第8章换热网络合成与装置用能分析N

1、第第8 8章章 换热换热网络合成与装置用能分析网络合成与装置用能分析第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析第一节第一节 换热网络的基本概念换热网络的基本概念第二节第二节 夹点技术及夹点法设计换热网络夹点技术及夹点法设计换热网络 一、温焓图一、温焓图(T-H图图)与组合曲线与组合曲线 二、夹点位置及其特性二、夹点位置及其特性 三、夹点法设计换热网络三、夹点法设计换热网络第三节第三节 常用的换热网络设计法简介常用的换热网络设计法简介 一、温度区间一、温度区间-调优改进设计法（调优改进设计法（TI-ED法）法） 二、最小面积法二、最小面积法 三、运输问题模型设计法三、运

2、输问题模型设计法 四、转运问题模型设计法四、转运问题模型设计法第四节第四节 装置的能量平衡及用能分析装置的能量平衡及用能分析 一、体系的能量平衡一、体系的能量平衡 二、有效能二、有效能第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析 400K 160 450K 280 400 390K 140 455K 260 420 380K 120 460K 240 440 370K 100 465K 220 460 360K 80 470K 200 480 350K 60 475K 180 500续续600 K320 K350 K520 KE560kW负荷负荷680kWCH传热温差传

3、热温差太小了太小了!0100对对数数平平均均温温差差换热负荷换热负荷400500换热负荷换热负荷： Q = K A tm A = Q / K tm能量回收能量回收T1T2t2t1 t1 t2 t 传热温差传热温差1212lnmttttt tm 对数平均传热温差对数平均传热温差传热温差为零！传热温差为零！传热的热力学极限！传热的热力学极限！热量回收达到理论最大值热量回收达到理论最大值工程上必须考虑传热速率，保证工程上必须考虑传热速率，保证min( t1, t2)0500350K换换热热面面积积第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析 回收热量最大回收热量最大 换热器数

4、目最少换热器数目最少设备投资最少设备投资最少(总换热面积最小总换热面积最小)换热网络设计目标：换热网络设计目标：传热系数传热系数K与设备类型有关与设备类型有关换热负荷：换热负荷： Q = K A tmA 与投资成本有关与投资成本有关Q 与操作成本有关与操作成本有关投资投资 !能量回收能量回收 !K 不变时，不变时，Q tm A 降低降低 tm，需要设备传热效率高，需要设备传热效率高第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析第一节第一节 换热网络的基本概念换热网络的基本概念第二节第二节 夹点技术及夹点法设计换热网络夹点技术及夹点法设计换热网络 一、温焓图一、温焓图(T-

5、H图图)与组合曲线与组合曲线 二、夹点位置及其特性二、夹点位置及其特性 三、夹点法设计换热网络三、夹点法设计换热网络第三节第三节 常用的换热网络设计法简介常用的换热网络设计法简介 一、温度区间一、温度区间-调优改进设计法（调优改进设计法（TI-ED法）法） 二、最小面积法二、最小面积法 三、运输问题模型设计法三、运输问题模型设计法 四、转运问题模型设计法四、转运问题模型设计法第四节第四节 装置的能量平衡及用能分析装置的能量平衡及用能分析 一、体系的能量平衡一、体系的能量平衡 二、有效能二、有效能第一节第一节 换热网络的基本概念换热网络的基本概念第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络

6、合成与装置用能分析简单网络简单网络 ： 没有流股分割器；没有流股分割器； 一个热流与一个冷流只汇合一次一个热流与一个冷流只汇合一次 第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析2股冷流与股冷流与2股热流的换热方案组合股热流的换热方案组合穷举法分析不可行！穷举法分析不可行！( (图中无箭头线段表示流图中无箭头线段表示流股可双向流动；加热器股可双向流动；加热器及冷却器未标出及冷却器未标出) )第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析换热网络结构对能量回收的影响换热网络结构对能量回收的影响物流代号物流代号入口温度入口温度, 出口温度出口温度, 热容

7、流率，热容流率，Mw/KH1360908.0H2180906.0C14030012.0最小允许传热温差最小允许传热温差T min = 20 min = min ( T1, T2 )dQW C dTp整个换热网络温差不能低于此值整个换热网络温差不能低于此值！Cp变化不太大时可取平均值变化不太大时可取平均值也也可分段线性化可分段线性化同样的同样的Q下，下，Cp越大，温度变化？越大，温度变化？第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析方案一方案一 方案二方案二 方方 案案换热设备数换热设备数热公用工程负荷热公用工程负荷冷公用工程负荷冷公用工程负荷方案一方案一3960540方

