换热网络.ppt
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第四章 换热网络
• 第一节 换热网络合成的基本问题 • 第二节 夹点技术基础 • 第三节 夹点设计
第四章
第一节 换热网络合成的基本问题
一、换热网络的合成
• 换热器网络的最优合成，就是要合成出一定意义上最优的， 并满足把过程的每个物流由初始温度加热或冷却到目标温 度的换热器网络。
给定的条件
1. 一些需要加热的物流和一些需要冷 却的物流
H1 240 960 1200
Heat into 480 960
H1
H2
C1
100
C2
60
C3
60
200
C4
C5
300
CU1
175
H3
H4
H5
HU1
300
200
50
125
150
400
100
100
200
方案3的改进
FCp=3 H1
600
FCp=1 C1
100
Q=480 580
FCp=2
C2
100
220
Q=240
580 Q=720
122000
220400
200
检验可行性：是否满足最小温差20度
第四章
第二节 夹点技术的基础理论
换热网络的设计步骤
（1）选择过程物流以及所要采用的公用工程加热、 冷却物流的等级；
（2）确定适宜的物流间匹配换热的最小允许传热 温差以及公用工程加热与冷却负荷；
（3）综合出一组候选的换热网络； （4）对上述网络进行调优，得出适宜的方案； （5）对换热设备进行详细设计，得出工程网络； （6）对工程网络作模拟计算，进行技术经济评价
和系统操作性分析。如对结果不满意，返回第 （2）步，重复上述步骤，直至满意；
不同的综合方法，主要体现在第（2）、 （3）、（4）步。
窄点设计（夹点设计）
• 夹点技术是以热力学为基础，从宏观角 度分析过程系统中能量流沿温度的分布， 从中发现系统用能瓶颈所在，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回 收。
Heat into 480 960
• 调优处理的目的是通过重新分配回路中各单元设备的 热负荷减少回路中的单元设备数（如果某一设备重新
分配的热负荷为零，则相当于删去了该设备），同时，
该回路也就被断开了。
热负荷回路的断开
HW
C1
80 －
C2
＋ 160
Heat from 240
H1
＋ 400 － 800
TH1（280） TC1（260）
换热器
TH1（226.7） TC1（100）
换热面积
固定投资
Tmin
公用工程用量
操作费用
最小温差的选择是一个优化问题
备选方案2
100o
440o
100o
420o
580o 580o
反应器
600o
226.7o
200o
600-[1(580－100)]/3=440 440-[2(420－100)]/3=226.7 3(226.7－200)=80 2(580-420)=320 80-320=-240
C1
C2
子网(1)放出热量＝ FCP,hot (Tk Tk1) 3(600 200) 1200 子网(1)吸收热量＝ FCP,cold (Tk Tk1) （1＋2）(580 180)＝1200 子网(1)净热量＝( FCP,hot FCP,cold )(Tk Tk1) 1200 1200 0
备选方案3
20ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱo
100o 180o
580o
反应器
600o
100o 180o
580o
[3(600－200)]= [2(600－200)] + [1(600－200)] (1＋2)(180－100)=240
方案比较
加热量 冷却量加热介质 冷却介质 换热设备 公用工程 公用工程
加热设备 冷却设备
1 320 80 蒸汽
2. 所有物流的流量和进/出口温度 3. 各流股在不同温度下的比热 4. 现有公用工程（如蒸汽，冷却水等）
的温度及其费用
设计最优（总费用最低）的换热器网络
1000 5800 FCp=1
1000 5800 FCp=2
反应器
6000
2000
定义各股物流的 流率与热容的乘
FCp=3 积为热容流率FCp
初始温度 目标温度
Heat into 480 960
1200
HW
H1
Heat into
C1
＋ － 80
400
480
C2
－ ＋ 160
800
960
Heat from 240
1200
HW
C1
0
C2
240
Heat from 240
H1 480 720 1200
Heat into 480 960
HW
C1
240
C2
0
Heat from 240
580o 580o
反应器
600o
600-[2(580－100)]/3=280 280-[1(260－100)]/3=226.7
3(226.7-200)=80 1(580－260)=320
80-320=-240
△Tmin=20
最小温差
TH1（600） TC2（580）
换热器
TH1（280） TC2（100）
子网(2)放出热量＝ FCP,hot (Tk Tk1) 0 子网(2)吸收热量＝ FCP,cold (Tk Tk1) （1＋2）(180 100) 240 子网(2)净热量＝( FCP,hot FCP,cold )(Tk Tk1) 0 240 240
流股 类型
TS(℃)
TT(℃)
FCp
C1 冷
100
580
1
C2 冷
100
580
2
H1 热
600
200
3
△H(MW)
-480 -960 +1200
Utilities
蒸汽, S
650
热水, HW
250
冷却水，CW
80
650 >130 <125
备选方案1
200o
226.7o
100o
260o
280o 100o
水
2
1
1
2 320 80 蒸汽
水
2
1
1
3 240 0 热水
无
2
2
0
二、预测过程的公用工程用量
子网放 热流股 冷流股
子网吸 子网
T1
出热量 H1 600 （580）FCp＝1 FCp＝2 收热量 净热量
1 1200
1200
0
T2
2
0 FCp＝3 200 （180）
240 －240
T3
（120） 100
三、最小换热单元数的估计
• 最小换热单元数＝总流股数－1＝4－1＝3
H1 1200
480
Hot water
240
720 240
480
960
C1
C2
H1 1200
960
Hot water
240 240
240
960
480
C2
C1
四、热负荷回路的确定
HW
C1
80
