1、14. 过程系统节能过程系统节能 -夹点技术夹点技术24. 4. 过程系统节能过程系统节能- -夹点技术夹点技术4.1 绪论绪论4.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.3 换热网络设计目标换热网络设计目标4.4 换热网络优化设计换热网络优化设计4.5 换热网络改造综合换热网络改造综合4.6 蒸汽动力系统优化综合蒸汽动力系统优化综合34.1 绪论绪论4.1.1 过程系统节能的意义过程系统节能的意义节能工作发展经历的过程：节能工作发展经历的过程：l第一阶段：属于第一阶段：属于“捡浮财捡浮财”的阶段，主要表现的阶段，主要表现在余热回收，所着眼的只是单个的余热流；在余热回收，所着眼的只是单个的余热
2、流；l第二阶段：考虑单个设备节能，如蒸发由单效第二阶段：考虑单个设备节能，如蒸发由单效改为双效、采用热泵装置、减小精馏塔的回流比、改为双效、采用热泵装置、减小精馏塔的回流比、强化换热器的传热等；强化换热器的传热等；l第三阶段：考虑过程系统节能，是由于第三阶段：考虑过程系统节能，是由于20世纪世纪80年代过程系统工程学的发展。年代过程系统工程学的发展。44.1 绪论绪论4.1.1 过程系统节能的意义过程系统节能的意义l意义：意义：要把一个过程工业的工厂设计的要把一个过程工业的工厂设计的能耗最能耗最少、费用最小、环境污染最少，少、费用最小、环境污染最少，必须把整个系统必须把整个系统集成起来作为一个
3、有机结合的整体看待，达到整集成起来作为一个有机结合的整体看待，达到整体设计最优化。体设计最优化。l过程集成方法中过程集成方法中目前最实用的是夹点技术，目前最实用的是夹点技术，已已成功地在世界范围内取得了显著的节能效果。对成功地在世界范围内取得了显著的节能效果。对新厂较传统设计方法可节能新厂较传统设计方法可节能30%-50%，节约，节约投资投资10%左右。对老厂改造，通常可节能左右。对老厂改造，通常可节能20%-35%，回收年限一般，回收年限一般0.5-3年。年。54.1 绪论绪论4.1.1 过程系统节能的意义过程系统节能的意义LinnhoffLinnhoff基于对换热网络的热力学分析提出的夹点
4、技基于对换热网络的热力学分析提出的夹点技术，被公认为是一项突破性进展。在现有工厂的节能改术，被公认为是一项突破性进展。在现有工厂的节能改造和新厂设计中，已初见成效。造和新厂设计中，已初见成效。 受到各国重视：如赫斯特、拜尔、联碳、孟三都、杜受到各国重视：如赫斯特、拜尔、联碳、孟三都、杜邦、邦、ICI等早已采用夹点技术。等早已采用夹点技术。有名的大工程设计公司，如凯洛格、鲁姆斯、千代田、有名的大工程设计公司，如凯洛格、鲁姆斯、千代田、东洋等都设立了夹点技术组。东洋等都设立了夹点技术组。现在国际上一些大公司在投标时，先进行夹点技术分现在国际上一些大公司在投标时，先进行夹点技术分析已成为必要条件。析
5、已成为必要条件。64.1 绪论绪论4.1.1 过程系统节能的意义过程系统节能的意义工艺装置工艺装置 技术技术 节能（节能（万美元万美元/每年每年） 投资（投资（万美元万美元）石油化工石油化工 改造改造 240 180240 180常压原油塔常压原油塔 改造改造 120 120 节省节省无机产品无机产品 新设计新设计 32 32 节省节省精细化工精细化工 新设计新设计 160 160 节省节省74.1 绪论绪论4.1.1 过程系统节能的意义过程系统节能的意义简单灵活，易学实用，可发挥工程设计人员的实简单灵活，易学实用，可发挥工程设计人员的实践经验；践经验；可得出换热网络最大热回收量和最小公用工程
6、消可得出换热网络最大热回收量和最小公用工程消耗量；耗量；所得方案即使不是最优解，也接近最优，在此基所得方案即使不是最优解，也接近最优，在此基础上调优也不致太困难。础上调优也不致太困难。夹点技术的特点夹点技术的特点84.1 绪论绪论4.1.2 夹点技术的应用范围及发展夹点技术的应用范围及发展l过程工业：过程工业：是指以处理物料流和能量流为目的的行是指以处理物料流和能量流为目的的行业。业。如化工、冶金、建材、炼油、造纸、水泥、食品、如化工、冶金、建材、炼油、造纸、水泥、食品、医药、电力等行业。医药、电力等行业。l生产系统中始终伴随着能量的供应、转换、利用、生产系统中始终伴随着能量的供应、转换、利用
7、、回收、生产、排弃等环节。回收、生产、排弃等环节。l从系统工程的角度看，从系统工程的角度看，过程工业的生产系统可以分过程工业的生产系统可以分为三个子系统：为三个子系统：工艺过程工艺过程-生产系统主体指反应器、生产系统主体指反应器、分离器等；分离器等；热回收换热网热回收换热网-换热设备等换热设备等；蒸汽动力公；蒸汽动力公用工程用工程-锅炉、透平、蒸气管道等。三者相互影响。锅炉、透平、蒸气管道等。三者相互影响。94.1 绪论绪论4.1.2 夹点技术的应用范围及发展夹点技术的应用范围及发展l应用范围：夹点技术开始应用范围：夹点技术开始成功应用于热回收换成功应用于热回收换热网络子系统，热网络子系统，扩
