一種基於各股流體非線性溫焓關係的換熱網絡夾點確定方法
2023-06-11 04:40:31
專利名稱：一種基於各股流體非線性溫焓關係的換熱網絡夾點確定方法
技術領域：
本發明涉及過程工業熱交換網絡的確定方法，尤其是一種用於具有非線性溫焓關係流體的熱交換網絡的夾點確定方法。
背景技術：
在過程工業中，一些流股需要加熱，而另一些流股需要冷卻。通過合理地將這些流股匹配換熱，充分利用物流自身的熱量，用熱物流去加熱冷物流，或者冷物流去冷卻熱物流，使物流達到指定的溫度和相態，通過系統內的熱量回收來減少對外部公用工程的消耗，這就是換熱網絡的任務。換熱網絡用於回收系統中可利用的能量，減少對外部公用工程的 需求，是化工、冶金、煉油、造紙、水泥、食品、製藥、電力等過程工業的一個重要子系統，其設計水平高低直接決定了過程系統的能耗和經濟性。現有的換熱網絡確定方法，無論是基於熱力學的夾點分析方法或者數學規劃方法，是建立在物質恆定物性(即定比熱容)基礎上的，對物性的考慮以線性溫焓關係為最基本假設。物質的定壓比熱容是受熱力學狀態影響的基本熱物性參數之一，雖然在大多數情況下，可將其視作常數來處理，但在某些情況下，其值可隨溫度變化而發生顯著改變，例如對於臨界流體或近臨界流體、相變流體而言，比熱容的變化相當可觀。對非線性溫焓關係、等溫或非等溫相變等問題，現有方法通過採用分段線性化近似，或者將等溫相變近似為溫差為rc、定比熱的方式，或者將非等溫相變在泡點-露點之間進行線性插值近似等方式將其轉化為恆比熱、定物性問題，不僅會導致錯誤的夾點位置，甚至在某些溫區有可能顛倒熱流的方向、從而影響換熱網絡集成的結果。因此，當面臨諸如LNG的汽化、低溫近臨界流體的換熱、生物質能轉化&綜合利用中非共沸碳氫混合物的換熱、制氫過程熔融物的熱回收，以及傳統過程工業中非共沸混合物的相變換熱(石化工業中最常見)等問題時，現有換熱網絡確定方法將遭遇嚴峻的挑戰。基於非線性溫焓關係的換熱網絡確定方法對過程工業的節能具有重要意義。目前在公開文獻中尚未有基於各股流體非線性溫焓關係的換熱網絡夾點確定方法方面的成果。
發明內容
為了克服已有換熱網絡確定方法無法正確設計考慮臨界流體或近臨界流體、相變流體等比熱容發生明顯變化的，即具有非線性溫焓關係的熱交換網絡的不足，本發明提供一種能夠考慮流體非線性溫焓關係影響的、基於各股流體非線性溫焓關係的換熱網絡夾點確定方法。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種基於各股流體非線性溫焓關係的換熱網絡夾點確定方法，包括以下步驟I)、在溫-焓圖上繪製所有流體的溫變與焓變關係曲線，過程如下首先，將流體溫度轉換為位移溫度，即熱物流溫度降低Λ Tmin/2，冷物流溫度增加ΔΤω η/2 d-ATmm/2CDTtcj =Tcj+^mJl(2)其中，Λ Tmin為指定的最小允許傳熱溫差，TH, JPTq分別為熱流股i和冷流股j的溫度和T^j分別為熱流股i和冷流股j修正後的位移溫度。然後，以位移溫度為縱坐標、焓變為橫坐標，繪製所有流體的溫-焓曲線，表示出流體能量隨溫度的變化情況。2)、構建連續的冷、熱流體溫焓關係曲線，過程為(I)首先按熱容流率的大小進行排序。在溫-焓圖上，將熱物流按熱容流率從大到小的順序依次從左向右排列，冷物流也按熱容流率從大到小的順序依次從左向右排列。