C2
160
Heat from 240
H1 400 800 1200
• 第一节 换热网络合成的基本问题 • 第二节 夹点技术基础 • 第三节 夹点设计
第四章
第一节 换热网络合成的基本问题
一、换热网络的合成
• 换热器网络的最优合成，就是要合成出一定意义上最优的， 并满足把过程的每个物流由初始温度加热或冷却到目标温 度的换热器网络。
给定的条件
1. 一些需要加热的物流和一些需要冷 却的物流
H1 240 960 1200
Heat into 480 960
H1
H2
C1
100
C2
60
C3
60
200
C4
C5
300
CU1
175
H3
H4
H5
HU1
300
200
50
125
150
400
100
100
200
方案3的改进
FCp=3 H1
600
FCp=1 C1
100
Q=480 580
FCp=2
C2
100
220
Q=240
580 Q=720
122000
220400
200
检验可行性：是否满足最小温差20度
第四章
第二节 夹点技术的基础理论
换热网络的设计步骤
（1）选择过程物流以及所要采用的公用工程加热、 冷却物流的等级；
（2）确定适宜的物流间匹配换热的最小允许传热 温差以及公用工程加热与冷却负荷；
（3）综合出一组候选的换热网络； （4）对上述网络进行调优，得出适宜的方案； （5）对换热设备进行详细设计，得出工程网络； （6）对工程网络作模拟计算，进行技术经济评价
和系统操作性分析。如对结果不满意，返回第 （2）步，重复上述步骤，直至满意；
不同的综合方法，主要体现在第（2）、 （3）、（4）步。
窄点设计（夹点设计）
• 夹点技术是以热力学为基础，从宏观角 度分析过程系统中能量流沿温度的分布， 从中发现系统用能瓶颈所在，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回 收。
Heat into 480 960
• 调优处理的目的是通过重新分配回路中各单元设备的 热负荷减少回路中的单元设备数（如果某一设备重新
分配的热负荷为零，则相当于删去了该设备），同时，
该回路也就被断开了。
热负荷回路的断开
HW
C1
80 －
C2
＋ 160
Heat from 240
H1
＋ 400 － 800
TH1（280） TC1（260）
换热器
TH1（226.7） TC1（100）
换热面积
固定投资
Tmin
公用工程用量
操作费用
最小温差的选择是一个优化问题
备选方案2
100o
440o
100o
420o
580o 580o
反应器
600o
226.7o
200o
600-[1(580－100)]/3=440 440-[2(420－100)]/3=226.7 3(226.7－200)=80 2(580-420)=320 80-320=-240
C1
C2
子网(1)放出热量＝ FCP,hot (Tk Tk1) 3(600 200) 1200 子网(1)吸收热量＝ FCP,cold (Tk Tk1) （1＋2）(580 180)＝1200 子网(1)净热量＝( FCP,hot FCP,cold )(Tk Tk1) 1200 1200 0
备选方案3
20ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱo
100o 180o
580o
反应器
600o
100o 180o
580o
[3(600－200)]= [2(600－200)] + [1(600－200)] (1＋2)(180－100)=240
方案比较
加热量 冷却量加热介质 冷却介质 换热设备 公用工程 公用工程
加热设备 冷却设备
1 320 80 蒸汽
2. 所有物流的流量和进/出口温度 3. 各流股在不同温度下的比热 4. 现有公用工程（如蒸汽，冷却水等）
的温度及其费用
设计最优（总费用最低）的换热器网络
1000 5800 FCp=1
1000 5800 FCp=2
反应器
6000
2000
定义各股物流的 流率与热容的乘
FCp=3 积为热容流率FCp
初始温度 目标温度
Heat into 480 960
1200
HW
H1
Heat into
C1
＋ － 80
400
480
C2
－ ＋ 160
800
960
Heat from 240
1200
HW
C1
0
C2
240
Heat from 240
H1 480 720 1200
Heat into 480 960
HW
C1
240
C2
0
Heat from 240
580o 580o
反应器
600o
600-[2(580－100)]/3=280 280-[1(260－100)]/3=226.7
3(226.7-200)=80 1(580－260)=320
80-320=-240
△Tmin=20
最小温差
TH1（600） TC2（580）
换热器
TH1（280） TC2（100）
子网(2)放出热量＝ FCP,hot (Tk Tk1) 0 子网(2)吸收热量＝ FCP,cold (Tk Tk1) （1＋2）(180 100) 240 子网(2)净热量＝( FCP,hot FCP,cold )(Tk Tk1) 0 240 240
流股 类型
TS(℃)
TT(℃)
FCp
C1 冷
100
580
1
C2 冷
100
580
2
H1 热
600
200
3
△H(MW)
-480 -960 +1200
Utilities
蒸汽, S
650
热水, HW
250
冷却水，CW
80
650 >130 <125
备选方案1
200o
226.7o
100o
260o
280o 100o
水
2
1
1
2 320 80 蒸汽
水
2
1
1
3 240 0 热水
无
2
2
0
二、预测过程的公用工程用量
子网放 热流股 冷流股
子网吸 子网
T1
出热量 H1 600 （580）FCp＝1 FCp＝2 收热量 净热量
1 1200
1200
0
T2
2
0 FCp＝3 200 （180）
240 －240
T3
（120） 100
三、最小换热单元数的估计
• 最小换热单元数＝总流股数－1＝4－1＝3
H1 1200
480
Hot water
240
720 240
480
960
C1
C2
H1 1200
960
Hot water
240 240
240
960
480
C2
C1
四、热负荷回路的确定
HW
C1
80
C2
160
Heat from 240
H1 400 800 1200