8、展扩展到蒸汽动力公用公用工程子到蒸汽动力公用公用工程子系统，系统，后来发展后来发展成为包括上二者的总能系统。既成为包括上二者的总能系统。既可用于新厂设计，又可用于已有系统的节能改造，可用于新厂设计，又可用于已有系统的节能改造，二者在目标和方法上有别。二者在目标和方法上有别。l优化目标：最初以能量优化目标：最初以能量为系统的目标；为系统的目标；后发展后发展为以总费用为以总费用为目标，为目标，又考虑又考虑过程系统的安全性、过程系统的安全性、可操作性、对不同工况的适应性、对环境的影响可操作性、对不同工况的适应性、对环境的影响等非定量的工程目标。等非定量的工程目标。104.1 绪论绪论4.1.2 夹点
9、技术的应用范围及发展夹点技术的应用范围及发展l夹点技术的应用：夹点技术的应用：热回收换热网络的优化集成、热回收换热网络的优化集成、合理设置热机和热泵、确定公用工程的等级和用合理设置热机和热泵、确定公用工程的等级和用量、去除量、去除“瓶颈瓶颈”、提高生产能力、分离设备的、提高生产能力、分离设备的集成、减少生产用水（节水）、减少废气污染排集成、减少生产用水（节水）、减少废气污染排放等。放等。114.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.1 温温-焓图和复合曲线焓图和复合曲线l当一股物流吸收或放出热量当一股物流吸收或放出热量dQ时，温度发生时，温度发生dT的变化，则的变化，则式中式中CPCPd
10、TdQ 热流率，即质量流率与等压热热流率，即质量流率与等压热容的乘积，容的乘积， 。K/kW应用稳流体系热力学第一定律，忽略宏观势能、动应用稳流体系热力学第一定律，忽略宏观势能、动能变化项，则：能变化项，则：HCPdTQ 若取平均等压热容，则为常数，若取平均等压热容，则为常数， 12TTCPH 124.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.1 温温-焓图和复合曲线焓图和复合曲线l就可以在温就可以在温-焓图上用一条直线表示流体的加热焓图上用一条直线表示流体的加热或冷却过程，且或冷却过程，且CP值越大，直线的斜率越小。值越大，直线的斜率越小。这条线称为这条线称为物流线物流线，左右平移不影响其
11、温位和热量值。，左右平移不影响其温位和热量值。TH0H=QH=QTH0H=QH=Q加热加热冷却冷却134.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.1 温温-焓图和复合曲线焓图和复合曲线l在过程工业生产系统中，通常有在过程工业生产系统中，通常有多股物流多股物流需要需要被被加热或被冷却加热或被冷却，可以将它们合并成一条，可以将它们合并成一条热复合热复合曲线曲线或或冷复合曲线冷复合曲线。设有三股热流，热流率为：。设有三股热流，热流率为：A、B、C（kW/K）。）。A （T2-T5）B （T1-T3）C （T2-T4）144.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.1 温温-焓图和复合曲线焓图
12、和复合曲线T1T2T3T4T5CP=ACP=BCP=Cl温度按顺序排列，相同的只排一个。温度按顺序排列，相同的只排一个。 T T1 1,T,T2 2,T,T3 3,T,T4 4,T,T5 5l确定温度区间，并描绘确定温度区间，并描绘在在T-HT-H图上。图上。l描绘三股热流的物流线。描绘三股热流的物流线。l分析个温度区间物流，计分析个温度区间物流，计算个温度区间的热流率。算个温度区间的热流率。154.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.1 温温-焓图和复合曲线焓图和复合曲线(T2-T3)(A+B+C)(T1-T2)BH HT1T2T3T4T5CP=ACP=BCP=C在在T1到到T2温度
13、区间，温度区间，只有一股热流共给只有一股热流共给热量，热量值为热量，热量值为(T1-T2)B=H所所以这段曲线的斜率以这段曲线的斜率等于曲线等于曲线B的斜率；的斜率；在在T2到到T3温度区间，温度区间， 有三股热流共给热量，总热量值为有三股热流共给热量，总热量值为(T2-T3) (A+B+C)=H2，于是这段曲线要改变斜率，于是这段曲线要改变斜率，164.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.1 温温-焓图和复合曲线焓图和复合曲线T1T2T3T4T5CP=ACP=BCP=C(T2-T3)(A+B+C)(T3-T4)(A+C)(T4-T5)A(T1-T2)BH H(T2-T3)(A+B+C