對非線性流股，熱容流率取平均值。(2)接著，從最低的溫區開始，首先選取該溫區內熱容流率最大的熱物流，並規定該流體的起始焓值為O ;在隨後的每個溫區，都選擇該溫區內熱容流率最大的熱物流，各區間的溫焓曲線首尾相連，從而繪製出第一條連續的熱流體溫焓關係曲線。(3)第一條連續的熱流體溫焓關係曲線繪製完成之後，如果還存在剩餘熱流體，則以第一條連續的熱流體溫焓關係曲線的最大焓值為起始點，重複第(2)步，繪製第二條連續的熱流體溫焓關係曲線。第二條連續的熱流體溫焓關係曲線完成之後，如果還存在剩餘熱流體，則繪製第三條連續的熱流體溫焓關係曲線，直至所有的熱流體均表示在連續的溫焓關係曲線之內為止。(4)對冷流體，同樣按照第(2)、(3)步，繪製出各條連續的冷流體溫焓關係曲線。3)、確定夾點溫度和最小公用工程能量值，過程為在溫-焓圖上，平移冷物流曲線，一直將第一條連續的冷流體溫焓關係曲線平移到第一條連續的熱流體溫焓關係曲線的右邊為止，同樣將第二條連續的冷流體溫焓關係曲線平移到第二條連續的熱流體溫焓關係曲線右邊為止，…，直至各條連續的冷流體溫焓關係曲線平移到相應的連續的熱流體溫焓關係曲線右邊為止，冷熱物流曲線的交點溫度即為夾點溫度，冷熱曲線無法重疊的部分即為最小公用工程能量值，冷熱曲線重疊的部分即為最大熱回收量。4)、具有最大熱回收量的換熱網絡設計。第3)步獲得的連續的冷、熱流體溫焓關係曲線，顯示出每股流體的能量在熱交換過程中隨溫度的變化情況，從溫焓關係曲線的各銜接點做垂線，就可以直接利用換熱網絡結構圖得到具有最大熱回收量(最節能)的換熱網絡。進一步，所述步驟4)中，得到具有最大熱回收量(最節能)的換熱網絡的同時，給出各個換熱器的換熱量、換熱流體的溫度變化。本發明的技術構思為傳統夾點設計法是基於流股的複合曲線，如果在某個溫區同時存在多股非線性流體，複合之後所得到的複合溫焓關係曲線並不能傳遞出正確的非線性信息，例如，在溫-焓圖上，將上凹和下凸的兩股非線性流體進行複合時，凹形曲線和凸形曲線複合可能導致線性的複合溫焓關係，非線性的影響將被掩蓋起來。因此，對具有非線性溫焓關係的換熱網絡設計問題，如果基於各股流體的溫焓關係、而不是基於複合曲線的溫焓關係，那麼非線性就不會被掩蓋起來，即利用基於各股流體非線性溫焓關係的夾點確、定方法來設計具有非線性溫焓關係流體的熱交換網絡。本發明的有益效果為1、該方法可用於具有非線性溫焓關係流體的熱交換網絡的設計；2、該方法實用直觀，使用方便，便於推廣。
圖I是物流溫區分布圖。圖2是連續的冷、熱流體溫焓關係曲線圖。圖3是平移後的連續冷、熱流體溫焓關係曲線圖。圖4是採用本方法設計的熱交換網格。圖5是換熱網絡結構簡化過程的溫焓關係曲線圖。圖6是調整後的溫焓關係曲線圖。圖7是經簡化的熱交換網格。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步描述。參照圖I 圖7，一種用於具有非線性溫焓關係流體的熱交換網絡的夾點確定方法，包括以下步驟I)、輸入工業過程中需要換熱的流股物性參數流體的起始溫度、目標溫度、換熱量、溫焓關係特性、比熱容、流量。2)、在溫-焓圖上繪製所有流體的溫變與焓變關係曲線。