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1、第四章夹点技术的基础理论第四章夹点技术的基础理论夹点技术：夹点技术：以热力学为基础，分析过程系统中能以热力学为基础，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量流沿温度的分布，从而发现系统用能的“瓶颈瓶颈”（Bottleneck）所在，并给以）所在，并给以“解瓶颈解瓶颈”（Debottleneck）的一种方法。）的一种方法。1978Linnhoff 首次提出换热网络的温度夹点问题。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过程系统的夹点及其意义4.1.1 T-H 图图 ( 温温-焓图焓图 )HTTcWQstp)(pstcWHTTHT1斜率Wcp-热容流率线段线段A
2、B有二个特征。有二个特征。不同物流在不同物流在 T-H 图上的标绘：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4.1.2 组合曲线组合曲线(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。理匹配。 组合方法：组合方法：组合曲线的构造过程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 在在T-H图上描述夹点图上描述夹点凡是等于凡是等于P点温度的热流体部位和等于点温度的热流体部位和等于Q点温度的冷流体部位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
3、度相差都是夹点。热流体的夹点温度与冷流体的夹点温度相差Tmin。两曲线的垂直距离两曲线的垂直距离Tmin夹点描述所得信息：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；）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）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）最小的公用工程冷却负荷QC, min ； （4）系统最大的热回收量）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）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）要公用工程加热（热阱）
4、;冷端在夹点温度以下，只需要冷端在夹点温度以下，只需要 冷公用工程冷却冷公用工程冷却(热源热源)。夹点温度差的影响：夹点温度差的影响： T min大，大，QH, min、QC ,min 增大，增大，QR,max减小减小 适宜的适宜的T min 是总费用最低的优化值。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：热级联： 每个单元都是相似的传热过程组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成的串级结构。每一级相当于一个子网络第 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
5、k-T k+1) D k+1T1T kT k+1I1I kI k+1IKD1D kD KO kO1OkOk+1热级联热级联 虚拟的结构，同一温位的物流 集中于同一级。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。 物流标号 热容流率CP / ( kW/ ) 初始温度Ts / 终了温度Tt / 热负荷Q / kW 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
6、.0 表5-2 例5-2的物流数据子网络的分割，问题表格(1)： 做法：表 5-3 问题表格(1) Tmin = 20 子网络序号 冷物流及其温度 热物流及其温度 k C1 C2 / H1 H2 /SN1SN2SN3SN4SN5SN6150145120906012510070402520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 150145 ) D 1=（02) (150145) = -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
7、为正值，说明子网络 1(SN1) 有剩余热量供给子网络2(SN2)k =2，（温度间隔为 145120 ) D 2=（2.52) (145120) = 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2520 ) D 6= 2.5 ( 2520) = 12.5 （正号表示有热量赤字12.5kW） I 6
8、 = 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。问题表格2 子网络 赤 字 热量/kW 无外界输入热量 热量/kW 外界输入最小热量 序 号 Dk / kW Ik Ok Ik Ok表 5-4 问题表格(2) Tmin = 20 SN1 -10.0 0 10.0 107.5 117.5SN2 12.5 10.0 -2.5 117.5 105.0SN3 105.0 -2.5 -107.5 105.0 0SN4 -135.0 -107.5
9、27.5 0 135.0SN5 82.5 27.5 -55.0 135.0 52.5SN6 12.5 -55.0 -67.5 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 I1=QH,min 107.5 kW （ 最小公用工程加热负荷） O6 =Qc,min 40kW ( 最小公用工程冷却负荷 ） 夹点特征： 夹点处系统传热温差最小，等于T 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
10、点温度（界面虚拟温度）80 。若改变最小传热温差T min 15，则结果如下： 表 5-5 问题表格(1) Tmin = 15 子网络序号 冷物流及其温度 热物流及其温度 k C1 C2 H1 H2123456150140115906012510075452520问题表格（2） 子网络 赤 字 热量/kW 无外界输入热量 热量/kW 外界输入最小热量 序 号 Dk / kW Ik Ok Ik Ok表 5-6 问题表格(2) Tmin = 15 1 -20 0 20 80 100 2 12.5 20 7.5 100 87.5 3 87.5 7.5 -80 87.5 0 4 -135 -80 55
11、 0 135 5 110 55 -55 135 25 6 12.5 -55 -67.5 25 12.5结果比较：表 5-7 选用不同 Tmin 值计算结果的比较 20 107.5 40 90 70 15 80 12.5 90 75Tmin / QH,min / kWQC,min / kW夹点位置 / 热物流 冷物流5.1.5 夹点的意义（1）夹点处，系统的传热温差最小（等于夹点处，系统的传热温差最小（等于T min ），），系统用能 瓶颈位置；（2）夹点处热流量为夹点处热流量为 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
12、要公用工程冷却（热源）；（3）在一定的T min下，确定了系统最小的公用工程加热负荷 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夹点处温度差的影响 T min大，QH, min、QC min 增大， QR,max减小。适宜的适宜的T min 是一个课题，一般以经验选取。是一个课题，一般以经验选取。(1)热量不能穿透夹点热量不能穿透夹点（2）夹点上）夹点上方不能设置公方不能设置公用工程冷却用工程冷却（3）夹点下方不能）夹点下方不能设置公用工程加热设置公用工程加热系统具有最低公用工程消耗以及最大热回收的原则： 夹点上
13、方夹点上方 热阱热阱 夹点下方夹点下方 热源热源夹点QH,min+xQC,min+x 夹点上方夹点上方 热阱热阱 夹点下方夹点下方 热源热源QH,min+yQC,miny 夹点上方夹点上方 热阱热阱 夹点下方夹点下方 热源热源QH,minQC,min+zzx5.2 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 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。方法一方法一: 采用单一的T 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
14、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T 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T 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。方法二方法二：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T min ，即平均传热温差：TTCCHCmTTTCCHC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
15、据推算各热、冷物流对传热温差的贡献值TTCjCHiC、,，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 +TTTTCjCCjCHiCHiC,（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T 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1050C5.2.2
16、 合理地设计夹点位置设计型夹点计算设计型夹点计算：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：iTiaiUi 第i台换热器。多个热源与多个热阱匹配换热：jTjajhj 第j个物流找到一参照物流r，则：rTrajhjarhjT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总组合曲线总组合曲线 在TH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 热容流率 / ( kW/ ) 初始温度Ts / 目标温度Tt / 传热温差贡献值 H1 2.0 150 60 10 H2 8.0 90 60 5 C1 2.5 20 125 10 C2 3.0 25 100 10 物流标号 虚拟初始温度/