14、)(T1-T2)BH H曲线两个端点的纵坐曲线两个端点的纵坐标不变，而横坐标上标不变，而横坐标上的距离等于原来三股的距离等于原来三股热流在横轴上的迭加，热流在横轴上的迭加，即总热量为：即总热量为： j1iijTTCPH j-为第为第i温区的物流数。原三条曲线合为一条，余类温区的物流数。原三条曲线合为一条，余类推。推。17T1T2T3T4T5CP=ACP=BCP=C(T2-T3)(A+B+C)(T3-T4)(A+C)(T4-T5)A(T1-T2)BH H(T2-T3)(A+B+C)(T1-T2)BH HT1T2T3T4T5H H1 1CP=BCP=ACP=CH H2 2H H3 3H H4 4l
15、在各温度区间绘制复合热物流线。在各温度区间绘制复合热物流线。4.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.1 温温-焓图和复合曲线焓图和复合曲线184.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.1 温温-焓图和复合曲线焓图和复合曲线T1T2T3T4T5l物流线复合：曲线左右平移，不改变其温位及热流量。物流线复合：曲线左右平移，不改变其温位及热流量。T1T2T3T4T5194.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.2 夹点的形成夹点的形成l当有多股热流和多股冷流进行换热时，可将所有当有多股热流和多股冷流进行换热时，可将所有的热流合并成一条热复合曲线，所有的冷流合并成的热流合并成一条热复
16、合曲线，所有的冷流合并成一条冷复合曲线，然后将两条曲线绘制在一个温一条冷复合曲线，然后将两条曲线绘制在一个温- -焓图上，冷、热复合曲线的相对位置有三种情况：焓图上，冷、热复合曲线的相对位置有三种情况：T TH H1.1.两曲线在两曲线在H H轴上的轴上的投影完全没有重叠部投影完全没有重叠部分，表示热量全部没分，表示热量全部没回收，冷、热流体加回收，冷、热流体加热及冷却全部用公用热及冷却全部用公用工程能量，且最大。工程能量，且最大。Q Q1 1Q Q2 2204.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.2 夹点的形成夹点的形成T TH H2.2.冷复合曲线平行左冷复合曲线平行左移移, ,则
17、在则在H H轴上的投影轴上的投影重叠了一部分重叠了一部分Q QR R，表，表Q QR R示热流体的部分热示热流体的部分热量用来加热冷流体，量用来加热冷流体，公用工程能量消耗减公用工程能量消耗减少。此时由于最高温少。此时由于最高温的热流加热最低温的的热流加热最低温的冷流，传热温差很大，冷流，传热温差很大，但回收的余热有限。但回收的余热有限。Q QR RQ QC CQ QH H214.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.2 夹点的形成夹点的形成T TH H3.3.将冷复合曲线继续将冷复合曲线继续向左移，使两线在某向左移，使两线在某点刚好重合，所回收点刚好重合，所回收的热量达到最大值，的热量
18、达到最大值，公用工程耗能量最少。公用工程耗能量最少。两曲线在某点重合时两曲线在某点重合时该系统内部换热达到该系统内部换热达到极限，重合点的传热极限，重合点的传热温差为零，该点即为温差为零，该点即为夹点。夹点。Q QR RQ QC CQ QH H夹点夹点224.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.2 夹点的形成夹点的形成传热温差为零需无限大的传热面积，是不现实的。传热温差为零需无限大的传热面积，是不现实的。但可以通过技术经济评价而确定一个最小的传热但可以通过技术经济评价而确定一个最小的传热温差。温差。定义：定义：冷、热复合温焓线上传热温差最小的地方，冷、热复合温焓线上传热温差最小的地方，
19、称为夹点。该点的温差，称为夹点温差。称为夹点。该点的温差，称为夹点温差。234.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.2 夹点的形成夹点的形成确定了夹点温差后，冷热复合曲线图。确定了夹点温差后，冷热复合曲线图。T TH H夹点夹点夹点温差夹点温差冷却公用冷却公用工程工程Q Q1 1加热公用加热公用工程工程Q Q2 2在两端已没有在两端已没有合适的冷流及合适的冷流及热流与之换热，热流与之换热，需用公用工程需用公用工程加热器及冷却加热器及冷却器满足工艺要器满足工艺要求，此时量为求，此时量为最小。最小。过程内部换热过程内部换热244.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.3 问题表法问题