8、案二方案二4540120差差 值值1420420第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析第一节第一节 换热网络的基本概念换热网络的基本概念第二节第二节 夹点技术及夹点法设计换热网络夹点技术及夹点法设计换热网络 一、温焓图一、温焓图(T-H图图)与组合曲线与组合曲线 二、夹点位置及其特性二、夹点位置及其特性 三、夹点法设计换热网络三、夹点法设计换热网络第三节第三节 常用的换热网络设计法简介常用的换热网络设计法简介 一、温度区间一、温度区间-调优改进设计法（调优改进设计法（TI-ED法）法） 二、最小面积法二、最小面积法 三、运输问题模型设计法三、运输问题模型设计法 四

9、、转运问题模型设计法四、转运问题模型设计法第四节第四节 装置的能量平衡及用能分析装置的能量平衡及用能分析 一、体系的能量平衡一、体系的能量平衡 二、有效能二、有效能第二节 夹点技术及夹点法设计换热网络第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析 Pinch Point TechnologyWhistler, 1948提出提出T-H图图Hoffmann, 1971在在T-H图上进行流股的热复合，找图上进行流股的热复合，找到能量最优解到能量最优解Linnhoff, 1978通过划分温度区间和热量衡算通过代通过划分温度区间和热量衡算通过代数找到最优解，提出数找到最优解，提出T

10、I-ED法法Linnhoff, 1979提出夹点概念提出夹点概念20世纪世纪70年代末至年代末至80年代初年代初Linnhoff在在BP和和UC核算核算了上百个现有、新建和待建工程项目，效果明显。了上百个现有、新建和待建工程项目，效果明显。投资回收期普遍低于半年，许多项目还节省了投资投资回收期普遍低于半年，许多项目还节省了投资第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析第一节第一节 换热网络的基本概念换热网络的基本概念第二节第二节 夹点技术及夹点法设计换热网络夹点技术及夹点法设计换热网络 一、温焓图一、温焓图(T-H(T-H图图) )与组合曲线与组合曲线 二、夹点位置及

11、其特性二、夹点位置及其特性 三、夹点法设计换热网络三、夹点法设计换热网络第三节第三节 常用的换热网络设计法简介常用的换热网络设计法简介 一、温度区间一、温度区间- -调优改进设计法（调优改进设计法（TI-EDTI-ED法）法） 二、最小面积法二、最小面积法 三、运输问题模型设计法三、运输问题模型设计法 四、转运问题模型设计法四、转运问题模型设计法第四节第四节 装置的能量平衡及用能分析装置的能量平衡及用能分析 一、体系的能量平衡一、体系的能量平衡 二、有效能二、有效能 一、温焓图一、温焓图(T-H(T-H图图) )与组合曲线与组合曲线第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用

12、能分析(一一) T - H 图图 工艺物流热量工艺物流热量dQ与温度与温度dT的关系：的关系： dQW C dTpTS加热到目标温度加热到目标温度TT :QW CdTPTTST在在TS到到TT内内Cp为常数为常数, 令令WCp = CP QCP TTHTS()第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析figureTHTSTT传热温差传热温差交叉交叉tStEQE,maxQH,minQC,min最小传热温差最小传热温差工程传热极限工程传热极限传热温差为零传热温差为零热力学极限热力学极限 Tmin投影长度为热负荷投影长度为热负荷斜率为斜率为1/CP线段水平移动不会影响热负荷

13、线段水平移动不会影响热负荷T 热流温度，热流温度，t 冷流温度冷流温度下标下标 S 进入温度，下标进入温度，下标E出口温度出口温度传热温差上升传热温差上升，QE下降下降T-H曲线曲线第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析不同物流在不同物流在 T-H T-H 图上的标绘：图上的标绘：冷物流冷物流热物流热物流纯组分气化纯组分气化纯组分冷凝纯组分冷凝多组分气化多组分气化多组分冷凝多组分冷凝第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析(二二) 组合曲线组合曲线(Compositive CurveTH几何几何画法：（画法：（3股同类型物流）股同类型物

14、流）(CP1+CP2+CP3)(CP1+CP3)以端点温度划分温度区，将每个温区内的物以端点温度划分温度区，将每个温区内的物流热负荷相加流热负荷相加(温区内热负荷视为一体温区内热负荷视为一体)，各温，各温区之间热负荷从低到高相累加区之间热负荷从低到高相累加(1)(2)(3)(4)CP2CP3123第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析将冷流与热流分别对待将冷流与热流分别对待按照端点温度排序，形成温度区间按照端点温度排序，形成温度区间计算各温度区间内同类物流的总热负荷计算各温度区间内同类物流的总热负荷 以最低温度点为基准，在以最低温度点为基准，在T-H坐标图上划出温

