【新】换热器网络综合

情况（a）的传热平均温差：
Tm
T2 T1 ln T2
30 10 ln 30
18.2 ℃
T1
10
按此传热温差，推算出冷流体的入口、出口温度，如图：
现计算其传热过程的有效能损失： 热物流的热力学平均温度仍为TH=352.9 K 冷物流的热力学平均温度为
TL
(273 71.8) (273 51.8) ln 273 71.8
换热器网络的综合
什么是换热网络？
对于一个含有换热物流的工艺流程，将其 中的换热物流提取出来，组成了换热网络 系统。
换热器的作用和意义
•为了使物流温度满足工艺要求， 而且也是为了回收过程热，减少 公用工程消耗。
换热网络合成
• 需要解决的问题：如何确定物流间匹配换热的结构以及相应的换 热负荷分配的问题。
情况(a)：CPH=2CPC 设环境温度T0=293K，热物流的热力学平均温度为
TH
(273 90) (273 70) ln 273 90
352.9K
273 70
冷物流的热力学平均温度为
TL
(273
80)
ln
273 273
(273
80 40
40)
332 .6K
该传热过程的有效能损失为
夹点热端流股的匹配
夹点冷端的流股匹配（1）
夹点冷端的流股匹配（2）
具有最小公用工程加热与冷却负荷的整体设计方案
谢谢大家！
• 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 点但相 换通 热， 器2即不换是热夹器点1匹的配右，端因传为热其温中差热已物达流到ΔHT1m与in，夹不点能间再隔小着了换。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。
夹点匹配可行性规则1
对结果不满意，返回第（2）步，直至满意。
不同的综合方法，体现在（2）、（3）步。
2.热力学最小传热面积网络的综合
• 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。
换热网络合成问题
热物流 H；冷物流 C
H：T初始
冷却
C：T初始
加热
T目标 T目标
换热网络的费用来源
•1.换热单元数 •2.换热面积 •3.公用工程消耗
换热网络设计目标
① 回收热量最大； ② 换热器数目最少； ③ 设备投资最少（总换热面积最小）
换热器网络设计步骤：
（1）选择工艺流股和公用工程流股; （2） 确定经济合理的夹点温差和公用工程用量; （3） 综合出初步的候选换热网络； （4） 将候选网络优化成最好的换热网络; （5）对换热器进行详细设计; （6）模拟计算，进行技术经济评价和系统操作性分析，
• 区间Ⅰ，热物流H2的低温段AS部分同公用工程冷却物流匹配 • 区间Ⅱ，热物流H2的SB部分同冷物流C1的GI部分匹配 • 区间Ⅲ，热物流H2的BE部分同冷物流C1的分支IR部分匹配 • 区间Ⅳ，热物流H1的FC部分同冷物流C1的分支QP部分匹配 • 区间Ⅴ，热物流H1的CD部分同冷物流C1的PW部分匹配 • 区间Ⅵ，冷物流C1的高温段WH部分同公用工程加热物流匹配
273 60
该传热过程的有效能损失为
LW
293 (352.9 342.9)Q 352.9 342.9
0.0242Q
可见(a)的有效能损失比(b)大了一倍还多。但（a）的传热温差 大，故需用的传热面积小，所以还不能说明情况（a）就是不 如情况（b）。进一步分析：
把情况（b）的传热温差增大到与（a）相同，再计算该情况 下的有效能损失。
LW
T0 TH TL
(TH
TL )Q
293 (352 .9 332 .6)Q 352 .9 332 .6
0.0507 Q
情况（b）： CPH=CPC
热物流的热力学平均温度仍为TH=352.9 K 冷物流的热力学平均温度为
TL
(273 80) (273 60) ln 273 80
342.9K
影响总费用的因素
① 换热器数量 ② 换热面积 ③ 单位换热面积费用 ④ 传热过程的总传热系数 ⑤ 公用工程消耗 ⑥ 操作性和可控性
夹点设计法
• 目标：在公用工程用量最少的前提下寻 求设备投资最少（即换热单元数最少）。
• 包括：一是公用工程消耗最少，二是换 热单元数最少。
• 实际上，这个目标很难同时满足，也就是说，当公用工 程消耗最少时，不能保证换热单元数最小。为了减少换 热单元数，往往要牺牲一些能量消耗。