20、表法当物流较多时，采用复合温焓线很繁琐，且不够当物流较多时，采用复合温焓线很繁琐，且不够准确，此时常采用问题表法来精确计算。准确，此时常采用问题表法来精确计算。问题表法的步骤：问题表法的步骤：l1.1.以冷、热流体的平均温度为标尺，划分温度以冷、热流体的平均温度为标尺，划分温度区间。区间。冷、热流体的平均温度相对热流体，下降冷、热流体的平均温度相对热流体，下降1/21/2夹夹点温差（点温差（T Tminmin/2/2），相对冷流体上升），相对冷流体上升1/21/2夹点夹点温差（温差（T Tminmin/2/2），这样可保证在整个温区内），这样可保证在整个温区内热、冷物流温差为热、冷物流温差为T
21、 Tminmin，满足传热需要。，满足传热需要。254.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.3 问题表法问题表法l2.2. 计算每个温区内的热平衡，以确定各温区内计算每个温区内的热平衡，以确定各温区内所需的加热量和冷却量。计算式为：所需的加热量和冷却量。计算式为： i1iiHCiHTTCPCPH 式中：式中：第第i i区间所需外加热量区间所需外加热量kWkW； HCCP,CP该区间冷、热物流热容流该区间冷、热物流热容流率之和率之和kW/KkW/K；1iiT,T 分别为该区间的进、出口温度分别为该区间的进、出口温度0 0C C。264.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.3 问题
22、表法问题表法l3. 3. 进行热级联算。进行热级联算。第一步第一步计算外界无热量输入计算外界无热量输入时各区间的热通量。此时，各温区间可有自上而下时各区间的热通量。此时，各温区间可有自上而下的热流通量，但不能有逆向热流通量。的热流通量，但不能有逆向热流通量。第二步第二步为保为保证各温区之间的热通量不小于零，根据第一步级联证各温区之间的热通量不小于零，根据第一步级联计算结果，取绝对值最大的为负的热通量的绝对值计算结果，取绝对值最大的为负的热通量的绝对值为所需外界加入的最小热通量，即最小加热公用工为所需外界加入的最小热通量，即最小加热公用工程用量，由第一各温区加入；然后计算外界输入最程用量，由第一
23、各温区加入；然后计算外界输入最小加热公用工程量时各温区之间的热通量；而由最小加热公用工程量时各温区之间的热通量；而由最后一个温区流出的热量，就是最小冷却公用工程用后一个温区流出的热量，就是最小冷却公用工程用量。量。274.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.3 问题表法问题表法l4.4. 温区之间热通量为零处，即为夹点。温区之间热通量为零处，即为夹点。举例如下：举例如下：284.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.3 问题表法问题表法例：例：某一换热系统的工艺物流为两股热流和两股冷某一换热系统的工艺物流为两股热流和两股冷流，物流参数如下表。取冷、热流体之间最小温差流，物流参数如
24、下表。取冷、热流体之间最小温差为为10100 0C C。现在用问题表法确定该换热系统的夹点位。现在用问题表法确定该换热系统的夹点位置，以及最小加热、冷却公用工程量。置，以及最小加热、冷却公用工程量。表表1 1 物流参数物流参数物流编号及类型物流编号及类型 热熔流率热熔流率CP/(kW/K) CP/(kW/K) 供应温度供应温度/ /0 0C C 目标温度目标温度/ /0 0C C1 1热流热流 2.0 170 602.0 170 602 2热流热流 1.5 150 301.5 150 303 3冷流冷流 2.0 20 1352.0 20 1354 4冷流冷流 4.0 80 1404.0 80
25、140294.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.3 问题表法问题表法解：解：l步骤一，把系统划分区间。步骤一，把系统划分区间。1.1.分别将所有热、冷流体的进出口温度（分别将所有热、冷流体的进出口温度（0 0C C）从）从小到大排列起来。小到大排列起来。 热流体：热流体： 30 60 150 17030 60 150 170 冷流体：冷流体： 20 80 135 140 20 80 135 140 302.2.计算冷、热流体的平均温度（计算冷、热流体的平均温度（0 0C C），即将热流），即将热流体温度下降、冷流体温度上升体温度下降、冷流体温度上升T Tminmin/2/2。 热流体
26、：热流体： 25 55 145 16525 55 145 165 冷流体：冷流体： 25 85 140 145 25 85 140 145 4.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.3 问题表法问题表法3.3. 将所有冷、热流体的平均温度（将所有冷、热流体的平均温度（0 0C C），从小），从小到大排列起来，相等的只写一个。到大排列起来，相等的只写一个。 冷热流体：冷热流体： 25 55 85 140 145 16525 55 85 140 145 165314.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.3 问题表法问题表法4.4. 将整个系统可以划分为五个温区，如下：将整个系统可以划
