换热网络设计.pdfVIP

一.简介：

化学工业是耗能大户，在现代化学工业生产过程中，能量的回

收及再利用有着极其重要的作用。换热的目的不仅是为了改变物流

温度使其满足工艺要求，而且也是为了回收过程余热，减少公用工

程消耗。在许多生产装置中，常常是一些物流需要加热，而另一些

物流则需要冷却。将这些物流合理的匹配在一起，充分利用热物流

去加热冷物流，提高系统的热回收能力，尽可能减少蒸汽和冷却水

等辅助加热和冷却用的公用工程（即能量）耗量，可以提高系统的

能量利用率和经济性。换热网络系统综合就是在满足把每个物流由

初始温度达到制定的目标温度的前提下，设计具有最加热回收效果

和设备投资费用的换热器网络。

我们主要介绍利用夹点技术对换热网络进行优化。通过温度分

区及问题表求出夹点及最小公用工程消耗，找出换热网络的薄弱环

节提出优化建议，寻求最优的匹配方法。再从经济利益上进行权衡

提出最佳的换热网络方案。提高能量的利用效率。

二.换热网络的合成——夹点技术

1、温度区间的划分

工程设计计算中，为了保证传热速率，通常要求冷、热物流之

间的温差必须大于一定的数值，这个温差称作最小允许温差△

Tmin。热物流的起始温度与目标温度减去最小允许温差△Tmin，然

后与冷物流的起始、目标温度一起按从大到小顺序排列，生称n个

温度区间，分别用T1,T2……Tn+1表示，从而生成n个温区，冷、

热物流按各自的始温、终温落入相应的温度区间。

温度区间具有以下特性:

（1）.可以把热量从高温区间内的任何一股热物流，传给低温区间

内的任何一股冷物流。

（2）.热量不能从低温区间的热物流向高温区间的冷物流传递。

2、最小公用工程消耗

（1）.问题表的计算步骤如下：

A：确定温区端点温度T1，T2，………Tn+1，将原问题划分为n

个温度区间。

B：对每个温区进行流股焓平衡，以确定热量净需求量：

Di=Ii－Qi=（Ti－Ti+1）（∑FCPC－∑FCPH）

C：设第一个温区从外界输入热量I1为零，则该温区的热量输出Q1

为：Q1=I1－D1=－D1根据温区之间热量传递特性，并假定各温区

间与外界不发生热交换，则有：Ii+1=Qi

Qi+1=Ii+1－Di+1=Qi－Di+1

利用上述关系计算得到的结果列入问题表

(2).夹点的概念（自己画图7-3）

从图中可以直观的看到温区之间的热量流动关系和所需最小公

用工程用量，其中SN2和SN3间的热量流动为0，表示无热量从

SN2流向SN3。这个流量为零的点就称为夹点。

3、温焓图与组合曲线

对于同一个温度区间的冷物流或热物流，由于温差相同，只需

将冷物流、热物流的热容流率分别相加再乘上温差，就能得到冷物

流或热物流的总热量。因为

△H=∑Qi=(T终-T初)∑FCpi

所以冷物流或热物流的热量与温差关系可以用T—H图上的一

条曲线表示，称之为组合曲线。T—H图上的焓值是相对的。为了在

图上标出焓值，需要为冷物流和热物流规定基准点。

步骤如下：

（1）对于热物流，取所有热物流中最低温度T，设在T时的

H=H，以此作为焓基准点。从T开始想高温区移动，计算每一个

温区的积累焓，用积累焓对T作图，得到热物流组合曲线。

（2）对于冷物流，取所有冷物流中最低温度T，设在T时的

H=H，（HCO）以此作为焓基准点。从T开始想高温区移动，计

算每一个温区的积累焓，用积累焓对T作图，得到冷物流组合曲线。

结论：

1.过程物流热复合可以减少整个换热过程的热力学限制数；

2.经过热复合后只剩下一个热力学限制点，即夹点，此时，过程

需要的公用工程用量可以达到最小。

4、夹点特性

（1）夹点的能量特性

夹点限制了能量得进一步回收，它表明了换热网络消耗得公用

工程用量已达到最小状态。可以说，求解能量最优的过程就是寻找

夹点的过程。

（2）夹点的位置特性

夹点位置和最小公用工程消耗量可采用图解法（T-H图）或问

题表格算法（ProblemTableAlgorithm）来确定。夹点把换热网络分

隔成夹点上方（热阱）及夹点下方（热源）两个独立的子系统，而

夹点处是设计工作中约束