换热夹点技术基础

问题表格2 表 5-4
子网络 序 号 赤
问题表格(2)
字
热量/kW 无外界输入热量
△Tmin = 20 ℃
热量/kW 外界输入最小热量
Dk / kW
Ik
Ok
Ik
Ok
SN1 SN2
SN3 SN4 SN5 SN6
-10.0 12.5
105.0 -135.0 82.5 12.5
0 10.0
-2.5 -107.5 27.5 -55.0
SN6
对子网络进行热衡算：
Ok=I k-D k
D k=（∑CPC- ∑CPH ）(T k-T k+1)
k=1，（温度间隔为 150～145 ℃)
D 1=（0－2) ×(150－145) = -10
（负赤字表示有剩余热量10kW） I 1 = 0 （无外界输入热量） O1= I 1 － D 1= 0 －(-10) = 10 O1为正值，说明子网络 1(SN1) 有剩余热量供给子网络2(SN2)
物流标号 H1 H2 C1 C2
热容流率CP / ( kW/℃ ) 2.0 8.0 2.5 3.0
初始温度Ts /℃ 150 90 20 25
终了温度Tt /℃ 60 60 125 100
热负荷Q / kW 180.0 240.0 262.5 225.0
子网络的分割，问题表格(1)：
做法：
表 5-3 子网络序号 k SN1 SN2 SN3 SN4 SN5 问题表格(1) 冷物流及其温度 C1 C2 125 100 70 40 25 20 /℃ H1 150 145 120 90 60 △Tmin = 20 ℃ 热物流及其温度 H2 /℃
若改变最小传热温差ΔT min ＝ 15℃，则结果如下： 表 5-5 子网络序号 k 1 2 3 4 5 问题表格(1) 冷物流及其温度 C1 C2 125 100 75 45 25 20 ℃ 150 140 115 90 60 △Tmin = 15 ℃ 热物流及其温度 H1 H2
6
问题表格（2） 表 5-6
负的剩余热量（即需要子网络3向子网络ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ供给热量，但这是不可
能的）。
k=6，（温度间隔为25～20 ℃)
D 6= 2.5 ×( 25－20) = 12.5
（正号表示有热量赤字12.5kW）
I 6 = O5 = －55
子网络5 (SN5)无剩余热量供给了子网络6 (SN6) 。 O6 = I 6 － D6 =－55 － 12.5 = －67.5 O6为负值，说明子网络6(SN6) 热量不够，无法达到规 定的传热要求。
适宜的ΔT min 是总费用最低的优化值。
5.1.4 用问题表格法确定夹点
热级联： 每个单元都是相似的传热过程组 成的串级结构。每一级相当于一个子网络 热级联－ 虚拟的结构，同一温位的物流 集中于同一级。 第 k 级的热平衡 (k =1、2、3、4、…..K) 输出 = 输入- 赤字 Ok=I k-D k D k=（∑CPC- ∑CPH ）(T k-T k+1)
总组合曲线— 在T—H图上描述过程系统中的热流量沿温度的分 布，热流量为零处就是夹点。
5.3.1 总组合曲线的绘制
（1）根据问题表格法计算的结果进行标绘
物流标号 H1 H2 C1 热容流率 / ( kW/℃ ) 2.0 8.0 2.5 初始温度Ts /℃ 150 90 20 目标温度Tt /℃ 传热温差贡献值 60 60 125 10 5 10
QH min 和系统最小的公用工程冷却负荷QC min ，以及系统
最大的热回收量QR,max ； （4）夹点处温度差的影响 ΔT min大，QH, min、QC min 增大， QR,max减小。 适宜的ΔT min 是一个课题，一般以经验选取。
系统具有最低公用工程消耗以及最大热回收的原则： (1)热量不能穿透夹点 （2）夹点上 方不能设置公 用工程冷却
k =2，（温度间隔为 145～120 ℃)
D 2=（2.5－2) ×(145－120) = 12.5
（正号表示有热量赤字12.5kW）
I 2 = O1 = 10
子网络1 (SN1)的剩余热量供给了子网络2 (SN2) 。
O2 = I 2 － D 2= 10 － 12.5 = －2.5
O2为负值，说明子网络 2(SN2) 只能向子网络3(SN3)提供
（1）夹点处，系统的传热温差最小（等于ΔT min ），系统用能
瓶颈位置；
（2）夹点处热流量为 0 ，夹点将系统分为热端和冷端两个子系 统，热端在夹点温度以上，只需要公用工程加热（热阱） 冷端在夹点温度以下，只需要公用工程冷却（热源）； （3）在一定的ΔT min下，确定了系统最小的公用工程加热负荷