15、度与热负荷曲坐标图上划出温度与热负荷曲线线组合曲线数学画法组合曲线数学画法()jjiQTCP T1T2T3T5T4T6123Cp2Cp1+Cp2Cp1+Cp2+Cp3Cp2+Cp3Cp3总总Cp区间总热负荷区间总热负荷 = 区间总区间总CP 区间长度区间长度第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析第一节第一节 换热网络的基本概念换热网络的基本概念第二节第二节 夹点技术及夹点法设计换热网络夹点技术及夹点法设计换热网络 一、温焓图一、温焓图(T-H(T-H图图) )与组合曲线与组合曲线 二、夹点位置及其特性二、夹点位置及其特性 三、夹点法设计换热网络三、夹点法设计换热网

16、络第三节第三节 常用的换热网络设计法简介常用的换热网络设计法简介 一、温度区间一、温度区间- -调优改进设计法（调优改进设计法（TI-EDTI-ED法）法） 二、最小面积法二、最小面积法 三、运输问题模型设计法三、运输问题模型设计法 四、转运问题模型设计法四、转运问题模型设计法第四节第四节 装置的能量平衡及用能分析装置的能量平衡及用能分析 一、体系的能量平衡一、体系的能量平衡 二、有效能二、有效能 二、夹点位置及其特性二、夹点位置及其特性第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析夹点位置夹点位置THDTmin1. 夹点位置与夹点位置与DTmin相关相关,应根据应根据过

17、程特点过程特点取取DTmin Tmin2. 斜率下降，有物流加入斜率下降，有物流加入 斜率变大，有物流退出斜率变大，有物流退出3. 夹点只能在端点或进料夹点只能在端点或进料能量成本较低，可取较大的能量成本较低，可取较大的DTmin，如常减压，如常减压20能量能量成本高，成本高，可取可取较较小小的的DTmin，如深冷分离如深冷分离Tmin非夹点匹配非夹点匹配=Tmin夹点之上热流必有夹点之上热流必有夹点匹配夹点匹配夹点夹点第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析夹点匹配（续）夹点匹配（续）夹点之下子系统夹点之下子系统12夹点夹点3约束最多约束最多首先设计首先设计有一定

18、自由度有一定自由度灵活优化设计灵活优化设计夹点之下冷流必有夹点之下冷流必有夹点匹配夹点匹配夹点匹配夹点匹配第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析夹点上方，热物流数目夹点上方，热物流数目NH(包括分支数目包括分支数目)要小于或要小于或等于冷物流数目等于冷物流数目NC(包括分支数目包括分支数目)，即，即 NH NC在夹点下方，热物流数目在夹点下方，热物流数目NH (包括分支数目包括分支数目)要大于要大于或等于冷物流数目或等于冷物流数目NC (包括分支数目包括分支数目) ，即，即 NH NC夹点匹配可行性原则（夹点匹配可行性原则（1）：）：第第8 8章章 换热网络合成与

19、装置用能分析换热网络合成与装置用能分析不满足时的处理不满足时的处理分支分支夹点之上子系统夹点之上子系统TC + TminTCTC + TminTCC TminTi max-Tmin，则删去该，则删去该块中温度在块中温度在Ti min-Tmin以上的部分以上的部分 （冷流（冷流此部分此部分热量任何热流都无法满足）热量任何热流都无法满足）2) 物流间最大换热量与公用工程用量的确定物流间最大换热量与公用工程用量的确定 第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析可交换的热量可交换的热量（ Tmin=10） QEQHQC min,Qw确定无法与冷流换热确定无法与冷流换热Qs确定

20、无法确定无法与热流与热流换热换热可交换的最大热负荷：可交换的最大热负荷：第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析若若QCQH，则，则QE=QH，冷公用工程负荷，冷公用工程负荷QW=QW，热公用工程负荷，热公用工程负荷QS=QS+Q|CHQQQ第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析 热块和冷块按热块和冷块按Ti和和to从高到低的顺序逐一匹配。从高到低的顺序逐一匹配。 当温热图上热块按当温热图上热块按Ti、冷块按、冷块按to递减的顺序排列时，第递减的顺序排列时，第i个热块的出口温度不能低于第个热块的出口温度不能低于第i+1个热块的进口温度。

