点上方NC NH >时

当夹点上方冷物流数多于热物流数时，如图6-6所示，若冷物流找不到热物流同其匹配，则可引入公用设施加热物流把其加热到目标温度，即设置加热器量，这是允许的，并不违背前述的夹点设计基本原则。

C 5 C 4 H 2

H 1 H 3 (a)

(b)

图6-6 夹点上方NC NH <

对于夹点下方，热工艺物流（包括其分支物流）数目NH 不小于冷工艺物流（包括其分支物流）的数目NC ，即： 该不等式刚好与夹点上方(热端)的情况反向。夹点下方应尽量不引入公用设施加热物流，否则会造成公用设施加热与冷却负荷的双倍浪费。该规则的说明可参见图6-7。当热物流数多于冷物流数，如图6-7(c)所示。若热物流找不到冷物流与其匹配时，则可引入公用设施冷却物流把其冷却到目标温度，即设置冷却器C 。

C 4 C 3 H 1

H 2 C 5

C

H N N ≥C 4 C 3 H 1 H 2 C 5

（a ）

C 4 H 3 H 1 （c ）

H 2 C 5

(b)

图6-7 夹点下方冷热流股匹配