首先，將流體溫度轉換為位移溫度，即熱物流溫度降低Λ Tmin/2，冷物流溫度增加ΔΤω η/2 T^=Th2(I)T^j =Tcj+ATmJl(2)其中，Λ Tmin為指定的最小允許傳熱溫差，TH, JPTq分別為熱流股i和冷流股j的溫度和分別為熱流股i和冷流股j修正後的位移溫度。然後，以位移溫度為縱坐標、焓變為橫坐標，繪製所有流體的溫-焓曲線，表示出流體能量隨溫度的變化情況。3)、構建連續的冷、熱流體溫焓關係曲線。具體步驟為(I)首先按熱容流率的大小進行排序。在溫-焓圖上，將熱物流按熱容流率從大到小的順序依次從左向右排列，冷物流也按熱容流率從大到小的順序依次從左向右排列。對非線性流股，熱容流率取平均值。(2)接著，從最低的溫區開始，首先選取該溫區內熱容流率最大的熱物流，並規定該流體的起始焓值為O ;在隨後的每個溫區，都選擇該溫區 內熱容流率最大的熱物流，各區間的溫焓曲線首尾相連，從而繪製出第一條連續的熱流體溫焓關係曲線。(3)第一條連續的熱流體溫焓關係曲線繪製完成之後，如果還存在剩餘熱流體，則以第一條連續的熱流體溫焓關係曲線的最大焓值為起始點，重複第(2)步，繪製第二條連續的熱流體溫焓關係曲線。第二條連續的熱流體溫焓關係曲線完成之後，如果還存在剩餘熱流體，則繪製第三條連續的熱流體溫焓關係曲線，直至所有的熱流體均表示在連續的溫焓關係曲線之內為止。(4)對冷流體，同樣按照第(2)、(3)步，繪製出各條連續的冷流體溫焓關係曲線。4)、確定夾點溫度和最小公用工程能量值。在溫-焓圖上，平移冷物流曲線，一直將第一條連續的冷流體溫焓關係曲線平移到第一條連續的熱流體溫焓關係曲線的右邊為止，同樣將第二條連續的冷流體溫焓關係曲線平移到第二條連續的熱流體溫焓關係曲線右邊為止，…，直至各條連續的冷流體溫焓關係曲線平移到相應的連續的熱流體溫焓關係曲線右邊為止，冷熱物流曲線的交點溫度即為夾點溫度，冷熱曲線無法重疊的部分即為最小公用工程能量值，冷熱曲線重疊的部分即為最大熱回收量。5)、具有最大熱回收量的換熱網絡設計。平移後的連續冷、熱流體溫焓關係曲線，顯示出每股流體的能量在熱交換過程中 隨溫度的變化情況，從溫焓關係曲線的各銜接點做垂線，直接利用網格圖設計具有最大熱回收量的換熱網絡，同時給出各臺換熱器的換熱量、換熱流體的溫度變化。在過程工業中，物流在實際換熱過程中溫度和焓之間的關係並非是線性，即熱容流率Cp並不是常數。可用以下式子表示每股物流的溫焓關係TrTji=AiHf+BiHl^CiHii(3)TrTsj=AjHf+BjHj2+CjHjj(4)式中TTi為i股熱物流的目標溫度，Ai, Bi、Gi為第i股熱物流所對應溫焓關係參數；Tm為j股冷物流的初始溫度，Aj, Bj, Cj為第j股冷物流所對應溫焓關係參數。傳統的夾點分析方法，是對各股物流做複合曲線。由於溫焓關係是非線性的，非線性的流股在做複合曲線時，凹形曲線和凸形曲線複合可能導致線性，就會自動忽略非線性的影響。如果是基於各股流體的，那麼非線性就不會被掩蓋起來。而本方法直接基於各股流體的溫焓特性，因此可用於涉及非線性溫焓關係流體的換熱網絡設計。下面用一個例子說明該方法的具體步驟。
權利要求