21、同样，个热块的进口温度。同样，第第j个冷块的进口温度不能低于第个冷块的进口温度不能低于第j+1个冷块的出口温度。也个冷块的出口温度。也就是说，当某一温度水平上有多个块同时存在时，需将有关就是说，当某一温度水平上有多个块同时存在时，需将有关的块作水平分割的块作水平分割(串联串联)，而将具有相同温度水平的部分作为，而将具有相同温度水平的部分作为一个块处理。一个块处理。 配对的热块和冷块的面积必须相等。若待配对的某一对热配对的热块和冷块的面积必须相等。若待配对的某一对热块与冷块的面积不相等，则需将大块作水平分割，划出与小块与冷块的面积不相等，则需将大块作水平分割，划出与小块面积相等的部分与小块匹配。

22、大块的剩余部分与与后面的块面积相等的部分与小块匹配。大块的剩余部分与与后面的块进行匹配。块进行匹配。 若某一块中包含有不同的物流，应将与其匹配的块作垂直若某一块中包含有不同的物流，应将与其匹配的块作垂直分割分割(并联并联)，以满足不同物流的换热需要。，以满足不同物流的换热需要。 若网络中需设置加热器，应置于网络的末端；需设置冷却若网络中需设置加热器，应置于网络的末端；需设置冷却器时，也应置于网络的末端。器时，也应置于网络的末端。3) 冷热物流间的匹配冷热物流间的匹配 第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析物物 流流Ti，To，CP，kW/Sh13604010Sh2

23、30018010Sc9029015W301）画温热图）画温热图 Tmin=10热流温度，热流温度，冷流温度，冷流温度，第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析物物 流流Ti，To，CP，kW/Sh13604010Sh230018010Sc9029015W302）确定必须使）确定必须使用的公用工程量用的公用工程量必须冷却必须冷却热流温度，热流温度，冷流温度，冷流温度，第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析3）冷热流各自切割温区）冷热流各自切割温区区间区间 I区间区间 II区间区间 III区间区间 I物物 流流Ti，To，CP，kW/Sh1

24、3604010Sh230018010Sc9029015W30热流温度，热流温度，冷流温度，冷流温度，第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析4）分块垂直温差匹配）分块垂直温差匹配区间区间 I从冷块最高温度切去相同面积从冷块最高温度切去相同面积切到哪里？切到哪里？t = 290-(360-300)*10/15 = 250热流块热流块II有两个流股，合起来与冷流切块！有两个流股，合起来与冷流切块！t = 250-(300-180)*10*2/15 = 90从冷块最高温度切去相同总面积从冷块最高温度切去相同总面积刚好将冷块所有热负荷用光！热块有刚好将冷块所有热负荷用光！热

25、块有2个！个！出力相同，但封赏差别大！出力相同，但封赏差别大！E1E2热负荷富裕，必须用冷公用工程热负荷富裕，必须用冷公用工程总冷却负荷：总冷却负荷：(180-40)*10=1400热流温度，热流温度，冷流温度，冷流温度，第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析5）最终换热方案）最终换热方案第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析第一节第一节 换热网络的基本概念换热网络的基本概念第二节第二节 夹点技术及夹点法设计换热网络夹点技术及夹点法设计换热网络 一、温焓图一、温焓图(T-H(T-H图图) )与组合曲线与组合曲线 二、夹点位置及其特性二

26、、夹点位置及其特性 三、夹点法设计换热网络三、夹点法设计换热网络第三节第三节 常用的换热网络设计法简介常用的换热网络设计法简介 一、温度区间一、温度区间- -调优改进设计法（调优改进设计法（TI-EDTI-ED法）法） 二、最小面积法二、最小面积法 三、运输问题模型设计法三、运输问题模型设计法 四、转运问题模型设计法四、转运问题模型设计法第四节第四节 装置的能量平衡及用能分析装置的能量平衡及用能分析 一、体系的能量平衡一、体系的能量平衡 二、有效能二、有效能 三、运输问题模型设计法三、运输问题模型设计法第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析某公司有三个分散的工厂某

27、公司有三个分散的工厂A，B，C。公司的主顾分。公司的主顾分散在四个地区散在四个地区a，b，c，d。从各工厂将产品运往各。从各工厂将产品运往各主顾的运输费用及产品批此间的供求关系如表所示。主顾的运输费用及产品批此间的供求关系如表所示。试制订一个运输，使总运输费用最小。试制订一个运输，使总运输费用最小。 运输问题运输问题第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析运费表运费表产量产量需求量需求量工厂至客户的运费工厂至客户的运费运输方案的制定？运输方案的制定？直观做法：去哪儿便宜，首先运足！直观做法：去哪儿便宜，首先运足！第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成