第四章
夹点技术的基础理论
夹点技术：以热力学为基础，分析过程系统中能
量流沿温度的分布，从而发现系统用能的“瓶颈” （Bottleneck）所在，并给以“解瓶颈”
（Debottleneck）的一种方法。
1978年，Linnhoff 首次提出换热网络的温度夹点 问题。
4.1 过程系统的夹点及其意义 4.1.1 T-H 图 ( 温-焓图 )
T C ,i、T C , j
H C
，i、j分别表示热、冷物流的序号；
（2）确定各物流的虚拟温度 热物流虚拟初始温度=实际初始温度 热物流虚拟目标温度=实际目标温度 冷物流虚拟初始温度=实际初始温度 + 冷物流虚拟目标温度=实际目标温度 +
T T T T
H C ,i H C ,i C C, j C C, j
（3）按5.1.4节介绍的问题表格法进行夹点计算，但不同之处是 全过程系统取ΔT min值为零，这是因为当所有物流转换成
虚拟温度后，都已经考虑了各物流间的传热温差值；
（4）打印输出计算结果。
P123 [例5-3] 作出过程系统中热流量沿温度的分配，即总组
合曲线如图所示：
夹点温度1050C
5.2.2 合理地设计夹点位置—设计型夹点计算
T1 O1 Tk T k+1 Ok I1 D1
Ik
I k+1
Dk D k+1
Ok+1
IK
DK Ok
例 5-2 一过程系统含有的工艺物流为2个热物流及2个冷物流，给
定的数据列于表 5-2 中，并选热、冷物流间最小允许传热 温差△Tmin = 20 ℃ , 试确定该过程系统的夹点位置。 表5-2 例5-2的物流数据
QH,min+y
夹点上方 热阱
（3）夹点下方不能 设置公用工程加热
QH,min+x
夹点上方 热阱
QH,min 夹点上方 热阱
夹点
x
y 夹点下方 热源
z
夹点下方 热源
夹点下方 热源
QC,min+x
QC,min
QC,min+z
5.2 准确地确定过程系统的夹点位置
5.2.1 准确地确定夹点位置—操作型夹点计算
夹点描述所得信息： （1）过程系统的最小传热温差，夹点部位的传热温差最小； （2）最小的公用工程加热负荷QH ,min ；
（3）最小的公用工程冷却负荷QC, min ；
（4）系统最大的热回收量QR,max ； （5）夹点将系统分为热端和冷端，热端在夹点温度以上，只 需 要公用工程加热（热阱）;冷端在夹点温度以下，只需要 冷公用工程冷却(热源)。 夹点温度差的影响： ΔT min大，QH, min、QC ,min 增大，QR,max减小
I1=QH,min
＝107.5 kW （ 最小公用工程加热负荷）
( 最小公用工程冷却负荷 ）
O6 =Qc,min ＝40kW 夹点特征：
夹点处系统传热温差最小，等于ΔT min； 夹点处热流量等于0. 夹点介于子网络3(SN3）和子网络4(SN4)之间，夹点处热流体温 度90 ℃，冷流体温度70 ℃，夹点温度（界面虚拟温度）80 ℃。
子网络 序 号 赤
问题表格(2)
字
热量/kW 无外界输入热量
△Tmin = 15 ℃
热量/kW 外界输入最小热量
Dk / kW
Ik
Ok
Ik
Ok
1 2
3 4 5 6
-20 12.5
87.5 -135 110 12.5
0 20
7.5 -80 55 -55
20 7.5
-80 55 -55 -67.5
80 100
将系统的物流组合起来，以便于进行过程的冷、热物流的合 理匹配。 组合方法：
组合曲线的构造过程
例题：三个冷物流，构造组合曲线。
4.1.3 在T-H图上描述夹点
两曲线的垂直距离＝ΔTmin
凡是等于P点温度的热流体部位和等于Q点温度的冷流体部位
都是夹点。热流体的夹点温度与冷流体的夹点温度相差ΔTmin
多个热源与多个热阱匹配换热：
hj aj
j— 第j个物流 找到一参照物流r，则：
T j
T j
hr a j h j ar
Tr
每一物流的传热温差贡献值都确定以后，按5.2.1节介绍的操作 型夹点计算步骤进行夹点计算，确定改进后的夹点位置，进行 热回收系统的设计。
5.3 过程系统的总组合曲线
10.0 -2.5
-107.5 27.5 -55.0 -67.5
107.5 117.5
105.0 0 135.0 52.5
117.5 105.0
0 135.0 52.5 40.0
过程分析： 消除 I 或 O 的负值，方法：引入公用工程加热负荷使 I1 = 各子网络中最小负数的绝对值（107.5)得：结果: O3=0, 在夹点处
方法二：采用现场过程中各物流间匹配换热的实际传热温差进行