27、分为五个温区，如下：第一温区第一温区 165 145 165 145 第二温区第二温区 145 140145 140第三温区第三温区 140 85140 85第四温区第四温区 85 5585 55第五温区第五温区 55 25 55 25 324.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.3 问题表法问题表法（160160）165165（170170）（140140）145145（150150）（135135）140140（145145）（8080） 8585 （9090）（5050） 5555 （6060）（2020） 2525 （3030）温区温区1 1温区温区2 2温区温区3 3温区温区
28、4 4温区温区5 5CP=3.0CP=3.0CP=1.5CP=1.5CP=4.0CP=4.0CP=2.0CP=2.0334.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.3 问题表法问题表法l步骤二步骤二 温区内热平衡计算。温区内热平衡计算。计算结果命名为计算结果命名为“亏缺热量亏缺热量”。第一温区第一温区 H H1 1 = -3.0 = -3.0（165-145165-145）= -60= -60（kWkW）第二温区第二温区 H H2 2 = (4.0-3.0-1.5)(145-140)=-2.5 = (4.0-3.0-1.5)(145-140)=-2.5（kWkW）第三温区第三温区 H H3
29、 3 = (4.0+2.0-3.0-1.5)(140-85)=82.5(kW) = (4.0+2.0-3.0-1.5)(140-85)=82.5(kW)第四温区第四温区 H H4 4 = (2.0-3.0-1.5)(85-55)= -75 = (2.0-3.0-1.5)(85-55)= -75（kWkW）第五温区第五温区 H H5 5 = (2.0-1.5)(55-25 = (2.0-1.5)(55-25）= 15= 15（kWkW）H H为负值表示该温区有剩余热量。为负值表示该温区有剩余热量。344.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.3 问题表法问题表法l步骤三：步骤三： 计算外界
30、无热量输入时各温区之间的计算外界无热量输入时各温区之间的热通量，命名为热通量，命名为“积累热量积累热量”。此时，第一温区输入的热量为零，其余各温区输此时，第一温区输入的热量为零，其余各温区输入的热量等于上一温区的输出热量，每一温区的入的热量等于上一温区的输出热量，每一温区的输出热量等于本温区的输入热量减去本温区的亏输出热量等于本温区的输入热量减去本温区的亏缺热量缺热量H H，计算结果如下：，计算结果如下：354.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.3 问题表法问题表法第一温区：输入热量第一温区：输入热量=0(=0(因外界无热量输入因外界无热量输入) )，输出热量，输出热量=0+60=6
31、0kW=0+60=60kW；第二温区：输入热量第二温区：输入热量=60=60，输出热量，输出热量=60+2.5=62.5kW=60+2.5=62.5kW；第三温区：输入热量第三温区：输入热量=62.5=62.5，输出热量，输出热量=62.5-82.5=-20kW=62.5-82.5=-20kW；第四温区：输入热量第四温区：输入热量=-20=-20，输出热量，输出热量=-20+75=55kW=-20+75=55kW；第五温区：输入热量第五温区：输入热量=55=55，输出热量，输出热量=55-15=40kW=55-15=40kW。364.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.3 问题表法问题
32、表法l步骤四步骤四 确定最小公用工程量。确定最小公用工程量。 从第三步计算可看出，当外界无热量输入时，温从第三步计算可看出，当外界无热量输入时，温区三向温区四输出的热量为负值，意味着温区四区三向温区四输出的热量为负值，意味着温区四向温区三提供热量，在热力学上是不合理的。为向温区三提供热量，在热力学上是不合理的。为消除这种不合理现象，使各温之间的热量消除这种不合理现象，使各温之间的热量00，就，就必须从外界输入热量，使原来的负值至少变为零，必须从外界输入热量，使原来的负值至少变为零，因此得到最小公用工程量为因此得到最小公用工程量为20kW20kW。374.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.