28、与装置用能分析第一次运输计划第一次运输计划0505 07 016011 00121057511总运费：总运费：3 10+4 5+2 12+5 7+12 5+16 11 = 345是否最优？是否最优？运费已经很高！运费已经很高！第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析特有常数特有常数: (某工厂的特有常数某工厂的特有常数)+(和它对应的主顾的特有常数和它对应的主顾的特有常数)= (从该工厂到该主顾间的运费从该工厂到该主顾间的运费)3特有常数特有常数+ +特有常数特有常数= =运费运费4251216第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析-6

29、814-60(从该工厂到该主顾间的运费从该工厂到该主顾间的运费) = (某工厂的特有常数某工厂的特有常数)+(和它对应的主顾的特有常数和它对应的主顾的特有常数)计算运费计算运费 实际运费实际运费 = 运费差运费差（单纯形判别值单纯形判别值）-67-13412-8-515-20311741215105-668-2存在大于零的运费差，说明方案还没有达到最优存在大于零的运费差，说明方案还没有达到最优找到判别值最大的单元找到判别值最大的单元+5最大限度往此单元格输送货物最大限度往此单元格输送货物 + + 第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析踏石路径踏石路径+ - + -

30、 踏石路径踏石路径 =5在路径中找到数值在路径中找到数值最小者，消去最小者，消去05612第二次运输计划！第二次运输计划！第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析新特有常数新特有常数3特有常数特有常数+特有常数特有常数=运费运费10251216第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析-13-49-10第二次运输计划检验第二次运输计划检验-17-8912-3-515-203-14-5767-1-168-2 所有所有判别值的数值均小于判别值的数值均小于0，为，为最优方案最优方案。最小最小运输费用为运输费用为320。-43第第8 8章章 换热网

31、络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析运输问题用于换热网络设计运输问题用于换热网络设计物物 流流热容流率热容流率(kw/)入口温入口温度，度，出口温出口温度，度，交换热交换热量量(kw)C18.4593205946C28.44382211545H312.53310149-2017C419.651492051100H58.3224493-1256C615.50661381116H76.9623866-1198第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析1. 以热流入口端点温度以热流入口端点温度TminTmin、最低热流出口端、最低热流出口端点温度点温度TminTm

32、in、冷流入口端点温度、最低冷流冷流入口端点温度、最低冷流出口端点温度一起从大到小排序出口端点温度一起从大到小排序2. 计算系统的夹点温度及最小公用工程负荷计算系统的夹点温度及最小公用工程负荷3. 生成运输问题初始方案生成运输问题初始方案4. 可以进行换热的区间运费为可以进行换热的区间运费为0, 不可换热区间运费不可换热区间运费取值极大（如取值极大（如108）5. 进行运费问题优化计算进行运费问题优化计算6. 合并临近的相同冷、热换热匹配合并临近的相同冷、热换热匹配7. 调优网络调优网络运输问题换热网络设计步骤运输问题换热网络设计步骤第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置

33、用能分析初始换热方案初始换热方案chh34h54h74h33h53h733h52h72h711H421892 7075501254663908318870c441100c24608c14473c23473c13473c63697c22228c62419c21236432186460842053418181292258125314152763148322236166236hIIIIIIII70IIIIIIIIIIIIIIIIIIIII产生初值的方法称为西北角法产生初值的方法称为西北角法I 很大的运费，表示可不匹配很大的运费，表示可不匹配第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置

34、用能分析计算换热方案计算换热方案chh34h54h74h33h53h733h52h72h711H421892 7075501254663908318870c441100c24608c14473c23473c13473c63697c22228c62419c212364321864608420473234125381597215623183188236236hIIIIIIII70IIIIIIIIIIIIIIIIIIIII5322783第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析换热器合并换热器合并115393411161232286470第第8 8章章 换热网络合成与装置用

35、能分析换热网络合成与装置用能分析合并后的初始网络合并后的初始网络热量回路热量回路第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析热量迁移后的最终网络热量迁移后的最终网络第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析易腐蚀物流与易燃易爆物流的换热匹配易腐蚀物流与易燃易爆物流的换热匹配将禁止匹配物流间的运费系统取值很大将禁止匹配物流间的运费系统取值很大禁止换热匹配物流的处理禁止换热匹配物流的处理第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析换热器的合并主观性强换热器的合并主观性强不能切割流股不能切割流股不易编程不易编程运输问题设计法的

