第八章 换热网络综合

8.2 过程系统夹点的准确确定 – 问题表格法
多夹点问题
T
P2
Q
Tm in
P1 Tm in
Tm a x
处理方法一
夹点P2上方作为热阱 夹点P1下方作为热源 两夹点之间为热回收
H
处理方法二
寻找逆夹点Q，以Q为界将问题分为两个单夹点问题。
8.2 过程系统夹点的准确确定 – 问题表格法
对传热温差的贡献
25
C2
SN6
20
C1
夹点
8.3 换热器网络的综合
二、热端（夹点上方）的设计
150 H1
夹点上方 夹点 CP
Q
1
90
2.0
120
125
118
C1
H
100
C2
H
70
2.5
137.5
70
3.0
90.0
CPH ≤CPC NH ≤ NC
经验规则1 一次换热处理完一股物流 经验规则2 匹配物流热容流率应相近
8.3 换热器网络的综合
二、冷端（夹点下方）的设计
CP
夹点
夹点下方
H1 90
3 80 C 60 2.0
H2 90
1 C1 70
2 28
60 8.0 20 2.5
C2 70
25 3.0
Q
60 3.5 240 4.5
125
135
还可有其他换热方案
CPH ≥ CPC NH ≥ NC
还需调 优
三、将冷、热两端设计方案合并
H
8.3 换热器网络的综合
夹点匹配可行性规则二
对于夹点上方，每一夹点匹配的热物流的热容流率
CPH应不大于冷物流的热容流率CPC，即CPH≤ CPC；夹
点下方，则应有CPH≥CPC。
夹点
CPH
H
1
可行性规则是为了保证传热温差
CPC
C
T
夹点
ΔT1
ΔTmin
T
夹点
ΔT1
ΔTmin
H
H
8.3 换热器网络的综合
• 两流股在各自操作的温度区间内热容不随温度变化
T
T01
1
Te1
T
Te2
2
T02
H
H
H1 冷热流体的T-H图 H2
8.1 过程系统的夹点及其意义
2.T-H图的水平平移
T
性质
T
流股T-H直线的平移不改变流股
的初始、中止温度与交换焓的值
H H1 H1
3.两股工艺物流的换热设计
T 热流 1
冷流 2
放热 10
50 120
H2 60 90
300 60
0
0
需热 -10 12.5 105 -135 82.5 12.5
物理意义？
对下传热
10 -2.5 -107.5 27.5 -55 -67.5
8.2 过程系统夹点的准确确定 – 问题表格法
（2）列表给出各子网络热量衡算结果
子网络 需热 接受热 对下传热
H
原则
1. 共用工程消耗最少 2. 传热温差必须始终高于最低值ΔT min
8.1 过程系统的夹点及其意义
T
T
夹点
夹点温度
T
Tm in
QC
QH
H
QE
ΔT >ΔT min
QE ,m a x
H
QC ,m in
QH ,m in
ΔT =ΔT min
当最终传热温差高于ΔT min时，热能未被充分回收
两物流曲线水平靠近可降低最终传热温差，提高热 能回收率
H2
2 >90
1 90
如何解决？
C1
80+dT1
80
8.3 换热器网络的综合
将冷物流C1分支与H1匹配
夹点
Fra Baidu bibliotek
>90 H1
H2
>90
C1
2
1
90
90 为何可以肯定冷 物流分支可以达
到目标？
80
若夹点上方NH≤ NC？
夹点上方
夹点
H1 1
夹点上方引入热公用工程H加热 C1
冷物流并不违反夹点设计法原则。 C2
夹点一定存在？
TC,0
工艺流股热交换完毕后，
TH,0
换热器
用公用工程满足最后要求 TH,P
TC,2
无夹点情况 - 门槛问题
多股流股怎么办？
T 1 2
H
只需公用工程冷却
最低传热 温差皆高
于ΔT min
T 1 2
H
只需公用工程加热
T 1 2
门槛温差 水平右移冷流股致当前位置， 再右移则增加公用工程消耗。
SN1 -10.0
0
10.0
SN2
12.5
10.0
-2.5
SN3 105.0 -2.5
-107.5
SN4 -135.0 -107.5
27.5
SN5
82.5
