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第第6章章 换热器网络的综合换热器网络的综合换热器网络综合：换热器网络综合：确定具有最小设备投资，最小操作费用，能达 到过程要求的换热器网络结构。具有可控性、稳定性和可操作性。方法：方法：夹点设计法 有效能法 温度间隔法 热力学温差贡献法 数学规划法应用软件：应用软件：ADVENT,HEXTRAN,INTERHEAT,MAGNETS,RESHEX及SUPERTRAGET等。1.换热器网络设计步骤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，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。2.6.1 根据温-焓图综合换热器网络6.1.1 温-焓图 冷、热物流匹配及对应的换热器网络结构：3.过程物流在T-H图上的标绘：4.组合曲线的构造过程：5.6.1.2 热力学最小传热面积网络的综合（1）传热过程的有效能分析 过程物流比热容为常数，则系统有效能损失：推导过程推导过程：传热过程温差愈大，过程的不可逆程度越大，有效能损失越大。高温流体有效能的减少为：6.低温流体有效能的增加：传热过程中有效能的损失：高温流体的热力学平均温度：低温流体的热力学平均温度：7.高温流体放出的热量：低温流体吸收的热量：8.又则：由此，对于多个热、冷物流的换热系统，有效能损失为：结论结论：给定输入温度Tki、tji的换热系统，使冷物流的输出温度tje最大，热物流的输出温度Tke最小，则系统有效能的损失最小。9.传热温差愈小，过程不可逆性愈小，有效能损失愈小，但要 求较大的热交换面积。换热系统物流的质量流量及输入、输出温度一定时，有效能 损失不随热交换网络的变化而变化。处于热力学平衡状态的过程物流相混合，则不存在有效能的 损失。应合理分配每个换热器的有效能损失，使热交换面积的总和 最小。逆流热交换器有效能的损失比并流热交换器为小，因为并流 热交换是一个固有的不可逆过程。10.（2）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：搜集物流数据 流量、温度、比热容、汽化热等；构造冷、热物流的组合曲线；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；划分温度间隔区间，进行物流匹配。具体作法说明：11.12.（1）构造组合曲线）构造组合曲线（2）划分温度间隔，进行物流匹配）划分温度间隔，进行物流匹配（3）对应的换热网络）对应的换热网络13.6.1.3 热力学最小传热面积网络的改进(1)应使各换热器的 值相近。（2）减少物流的分支与混合，并把小负荷换热器合并到相邻的 换热器上。但应当尽可能接近最小传热面积网络时的温度关 系，使所需增加的传热面积不致太多。6.2 夹点设计法夹点设计法夹点设计法的基本原则夹点设计法的基本原则：(1)应该避免有热流量通过夹点；(2)夹点上方避免引入公用工程冷却物流；(3)夹点下方避免引入公用工程加热物流。违背以上三条，就会增大公用工程负荷及相应的设备投资。14.6.2.1 夹点处物流间匹配换热的可行性规则夹点匹配夹点匹配：指冷、热物流同时有一端直接与夹点相同，即同 一端具有夹点处的温度。夹点匹配夹点匹配非夹点匹配非夹点匹配夹点匹配夹点匹配非夹点匹配非夹点匹配15.可行性规则：可行性规则：规则规则1 对于夹点上方，热工艺物流（包括其分支物流）的数目NH不大于冷工艺物流（包括其分支物流）数目NC，即：C5C4H2H1(a)H3312(a)热端夹点处不可行的匹配(b)热端夹点处的可行匹配（采用冷物流分支）(c)热端夹点处的可行匹配（采用设置加热器H)312(b)C4C3H1（C）H2C5H2116.90-(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217.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：C4C3H1H2C5（d）1（d）冷端夹点处不可行的匹配（e）可行的匹配采用热物流分支（f）可行的匹配设置冷却器C 312(e)C4H3H1（f）H2C5C2118.(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319.规则规则2 夹点上方，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：CPH CPC 夹点下方，每一夹点匹配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规则2 保证了夹点匹配中的传热温差不小于允许的最小传热温差Tmin。