36、不足运输问题设计法的不足第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析第一节第一节 换热网络的基本概念换热网络的基本概念第二节第二节 夹点技术及夹点法设计换热网络夹点技术及夹点法设计换热网络 一、温焓图一、温焓图(T-H(T-H图图) )与组合曲线与组合曲线 二、夹点位置及其特性二、夹点位置及其特性 三、夹点法设计换热网络三、夹点法设计换热网络第三节第三节 常用的换热网络设计法简介常用的换热网络设计法简介 一、温度区间一、温度区间- -调优改进设计法（调优改进设计法（TI-EDTI-ED法）法） 二、最小面积法二、最小面积法 三、运输问题模型设计法三、运输问题模型设计法

37、四、转运问题模型设计法四、转运问题模型设计法第四节第四节 装置的能量平衡及用能分析装置的能量平衡及用能分析 一、体系的能量平衡一、体系的能量平衡 二、有效能二、有效能 四、转运问题模型设计法四、转运问题模型设计法第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析转运问题转运问题产品产品 中间中间仓库仓库目的地目的地热物流热量热物流热量温度温度区间区间冷物流热量冷物流热量第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析模型要点模型要点：(1) 热量从包含在某一温度区间中的所有热工艺物流热量从包含在某一温度区间中的所有热工艺物流和公用工程加热物流流入该温度区间

38、；和公用工程加热物流流入该温度区间；(2) 热量从该温度间隔流出到包含在该温度区间中的热量从该温度间隔流出到包含在该温度区间中的所有冷工艺物流和冷公用工程冷却物流；所有冷工艺物流和冷公用工程冷却物流；(3) 该间隔中余下的热量流入到下一个较低温位的温该间隔中余下的热量流入到下一个较低温位的温度区间中去；度区间中去；(4) 热量只能从温位较高的温度区间流入到温位较低热量只能从温位较高的温度区间流入到温位较低的温度区间的温度区间 第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析目标函数：目标函数：最小的公用工程用量最小的公用工程用量 网络的最大热回收和最小的网络的最大热回收和最

39、小的操作费；操作费；最少的换热设备数最少的换热设备数 即最小的投资费用即最小的投资费用第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析换热网络的数学模型：换热网络的数学模型： 求解最小公用工程费用的换热网络的数学模型求解最小公用工程费用的换热网络的数学模型 LP 求解最少换热器数的换热网络模型求解最少换热器数的换热网络模型 MILP 约束条件：约束条件： 等式约束等式约束 平衡方程平衡方程 不等式约束不等式约束 边界条件边界条件 非负要求非负要求 适宜或不适宜匹配适宜或不适宜匹配 决策变量：决策变量： 二元变量二元变量 yij= 0、1 （可匹配为（可匹配为1，不可匹配为，

40、不可匹配为0） 连续变量连续变量 匹配热负荷匹配热负荷 温度温度 流量流量 温度间隔间的热流量等温度间隔间的热流量等第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析第一节第一节 换热网络的基本概念换热网络的基本概念第二节第二节 夹点技术及夹点法设计换热网络夹点技术及夹点法设计换热网络 一、温焓图一、温焓图(T-H(T-H图图) )与组合曲线与组合曲线 二、夹点位置及其特性二、夹点位置及其特性 三、夹点法设计换热网络三、夹点法设计换热网络第三节第三节 常用的换热网络设计法简介常用的换热网络设计法简介 一、温度区间一、温度区间- -调优改进设计法（调优改进设计法（TI-EDTI

41、-ED法）法） 二、最小面积法二、最小面积法 三、运输问题模型设计法三、运输问题模型设计法 四、转运问题模型设计法四、转运问题模型设计法第四节第四节 装置的能量平衡及用能分析装置的能量平衡及用能分析 一、体系的能量平衡一、体系的能量平衡 二、有效能二、有效能第四节第四节 装置的能量平衡及用能分析装置的能量平衡及用能分析第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析热力学分析热力学分析 量：量： 热力学第一定律热力学第一定律 能能量量 质：质： 热力学第二定律热力学第二定律 有效有效能能质：能量做功的能力！质：能量做功的能力！第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网

42、络合成与装置用能分析第一节第一节 换热网络的基本概念换热网络的基本概念第二节第二节 夹点技术及夹点法设计换热网络夹点技术及夹点法设计换热网络 一、温焓图一、温焓图(T-H(T-H图图) )与组合曲线与组合曲线 二、夹点位置及其特性二、夹点位置及其特性 三、夹点法设计换热网络三、夹点法设计换热网络第三节第三节 常用的换热网络设计法简介常用的换热网络设计法简介 一、温度区间一、温度区间- -调优改进设计法（调优改进设计法（TI-EDTI-ED法）法） 二、最小面积法二、最小面积法 三、运输问题模型设计法三、运输问题模型设计法 四、转运问题模型设计法四、转运问题模型设计法第四节第四节 装置的能量平衡