33、2.3 问题表法问题表法步骤五步骤五 计算外界输入最小加热公用工程量时各计算外界输入最小加热公用工程量时各温区之间的热通量。温区之间的热通量。换热网络所需的最小加热量可以从第三温区以上换热网络所需的最小加热量可以从第三温区以上的任何温区中输入。为方便起见，本例假定热量的任何温区中输入。为方便起见，本例假定热量从温区从温区1 1输入。计算方法同步骤三的完全相同，输入。计算方法同步骤三的完全相同，计算结果列于问题表的最后一列计算结果列于问题表的最后一列热通量。热通量。384.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.3 问题表法问题表法第一温区：输入热量第一温区：输入热量=20(kW)=20(k
34、W)，输出热量，输出热量=20+60=80(kW)=20+60=80(kW)；第二温区：输入热量第二温区：输入热量=80(kW)=80(kW)，输出热量，输出热量=80+2.5=82.5(kW)=80+2.5=82.5(kW)；第三温区：输入热量第三温区：输入热量=82.5(kW)=82.5(kW)，输出热量，输出热量=82.5-82.5=0=82.5-82.5=0；第四温区：输入热量第四温区：输入热量=0(kW)=0(kW)，输出热量，输出热量=0+75=75(kW)=0+75=75(kW)；第五温区：输入热量第五温区：输入热量=75(kW)=75(kW)，输出热量，输出热量=75-15=6
35、0(kW)=75-15=60(kW)。由最后温区输出的热量由最后温区输出的热量60kW60kW，为最小冷却公用工，为最小冷却公用工程用量。程用量。394.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.3 问题表法问题表法表表4-4 4-4 问问 题题 表表温区和温度温区和温度物物 流流亏缺热亏缺热量量/kW/kW积累热量积累热量/Kw/Kw 热通量热通量/kW/kW输输 入入 输输 出出 输输 入入 输输 出出 -2.5 60 62.5 80 82.5 -2.5 60 62.5 80 82.5 -60 0 60 20 80 -60 0 60 20 80 82.5 62.5 -20 82.5 0
36、82.5 62.5 -20 82.5 0 -75 -20 55 0 75 -75 -20 55 0 75 15 55 40 75 60 15 55 40 75 601650C 第第1温区温区1450C第第2温区温区1400C第第3温区温区850C第第4温区温区550C第第5温区温区250C404.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.3 问题表法问题表法步骤六步骤六 确定夹点位置。确定夹点位置。温区温区3 3与温区与温区4 4之间热通量为零，此处就是夹点之间热通量为零，此处就是夹点，即夹点在平均温度即夹点在平均温度85850 0C C（热流温度（热流温度90900 0C C，冷流温，冷流
37、温度度80800 0C C）处。）处。414.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.4 夹点的意义夹点的意义夹点是冷、热复合温焓线中传热温差最小的地方，夹点是冷、热复合温焓线中传热温差最小的地方，此处热通量为零。此处热通量为零。夹点的出现，将整个换热网络分成夹点的出现，将整个换热网络分成两部分：夹点两部分：夹点之上是热端，之上是热端，只有换热和公用工程，没有任何热量只有换热和公用工程，没有任何热量流出，可看成是一个流出，可看成是一个净热阱净热阱；夹点之下是冷端，只；夹点之下是冷端，只有换热和冷却公用工程，没有任何热量流入，可看有换热和冷却公用工程，没有任何热量流入，可看作是一个作是一个净
38、热原净热原；在夹点处，热流量为零。；在夹点处，热流量为零。根据夹点上、下子系统的热平衡，任意增加冷却根据夹点上、下子系统的热平衡，任意增加冷却器或加热器，都会使公用工程量增加。器或加热器，都会使公用工程量增加。424.2 夹点的形成及意义夹点的形成及意义4.2.3 问题表法问题表法因此，为达到最小加热和冷却公用工程量，夹点方法因此，为达到最小加热和冷却公用工程量，夹点方法的设计及优化原则是：的设计及优化原则是：u夹点之上不应该设置任何公用工程冷却器；夹点之上不应该设置任何公用工程冷却器；u夹点之下不应该设置任何公用工程加热器；夹点之下不应该设置任何公用工程加热器；u不应由跨越夹点的传热。不应由