27.5
-55.0
SN6
12.5
-55.0
-67.5
热量不能由低温度区间的子网络传给高温度区间的子网络。
8.2 过程系统夹点的准确确定 – 问题表格法
（3）引入公用工程，并给出各网络热量新的衡从算热结入公果1用07工.5程引
需热 对下传热 真实对下传热
150
H1
SN1
125 145
-10
10
117.5
SN2
12.5
-2.5
105
100 120
SN3
H2 105
-107.5 0
70 90
SN4
40 60
-135
27.5
135
SN5
25
C2
SN6
20
8.3 换热器网络的综合
一、夹点设计法
基本原则
1. 避免有热流量通过由夹于点夹点处约束最多
2. 夹点上方避免冷公因用此工应程从夹计点开始设
3. 夹点下方避免热公用工程
夹点匹配
换热器1、2为夹点 匹配，换热器3非夹 点匹配。
夹点上方
夹点 夹点下方？
H1 2
H2
3
1
夹点上方的夹 点匹配其热物
流出口温度为
4. 考虑换热系统的操作性、安全性，以及生产工艺的 某些特殊规定。
8.3 换热器网络的综合
例 一个过程系统含2个工艺热流和2个工艺冷流，给定它们数
据如下表，选取最小传热温差ΔT min=20°C ，试设计一个换热 网络，使其具有最大热回收。
流股标号
热容流率 CP/(kW/°C)
H1
2.0
H2
8.0
物流间匹配换热的经验规则 在满足夹点匹配可行性规则之后，为降低设备投
资费，有2条经验规则。
经验规则1 减少设备投资费用
选择每个换热器的热负荷等于该匹配的冷、热物 流中热负荷较小者。
经验规则2
减少有效能损失
在考虑经验规则1的前提下，如有可能，应尽量选 择热容流率值相近的冷、热物流进行匹配换热。
8.3 换热器网络的综合
8.2 过程系统夹点的准确确定
例 一个过程系统含2个工艺热流和2个工艺冷流，给定它们数
据如下表，选取最小传热温差ΔT min=20°C ，试确定该过程系 统的夹点位置。
流股标号
热容流率 CP/(kW/°C)
H1
2.0
H2
8.0
C1
2.5
C2
3.0
初始温度 Ts/°C 150
90
20
25
目标温度 Tt/°C 60
夹点设计法的要点
1. 在夹点处，将换热网络分隔开，形成可独立解决的 子问题热端及冷端；
2. 对每个子问题，先从夹点开始设计，采用夹点匹配 规则及经验规则，决定物流间匹配换热的选择以及 物流是否需要分支；
3. 离开夹点后，可使用物流匹配换热经验规则，但传 热温差接近ΔT min时，仍须考虑夹点匹配规则；
ΔT=TH-TC=ΔTH+ΔTC
8.2 过程系统夹点的准确确定 – 问题表格法
虚拟温度
计算出对传热温差的贡献之后，匹配传热的热物流 i 和 冷物流 j 的虚拟温度如下：
TTCH,,ij
TH ,i TC, j
TH ,i TC, j
以各物流的虚拟温度为标准，可选择全过程系统的最小
允许传热误差ΔT min =0，随后进行夹点分析。
传热温差的确定考虑了最小允许传热温差的因素。
8.3 换热器网络的综合
8.3 换热器网络的综合
研究背景 化工生产过程中，人们希望将待冷却的热物流与
待加热的冷物流合理地匹配换热，提高个过程的热回 收效率，且减少设备投资费用和操作费用。 主要方法 夹点设计法、换热网络的调优 基于温-焓图的设计 结构优化方法
0
135.0
SN5
82.5
135.0
52.5
SN6
12.5
52.5
40
没有热量交换的子网络之间即存在夹点 热、冷端的夹点温度各是多少？
8.2 过程系统夹点的准确确定 – 问题表格法
0 kW
热级联图
QH ,min 107 .5kW
SN1
SN1
10
117.5
SN2
热阱
SN2
-2.5
105
夹点
SN3
-107.5
SN3
0
SN4
SN4
27.5
135
SN5
热源
SN5
-55
52.5
SN6
-67.5
SN6
40
8.2 过程系统夹点的准确确定 – 问题表格法