43、及用能分析装置的能量平衡及用能分析 一、体系的能量平衡一、体系的能量平衡 二、有效能二、有效能 一、体系的能量平衡一、体系的能量平衡第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析 热力学第一定律热力学第一定律 ：sysoutinEEEEin进入体系的能量进入体系的能量Eout从体系输出的能量从体系输出的能量 Esys体系内能的变化体系内能的变化 体系输入能量体系输入能量 = 输出能量输出能量 + 体系储存能量增加体系储存能量增加系统的能量平衡系统的能量平衡第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析稳定流动体系的能量平衡稳定流动体系的能量平衡 HH

44、QWoutinTHin进入进入体系的能量；体系的能量；Hout从从体系输出的能量；体系输出的能量；Q外界外界输入的热量；输入的热量；WT体系体系对外所作的功对外所作的功 在忽略体系进出口动能和势能变化的条件下：在忽略体系进出口动能和势能变化的条件下：进出口焓差进出口焓差 = 外界输入热量外界输入热量 - 体系对外所作功体系对外所作功第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析设备和工艺系统的能量平衡计算设备和工艺系统的能量平衡计算 EiESEeEwER工艺物流带入工艺物流带入外界提供：外界提供：燃料燃料, 电力电力, 蒸汽蒸汽,反应热反应热, 溶解热等溶解热等工艺物流带

45、走工艺物流带走外供热排向环境部分外供热排向环境部分:冷却水冷却水, 空气空气, 烟道气烟道气,不完全燃烧不完全燃烧, 散热散热, 物物料的逸损等料的逸损等换热系统换热系统回收回收环境环境有效能量有效能量EeEw无效能量无效能量尽可能提高有效能量尽可能提高有效能量第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析系统能量平衡：系统能量平衡： iseWEEEE仅能得到能量利用和损失的具体数值，不仅能得到能量利用和损失的具体数值，不能全面反映能量的利用程度能全面反映能量的利用程度 引入引入设备效率设备效率：利益与代利益与代价价sWsieEEEEE1供给能量有效吸纳能量设备效率外界提

46、外界提供的能供的能量量系统总能量：系统总能量： EEEEEEisReWR工艺工艺物流物流实际获得实际获得的能量的能量第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析常用指标：常用指标：能量利用率 EEEEEEEEEeRisRWisR1RsiREEEE能量回收率RsieEEEE能量输出率通常情况下，系统输出物流的能量变化很小，通常情况下，系统输出物流的能量变化很小，提高提高ER可降低可降低ES、减少、减少EW，从而提高效率，从而提高效率第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析由能量平衡表考核能量利用率由能量平衡表考核能量利用率 流流 入入 热热 量

47、量 流流 出出 热热 量量 No.项项 目目量量, 106kJ/h%No.项项 目目量量,106kJ/h%1工艺物流输入能量工艺物流输入能量22.20.41工艺物流带走能量工艺物流带走能量149.72.52燃料产生热量燃料产生热量221336.82反应吸热反应吸热2544.23反应放热反应放热384.96.43对外提供蒸汽对外提供蒸汽125.42.24动力能量动力能量111.71.94冷却水取热冷却水取热191231.85回收热量回收热量327654.55烟气带热烟气带热211.73.5 6工艺物流排放带热工艺物流排放带热791.5 7回收热回收热327654.5 合计合计6007.8100

48、合计合计6007.8100有效能量有效能量无无效能量效能量回收能量回收能量回收能量回收能量输入能量输入能量第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析解：解：RsiReEEEEE能量利用率%5 .548 .60073276RsiREEEE能量回收率 149.7 + 254 + 125.4 + 3276= = 63.3% 6007.8第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析第一节第一节 换热网络的基本概念换热网络的基本概念第二节第二节 夹点技术及夹点法设计换热网络夹点技术及夹点法设计换热网络 一、温焓图一、温焓图(T-H(T-H图图) )与组合

49、曲线与组合曲线 二、夹点位置及其特性二、夹点位置及其特性 三、夹点法设计换热网络三、夹点法设计换热网络第三节第三节 常用的换热网络设计法简介常用的换热网络设计法简介 一、温度区间一、温度区间- -调优改进设计法（调优改进设计法（TI-EDTI-ED法）法） 二、最小面积法二、最小面积法 三、运输问题模型设计法三、运输问题模型设计法 四、转运问题模型设计法四、转运问题模型设计法第四节第四节 装置的能量平衡及用能分析装置的能量平衡及用能分析 一、体系的能量平衡一、体系的能量平衡 二、有效能二、有效能 二、有效能二、有效能第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析有效能有效

