夹点技术基础理论

表 5-12
问题表格(1)
子网络序号
k 1
冷物流及其温度
C1 C2 ℃ 140 135
热物流及其温度
H1 H2
2 110 3 85 4 55 5 50 6 35 7 30
表 5-13
问题表格(2) 热 Ik 0 10 -2.5 -90 45 27.5 -55 流 Ok 10 -2.5 -90 45 27.5 -55 -67.5 量 / kW Ik Ok 90 100 87.5 0 135 117.5 35 100 87.5 0 135 117.5 35 22.5
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
多个热源与多个热阱匹配换热：
hj aj T j
j— 第j个物流 找到一参照物流r，则：
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
负的剩余热量（即需要子网络3向子网络2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。
第5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）。 1978年，Linnhoff 首次提出换热网络的温度夹点问题。
5.1 过程系统的夹点及其意义 5.1.1 T-H 图 ( 温-焓图 ) (Temperature-Enthalpy)
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
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 ℃。
设计型夹点计算：改进各物流间匹配换热的传热温差以及对物
流工艺参数进行调优，以得到合理的过程系统中热流量沿温度 的分布，从而减小公用工程负荷，达到节能的目的。 如何确定各物流适宜的传热温差贡献值，从而改善夹点？ 具有一个热阱（或热源）和多个热源（或热阱），满足：
Ui ai
i— 第i台换热器。
Ti
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
计算。物流间传热温差值ΔT min ，即平均传热温差：
Tm
T
H C

T
C C
T T
H C C C
—热物流对传热温差的贡献值； —冷物流对传热温差的贡献值。
采用“虚拟温度法”法，具体步骤： （1）按现场数据推算各热、冷物流对传热温差的贡献值
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)
组合曲线的构造过程
例题：三个冷物流，构造组合曲线。
5.1.3 在T-H图上描述夹点
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。
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）; （6）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 不同温差的影响
（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
Q W c p (Tt Ts ) H
斜率 T H Tt T s H 1 W cp
W·p-热容流率 c
不同物流在 T-H 图上的标绘：

冷物流 热物流
纯组分气化 纯组分冷凝 多组分气化 多组分冷凝
5.1.2 组合曲线(Composite curve)
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：
操作型（模拟型）夹点计算：确定现有过程系统中热流
量沿温度的分布，热流量等于零处即为夹点。
方法一: 采用单一的ΔT min （或HRAT，Heat Recovery Approach Temperature)，确定夹点位置的计算步骤如下：
（1）收集过程系统中热、冷物流数据，包括其热容流
率、初温、终温等； （2）选择一最小允许的传热温差初值ΔT min，按5.1.4节介 绍的问题表格法确定夹点位置，并得到系统所需的热、 冷最小公用工程负荷QH, min、QC min ； （3）修正ΔT min ，直至QH, min、QC min与现有过程系统所 需的热、冷公用工程负荷相符，此时即确定了该过程系 统的夹点位置。
C2
3.0
25
100
10
表5-11 物流标号 H1 H2 C1 C2
物流的虚拟温度 虚拟初始温度/℃ 150 – 10 = 140 90 – 5 = 85 20 + 10 = 30 25 + 10 = 35 虚拟目标温度/℃ 60 – 10 = 50 60 – 5 = 55 125 + 10 = 135 100 + 10 = 110
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
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)
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 1 125 2 100 3 75 4 45 5 25 60 90 115 140 问题表格(1) 冷物流及其温度 C1 C2 ℃ 150 △Tmin = 15 ℃ 热物流及其温度 H1 H2
6
20
问题表格（2） 表 5-6
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
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