39、跨越夹点的传热。u夹点是制约整个系统能量性能的夹点是制约整个系统能量性能的“瓶颈瓶颈”，限制，限制了进一步能量回收的可能性。可通过调整工艺改变物了进一步能量回收的可能性。可通过调整工艺改变物流的热特性，如使夹点处热物流升温或冷物流降温，流的热特性，如使夹点处热物流升温或冷物流降温，就可使复合曲线进一步左移，增加回收的热量。就可使复合曲线进一步左移，增加回收的热量。434.3 换热网络设计目标换热网络设计目标4.3.1 能量目标能量目标指最小加热公用工程量和最小冷却公用工程量。指最小加热公用工程量和最小冷却公用工程量。能量目标能量目标随夹点温差而变化随夹点温差而变化，夹点温差一定，所分，夹点温差
40、一定，所分析系统的能量目标一定。夹点温差越大，能量目标析系统的能量目标一定。夹点温差越大，能量目标越大。因此，可通过缩小夹点温差，挖掘节省公用越大。因此，可通过缩小夹点温差，挖掘节省公用工程量的潜力。工程量的潜力。444.3 换热网络设计目标换热网络设计目标4.3.2 换热单元数目目标换热单元数目目标换热单元数目目标，换热面积目标。换热单元数目目标，换热面积目标。二者相比，前二者相比，前者对设备投资费用的影响更大。者对设备投资费用的影响更大。因为，一台换热器的费用中封头、外壳、土建基础因为，一台换热器的费用中封头、外壳、土建基础等占很大比例，而管束面积只是费用中的一部分。等占很大比例，而管束面
41、积只是费用中的一部分。换热器费用计算公式：换热器费用计算公式：cbAaC 式中：式中：A-A-换热器面积；换热器面积； a a、b b、c-c-价格系数，一般价格系数，一般c=0.6c=0.6。454.3 换热网络设计目标换热网络设计目标4.3.2 换热单元数目目标换热单元数目目标可见面积对费用的影响不如换热器台数影响大。可见面积对费用的影响不如换热器台数影响大。因此，在换热网络设计中，通常把能量目标、换因此，在换热网络设计中，通常把能量目标、换热单元数目目标看作是比换热面积目标更重要的热单元数目目标看作是比换热面积目标更重要的目标。目标。464.3 换热网络设计目标换热网络设计目标4.3.2
42、 换热单元数目目标换热单元数目目标一个换热网络的最小单元数目可由一个换热网络的最小单元数目可由欧拉通用网络定欧拉通用网络定理理来描述：来描述：SLNUmin 式中：式中：U-U-换热单元数目，包括换热器、加热器、冷换热单元数目，包括换热器、加热器、冷却器；却器； N-N-流股数目，包括工艺物流以及加热和冷却流股数目，包括工艺物流以及加热和冷却公用工程；公用工程； L-L-独立的热负荷回路数目；独立的热负荷回路数目； S-S-可能分离成不相关子系统的数目。可能分离成不相关子系统的数目。474.3 换热网络设计目标换热网络设计目标4.3.2 换热单元数目目标换热单元数目目标当系统中某一热物流的热负
43、荷和某一冷物流的热负当系统中某一热物流的热负荷和某一冷物流的热负荷恰好相等，且其间各处的传热温差均不小于规定荷恰好相等，且其间各处的传热温差均不小于规定的最小传热温差（即夹点温差）的最小传热温差（即夹点温差）T Tminmin时，则这两时，则这两物流一次匹配换热就完成了各自所要求的换热负荷。物流一次匹配换热就完成了各自所要求的换热负荷。此时，该两物流与其它物流没有关系，可以分离出此时，该两物流与其它物流没有关系，可以分离出来作为独立子系统。当系统中存在这样一个独立子来作为独立子系统。当系统中存在这样一个独立子系统时，整个系统就可以分离成两个不相关的子系系统时，整个系统就可以分离成两个不相关的子
44、系统。统。484.3 换热网络设计目标换热网络设计目标4.3.2 换热单元数目目标换热单元数目目标通常，系统往往没有可能分离成不相关子系统，故通常，系统往往没有可能分离成不相关子系统，故S=1S=1；一般希望避免多余的换热单元，因此尽量消除；一般希望避免多余的换热单元，因此尽量消除回路回路（后面介绍）（后面介绍），使，使L=0L=0，于是上式变成：，于是上式变成：1NUmin 另外，在设计之前，通常认为加热公用工程和冷却另外，在设计之前，通常认为加热公用工程和冷却公用工程物流均为公用工程物流均为1 1。494.3 换热网络设计目标换热网络设计目标4.3.2 换热单元数目目标换热单元数目目标但是