50、能(Available Energy) (exergy)无效能无效能能量做功的能力能量做功的能力排放到环境的能量排放到环境的能量第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析例：例：能量与功能量与功0.2MPa1801.0MPa蒸汽蒸汽热负荷热负荷47.0MJ/kmol发电发电5.2MJ/kmol效率效率:11%40水水第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析例：例：能量与功能量与功0.2MPa2504.0MPa蒸汽蒸汽热负荷热负荷47.2MJ/kmol发电发电9.2MJ/kmol效率效率:19.5%40水水能量在数量上没有太大变化，但做功能能

51、量在数量上没有太大变化，但做功能量增加很多量增加很多第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析 1) 功和热量的有效能功和热量的有效能 有用功有用功 W : Ex=W 热量热量Q：1. 有效能的计算有效能的计算 WQTTExQ()10热源,T环境,T0卡诺机QQTT()10QTT()0第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析变温热源的有效能变温热源的有效能)()1 ()1 (2121122100SSTQESSTQQTTEQTTdEoxQxQxQT0123456TS有效能有效能无效能无效能O热量的有效能是热量本身热量的有效能是热量本身固有的特

52、性固有的特性，是系统，是系统对外作功对外作功能力能力的体现，与实现作功的方式没有关系。系统只要吸的体现，与实现作功的方式没有关系。系统只要吸收了热量，及增加了这部分热量所具有的有效能。收了热量，及增加了这部分热量所具有的有效能。 温度变化所发生温度变化所发生的能量变化的能量变化第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析 任一封闭系统以可逆方式从给定状态转变到环任一封闭系统以可逆方式从给定状态转变到环境状态，且只与环境有热量交换时所作出的最大有境状态，且只与环境有热量交换时所作出的最大有用功，称为给定状态下封闭系统的有效能。用功，称为给定状态下封闭系统的有效能。 2)

53、封闭系统的有效能封闭系统的有效能 P, T, UP0, T0P0, T0, U0Q0WMAX第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析 过程可逆过程可逆: 热力学第一定律热力学第一定律 UUQWMAX00SSQT000WT SSUUMAX000()()克服大气阻力，对外膨胀作功克服大气阻力，对外膨胀作功Wa: WP VVa00()最大有用功，即有效能为最大有用功，即有效能为 )()()(00000VVPUUSSTExQ状态参数状态参数第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析3) 稳定流动体系的有效能稳定流动体系的有效能 对外作功对外作功 T

54、,P,H,ST0,P0,H0,S0稳定流动开口体系Q0WQHHWAX00()可逆过程，系统熵增：可逆过程，系统熵增：)()()()(0000000STHSTHHHSSTWEMAXx实际使用的有效能：实际使用的有效能： 物理有效能、化学有效能和扩散有效能物理有效能、化学有效能和扩散有效能一般使用至于温度、压力有关的物理有效能。一般使用至于温度、压力有关的物理有效能。 环境环境第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析2. 有效能的损失及有效能平衡方程有效能的损失及有效能平衡方程 能量中能转变为功的那部分能量能量中能转变为功的那部分能量可逆过程，没有有效能的损失可逆过程，

55、没有有效能的损失 第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析 有限温差下传热过程引起的有效能损失有限温差下传热过程引起的有效能损失 THTLT0高温热源有效能：高温热源有效能：)1 (0HHxTTQE Q低温热源有效能：低温热源有效能：)1 (0LxLTTQE损失：损失：)11(0HLxLxHxTTQTEEdETH-TLdEx第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析 绝热节流过程的有效能损失绝热节流过程的有效能损失 P1, T1, H1, P2, T2, H2, HHHoutin 0)()(210210,SSTSSTHHEEEoutinou

56、txinxx稳定流动体系稳定流动体系第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析 稳定流动体系的有效能平衡稳定流动体系的有效能平衡 H1TWS1H2S2Q0T0Q热力学第一定律热力学第一定律 HHQQW1200SQTQTSS1020增熵平衡方程熵平衡方程 增STQSSTQ2100()()()HT SHT STTQTSW1012020010增进出口物流有效能之差进出口物流有效能之差 热量带来的有效能热量带来的有效能 有效能损失有效能损失 控制体控制体Control Volume第第8 8章章 换热网络合成与装置用能分析换热网络合成与装置用能分析 输入系统的有效能输入系统的有效能 输出系统的有效能输出系统的有效能 系统的有效能损失系统的有效能损失 = 系统有效能的增量系统有效能的增量 有效能平衡的一般方程：有效能平衡的一般方程：第第8