离开夹点后，由于物流间的传热温差都增大了，所以不一定遵循该规则。20.（a)夹点之上，可行的夹点匹配；（b)夹点之上，不可行的夹点匹配。21.（a)夹点之下，可行的夹点匹配。CPHCPC（b)夹点之下，不可行的夹点匹配。CPHCPC22.6.2.2 物流间匹配换热的经验规则经验规则经验规则1 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。23.情况(a)：CPH=2CPC设环境温度T0=293K，热物流的热力学平均温度为24.冷物流的热力学平均温度为该传热过程的有效能损失为情况（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25.该传热过程的有效能损失为可见(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。情况（a）的传热平均温差：26.按此传热温差，推算出冷流体的入口、出口温度，如图：27.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传热过程有效能损失为：此时比情况（a）小10%多28.说明：完成相同传热负荷条件下，又保持相同传热温差，冷热物流热容流率相等情况下比不等情况下有效能损失小；反之，相同传热负荷和相同有效能损失，冷、热物流热容流率相等情况下比不等情况下推动力大。经验规则2符合传热学及热力学原理。经验规则1优于规则2，对离开夹点的其余物流匹配换热也是合适的。夹点设计法的要点：夹点设计法的要点：（1）在夹点处，换热网络分隔开，热端和冷端分别处理。（2）热端和冷端都先从夹点开始设计，遵循夹点匹配可行性规则 及经验规则。（3）离开夹点后，采用经验规则，但传热温差约束紧张时还应遵 循可行性规则。29.（4）考虑换热系统的操作性、安全性，以及生产工艺上特殊要 求等。P147 例6-1 物流数据 T min=20oC 物流 热容 初始 目标 热负荷 标号 流率 温度 温度 kW/oC oC oC kW CP Ts Tt Q H1 2.0 150 60 180.0 H2 8.0 90 60 240.0 C1 2.5 20 125 262.5 C2 3.0 25 100 225.030.问题表格（1）子网络序号 冷物流及其温度 热物流及温度 k C1 C2 H1 H2 SN1 125 145 SN2 100 120 SN3 70 90 SN4 40 60 SN5 25 SN6 20 15031.问题表格（问题表格（2）子网络 赤字Dk 热量 kW 热量 kW 序号 kW 无外界输入热量 外界输入最小热量 I k Q k I k Q k SN1 10 0 10 107.5 117.5 SN2 12.5 10.0 -2.5 117.5 105.0 SN3 105.0 -2.5 -107.5 105.0 0 SN4 -135.0 -107.5 27.5 0 135.0 SN5 82.5 27.5 -55.0 135.0 52.5 SN6 12.5 -55.0 -67.5 52.5 40.032.-107.50 kw SN1 SN2 SN3 SN4 SN5 SN60 kw10 kw-2.50 kw27.5 kw-55 kw-67.5 kw热端夹点冷端 SN1 SN2 SN3 SN4 SN5 SN6QH min=1075 kw117.50 kw105 kw135 kw52.5 kwQC min=40 kw热端夹点冷端 0 kwa 未加公用设施加热负荷b 加入公用设施加热负荷33.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，故夹点温度夹点温度 T=80oC.最小公用工程加热量最小公用工程加热量 Q H min=107.5 kw最小公用工程冷却量最小公用工程冷却量 Q C min=40 kw34.物流数据 T min=20oC 物流 热容 初始 目标 热负荷 标号 流率 温度 温度 kW/oC oC oC kW CP Ts Tt Q H1 2.0 150 60 180.0 H2 8.0 90 60 240.0 C1 2.5 20 125 262.5 C2 3.0 25 100 225.0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。35.夹点热端流股的匹配36.夹点冷端的流股匹配（1）37.夹点冷端的流股匹配（2）38.具有最小公用工程加热与冷却负荷的整体设计方案39.