1.一種基於各股流體非線性溫焓關係的換熱網絡夾點確定方法，其特徵在於所述換熱網絡夾點確定方法包括以下步驟 .1)、在溫-焓圖上繪製所有流體的溫變與焓變關係曲線，過程如下 首先，將流體溫度轉換為位移溫度，即熱物流溫度降低ATmin/2，冷物流溫度增加ΔΤω η/2 T^1=Th,-MmJlCD T^j =Tcj+ATmm/2(2) 其中，Λ Tfflin為指定的最小允許傳熱溫差，Th,,和T。, j分別為熱流股i和冷流股j的溫度和分別為熱流股i和冷流股j修正後的位移溫度； 然後，以位移溫度為縱坐標、焓變為橫坐標，繪製所有流體的溫-焓曲線，表示出流體能量隨溫度的變化情況； .2)、構建連續的冷、熱流體溫焓關係曲線，過程如下 (1)首先，按熱容流率的大小進行排序，在溫-焓圖上，將熱物流按熱容流率從大到小的順序依次從左向右排列，冷物流也按熱容流率從大到小的順序依次從左向右排列，對非線性流股，熱容流率取平均值； (2)接著，從最低的溫區開始，首先選取該溫區內熱容流率最大的熱物流，並規定該流體的起始焓值為O ;在隨後的每個溫區，都選擇該溫區內熱容流率最大的熱物流，各區間的溫焓曲線首尾相連，從而繪製出第一條連續的熱流體溫焓關係曲線； (3)第一條連續的熱流體溫焓關係曲線繪製完成之後，如果還存在剩餘熱流體，則以第一條連續的熱流體溫焓關係曲線的最大焓值為起始點，重複第(2)步，繪製第二條連續的熱流體溫焓關係曲線。第二條連續的熱流體溫焓關係曲線完成之後，如果還存在剩餘熱流體，則繪製第三條連續的熱流體溫焓關係曲線，直至所有的熱流體均表示在連續的溫焓關係曲線之內為止； (4)對冷流體，同樣按照第(2)、(3)步，繪製出各條連續的冷流體溫焓關係曲線； .3)、確定夾點溫度和最小公用工程能量值，過程如下 在溫-焓圖上，平移冷物流曲線，一直將第一條連續的冷流體溫焓關係曲線平移到第一條連續的熱流體溫焓關係曲線的右邊為止，同樣將第二條連續的冷流體溫焓關係曲線平移到第二條連續的熱流體溫焓關係曲線右邊為止，直至各條連續的冷流體溫焓關係曲線平移到相應的連續的熱流體溫焓關係曲線右邊為止，冷熱物流曲線的交點溫度即為夾點溫度，冷熱曲線無法重疊的部分即為最小公用工程能量值，冷熱曲線重疊的部分即為最大熱回收量； .4)、確定具有最大熱回收量的換熱網絡第3)步獲得的連續的冷、熱流體溫焓關係曲線，顯示出每股流體的能量在熱交換過程中隨溫度的變化情況，從溫焓關係曲線的各銜接點做垂線，直接利用換熱網絡結構圖得到具有最大熱回收量的換熱網絡。
2.如權利要求I所述的一種基於各股流體非線性溫焓關係的換熱網絡夾點確定方法，其特徵在於所述步驟4)中，得到具有最大熱回收量的換熱網絡的同時，給出各個換熱器的換熱量和換熱流體的溫度變化。
全文摘要
一種基於各股流體非線性溫焓關係的換熱網絡夾點確定方法，包括以下步驟1)、在溫-焓圖上繪製所有流體的溫變與焓變關係曲線；2)、構建連續的冷、熱流體溫焓關係曲線；3)、確定夾點溫度和最小公用工程能量值；4)、確定具有最大熱回收量的換熱網絡第3)步獲得的連續的冷、熱流體溫焓關係曲線，顯示出每股流體的能量在熱交換過程中隨溫度的變化情況，從溫焓關係曲線的各銜接點做垂線，直接利用換熱網絡結構圖得到具有最大熱回收量的換熱網絡。本發明提供一種能夠考慮流體非線性溫焓關係影響的、基於各股流體非線性溫焓關係的換熱網絡夾點確定方法。
文檔編號G05D23/00GK102637048SQ201210117139
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月19日 優先權日2012年4月19日
發明者華麗雲, 蔣寧 申請人:浙江工業大學