45、，最大能量回收网络设计把整个网络分解成为但是，最大能量回收网络设计把整个网络分解成为加点之上和夹点之下两个独立的网络，整个网络的加点之上和夹点之下两个独立的网络，整个网络的最小换热单元数目为夹点之上和夹点之下两子系统最小换热单元数目为夹点之上和夹点之下两子系统最小换热单元数目之和。例如最小换热单元数目之和。例如4.2.34.2.3节中的例子，节中的例子，经夹点设计可初步综合为下图所示网络：经夹点设计可初步综合为下图所示网络：504.3 换热网络设计目标换热网络设计目标4.3.2 换热单元数目目标换热单元数目目标1 11 13 31701700 0C C90900 0C C60600 0C C2
46、 22 2C C4 41501500 0C C90900 0C C70700 0C C30300 0C C60kW60kW3 32 23 34 4H H1351350 0C C1251250 0C C80800 0C C35350 0C C20200 0C C20kW20kW90kW90kW90kW90kW30kW30kW4 41 11401400 0C C80800 0C C240kW240kW图图4-9 4-9 换热网络综合结果换热网络综合结果热流热流冷流冷流145145150150514.3 换热网络设计目标换热网络设计目标4.3.2 换热单元数目目标换热单元数目目标在夹点之上在夹点之上
47、N=5N=5（包括加热蒸气），（包括加热蒸气），L=0L=0，但，但2-32-3流流股匹配与股匹配与2-4-H2-4-H匹配无关，匹配无关，S=2S=2；夹点之下；夹点之下N=4N=4（包（包括冷却水），括冷却水），L=0L=0，S=1S=1，于是，于是 61425Umin 如果有如果有热量穿过夹点传递热量穿过夹点传递，则会使加热和冷却公用，则会使加热和冷却公用工程量均增加工程量均增加，此时夹点上下就不再是独立的网络了，此时夹点上下就不再是独立的网络了，只能把整个换热网络作为一体对待，于是只能把整个换热网络作为一体对待，于是N=6N=6（包括加（包括加热蒸气和冷却水），热蒸气和冷却水），S=1
48、S=1，故，故 就就是说，可少用一个换热单元。是说，可少用一个换热单元。516Umin 524.3 换热网络设计目标换热网络设计目标4.3.2 换热单元数目目标换热单元数目目标这样就有一个这样就有一个权衡权衡问题，问题，少用换热单元可使设备少用换热单元可使设备投资减少，但又引其能量费用增加；投资减少，但又引其能量费用增加；按照最大能按照最大能量回收设计换热网络，可使能量消耗降到最小，量回收设计换热网络，可使能量消耗降到最小，但投资大些。但投资大些。因此，通常所说的换热单元数目目标，是指把整个因此，通常所说的换热单元数目目标，是指把整个换热网络作为一体对待时的最小换热单元数目，即换热网络作为一体
49、对待时的最小换热单元数目，即上例所求出的上例所求出的5 5。534.3 换热网络设计目标换热网络设计目标4.3.3 换热网络面积目标换热网络面积目标在进行换热网络设计之前，无法精确计算换热网在进行换热网络设计之前，无法精确计算换热网络的面积。因此，络的面积。因此，换热网络的面积目标是物流按换热网络的面积目标是物流按纯逆流垂直换热时的近似面积目标，即在冷热复纯逆流垂直换热时的近似面积目标，即在冷热复合温焓图上计算各区间垂直传热所需传热面积，合温焓图上计算各区间垂直传热所需传热面积，然后加和而得。然后加和而得。所谓垂直换热，是指各区间的冷（或热）流只与所谓垂直换热，是指各区间的冷（或热）流只与本区
50、间的热（或冷）流换热，而不与其它区间的本区间的热（或冷）流换热，而不与其它区间的热（或冷）流换热。热（或冷）流换热。544.3 换热网络设计目标换热网络设计目标4.3.3 换热网络面积目标换热网络面积目标在冷热复合温焓图上的分区如下图：在冷热复合温焓图上的分区如下图：T TH H换热面积分区计算图换热面积分区计算图复合温焓线的每个折点复合温焓线的每个折点处做垂线进行分区。各处做垂线进行分区。各区内冷、热物流的数目区内冷、热物流的数目和热容流率维持不变，和热容流率维持不变，区内按逆流换热，温差区内按逆流换热，温差按逆流对数平均温差计按逆流对数平均温差计算，只考虑冷、热流体算，只考虑冷、热流体的对