• 3.离开夹点后，确定物流间匹配换热的选择有较多的自由度，可采用之前 的经验规则，但在传热温差的约束仍比较紧张的场合，夹点匹配的可行 性规则还是需要遵循的。
• 4.考虑换热系统的操作性、安全性以及生产工艺上特殊规定等要求。
物流数据 T min=20oC
物流 热容 初始 目标
标号 流率 温度 温度
334.7K
273 51.8
传热过程有效能损失为：
LW
293 352.9334.7
(352.9
334.7)Q
0.0451Q
此时比情况（a）小10%多
夹点设计法 要点
• 1.在夹点处，把换热网络分隔开，形成的独立子问题热端及冷锻可分别处 理。
• 2.对每个子问题，先从夹点开始设计，采用夹点匹配可行性规则及经验规 则，决定物流间匹配换热的选择以及物流是否需要分支。
夹点设计法的核心
① 应该避免有热流量通过夹点 ② 夹点上方应该避免引入公用工程冷却物流 ③ 夹点下方应该避免引入公用工程加热物流
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，选择余地就加 大了。由于夹点处的特性，导致夹点处的匹配不能随意进行
• 为了保证设计出的换热网络能量最优，可以把原问题分解成两个 部分分别进行设计
kW/ oC oC
oC
CP Ts
Tt
H1 2.0 150
60
H2 8.0 90
60
C1
2.5 20
125
C2
3.0 25
100
热负荷
kW Q 180.0 240.0 262.5 225.0
问题表格（1）
子网络序号 冷物流及其温度
k
C1 C2
150
SN1
125 145
热物流及温度 H1 H2
SN2
100 120
[(90- dT1)-80]或[( 90- dT2) -80] 均小于Tmin,只好采用公用工 程加热物流,违反基本原则3
夹点匹配可行性规则2
• 对于夹点上方，每一夹点匹配 • 对于夹点下方，每一夹点匹配
中热物流的热容流率CPH小于 或等于冷物流的热容量流率CPC, 即：
中热物流的热容流率CPH大于 或等于冷物流的热容量流率CPC, 即：
• CPH ≤ CPC
• CPH ≥ CPC
夹点处物流间匹配换热的经验规则
经验规则1
• 选择 每个换热器的热负荷应等 于该换热器冷、热物流匹配中 热负荷较小者，以保证经过一 次换热，既可以使一个物流达 到规定的目标温度,以减少所用 换热设备的数量。
经验规则2
• 应尽量选择热容量流率相近的 冷、热流体进行匹配换热，使 得换热器在结构上相对合理， 且在相同的热负荷及相同的有 效能损失下，其传热温差最大。
SN3
70 90
SN4
40 60
SN5
25
SN6
20
得到如下信息：
在T min=20oC的情况下，夹点温度在90oC（热流体夹点温度） 和70oC（冷流体夹点温度）之间，故
夹点温度
T = 80oC.
最小公用工程加热量
Q H min = 107.5 kw
最小公用工程冷却量
Q C min = 40 kw
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 如图所示。
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
按照第四步，进行组合曲线区间的分割
• 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 • NH ≤ NC
• 对(包于括夹其点分下支方物，流热)数物目流N数C，目即（包括其分支物流)NH不小于冷物流 • NH ≥ NC
[90-(80+dT4)]或[90-(80+dT5)]均 小于Tmin,只好采用公用工程冷 却物流,违反基本原则2
物流数据 T min=20oC
物流 标号
H1 H2 C1 C2
热容 初始 流率 温度 kW/ oC oC CP Ts 2.0 150 8.0 90
2.5 20 3.0 25
目标 温度
oC Tt 60 60 125 100
热负荷
kW Q 180.0 240.0 262.5 225.0
夹点以上，流股数符合规则1(热流股数 1，小于冷流股数2) 及规则2(热流股热容流率2.0, 冷流股热容流率 2.5、3.0) 按经验规则,应使热流股1与冷流股1匹配，得下图。