夹点的意义 •夹点处冷、热物流间传热温差最小，且无热流量 •夹点处过程系统的热流量为0 •夹点上方为热阱，下方为热源
公用工程的设计原则
1. 夹点处不该有热流量 2. 热阱只能引入热公用工程 3. 热源只能引入冷公用工程
60
125
100
热负荷 Q/kw 180.0 240.0 262.5 225.0
8.2 过程系统夹点的准确确定 – 问题表格法
（1）根据冷热物流数据划分出子换热网络。
吸热
SN1 0
125
SN2 62.5
100
SN3 165
70
SN4 165
40
SN5 82.5 SN6 12.5
25 C2
20
C1
150 H1 145
第八章 换热网络综合
• 主要内容
– 一、夹点技术的理论基础
• 过程系统的夹点及其意义 • 过程系统夹点的准确确定 • 多夹点问题与无夹点问题
– 二、换热网络的综合
• 夹点设计法 • 换热器网络的调优 • 其他方法
8.1 过程系统的夹点及其意义
一、温-焓图与夹点
1. 假设
• 流股1需要被冷却，流股2需要被加热
C1
2.5
C2
3.0
初始温度 Ts/°C 150
90
20
25
目标温度 Tt/°C 60
60
125
100
热负荷 Q/kw 180.0 240.0 262.5 225.0
8.3 换热器网络的综合
一、做夹点分析
150
H1
SN1 125 145
SN2 100 120
SN3
H2
70 90
SN4 40 60
SN5
C1
热物流夹点温
C2
度
8.3 换热器网络的综合
设计的主要步骤 1. 确定冷、热物流的数目 2. 确定互相匹配的物流
夹点匹配可行性规则一
夹点上方（热阱）热物流数（包括分支）NH应不大于
冷物流数（包括分支）NC，即NH≤ NC；夹点下方则应
有NH≥NC。
>90
90
H1
H1若与C1匹配传热则末
端传热温差低于ΔT min
8.1 过程系统的夹点及其意义
二、T-H图确定过程系统夹点
T
夹点下方
夹点上方 B
夹点上方为热阱 夹点下方为热源
D
Tm in
A
QC ,m in
P Q 夹点
QR ,m ax
依据该图可设计换热方案
C
QH ,m in
H
ΔT min的选取
ΔT min是一个待优化 的决策变量，通常经 过试差选取。
最小传热温差对费用的影响
实际问题中，不同冷、热流股的匹配传热具有不同
的最小允许传热误差ΔT min，如何消除单一ΔT min的影响
以进行夹点分析？
热流体H TH
ΔT H = T H -T
T
换热器壁
ΔT C = T - TC
对传热温差贡献 TC 的实际确冷定流较体C复杂 ΔT H与ΔT C分别称为热、冷
流体对传热温差的贡献，有：
H 门槛温差的意义？
提高传热温差
8.1 过程系统的夹点及其意义
4. T-H图的组合曲线
T
T
组合曲线
T2
T2
T1
T1
意义
H蓝 H绿
H
H
H 组
组合曲线将多股流股的热量需求表现在一条折线上
T
组合曲线的特殊情况
H
8.1 过程系统的夹点及其意义
多股流股的组合曲线构造
T
H
通常将过程系统的全部工艺热流组合成一条折线，全部工艺 冷流组合成另外一条折线，随后进行夹点分析。
C1
82.5
-55
52.5
12.5
-67.5 40
用冷公用工程消耗40
8.2 过程系统夹点的准确确定 – 问题表格法
（4）列表表示引入公用工程后各网络热量新的衡算结果
子网络
需热
接受热
对下传热
SN1
-10.0
107.5
117.5
SN2
12.5
117.5
105
SN3
105.0
105
0
SN4
-135.0
当最终传热温差等于ΔT min时，热能被充分回收
8.1 过程系统的夹点及其意义
T
TH ,0
T TH ,P
TC ,2
H ,1
Tm in
TC ,1
TC ,0
QE ,m a x
H
QC ,m in
QH ,m in
ΔT =ΔT min
公用工程最省的换热方案
夹点的意义
1. 夹点上方无需公用工程冷却 2. 夹点下方无需公用工程加热 3. 夹点处无换热