专利名称：一种基于各股流体非线性温焓关系的换热网络夹点确定方法
技术领域：
本发明涉及过程工业热交换网络的确定方法，尤其是一种用于具有非线性温焓关系流体的热交换网络的夹点确定方法。
背景技术：
在过程工业中，一些流股需要加热，而另一些流股需要冷却。通过合理地将这些流股匹配换热，充分利用物流自身的热量，用热物流去加热冷物流，或者冷物流去冷却热物流，使物流达到指定的温度和相态，通过系统内的热量回收来减少对外部公用工程的消耗，这就是换热网络的任务。换热网络用于回收系统中可利用的能量，减少对外部公用工程的 需求，是化工、冶金、炼油、造纸、水泥、食品、制药、电力等过程工业的一个重要子系统，其设计水平高低直接决定了过程系统的能耗和经济性。现有的换热网络确定方法，无论是基于热力学的夹点分析方法或者数学规划方法，是建立在物质恒定物性(即定比热容)基础上的，对物性的考虑以线性温焓关系为最基本假设。物质的定压比热容是受热力学状态影响的基本热物性参数之一，虽然在大多数情况下，可将其视作常数来处理，但在某些情况下，其值可随温度变化而发生显著改变，例如对于临界流体或近临界流体、相变流体而言，比热容的变化相当可观。对非线性温焓关系、等温或非等温相变等问题，现有方法通过采用分段线性化近似，或者将等温相变近似为温差为rc、定比热的方式，或者将非等温相变在泡点-露点之间进行线性插值近似等方式将其转化为恒比热、定物性问题，不仅会导致错误的夹点位置，甚至在某些温区有可能颠倒热流的方向、从而影响换热网络集成的结果。因此，当面临诸如LNG的汽化、低温近临界流体的换热、生物质能转化&综合利用中非共沸碳氢混合物的换热、制氢过程熔融物的热回收，以及传统过程工业中非共沸混合物的相变换热(石化工业中最常见)等问题时，现有换热网络确定方法将遭遇严峻的挑战。基于非线性温焓关系的换热网络确定方法对过程工业的节能具有重要意义。目前在公开文献中尚未有基于各股流体非线性温焓关系的换热网络夹点确定方法方面的成果。
发明内容
为了克服已有换热网络确定方法无法正确设计考虑临界流体或近临界流体、相变流体等比热容发生明显变化的，即具有非线性温焓关系的热交换网络的不足，本发明提供一种能够考虑流体非线性温焓关系影响的、基于各股流体非线性温焓关系的换热网络夹点确定方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于各股流体非线性温焓关系的换热网络夹点确定方法，包括以下步骤I)、在温-焓图上绘制所有流体的温变与焓变关系曲线，过程如下首先，将流体温度转换为位移温度，即热物流温度降低Λ Tmin/2，冷物流温度增加ΔΤω η/2 d-ATmm/2CDTtcj =Tcj+^mJl(2)其中，Λ Tmin为指定的最小允许传热温差，TH, JPTq分别为热流股i和冷流股j的温度和T^j分别为热流股i和冷流股j修正后的位移温度。然后，以位移温度为纵坐标、焓变为横坐标，绘制所有流体的温-焓曲线，表示出流体能量随温度的变化情况。2)、构建连续的冷、热流体温焓关系曲线，过程为(I)首先按热容流率的大小进行排序。在温-焓图上，将热物流按热容流率从大到小的顺序依次从左向右排列，冷物流也按热容流率从大到小的顺序依次从左向右排列。对非线性流股，热容流率取平均值。(2)接着，从最低的温区开始，首先选取该温区内热容流率最大的热物流，并规定该流体的起始焓值为O ;在随后的每个温区，都选择该温区内热容流率最大的热物流，各区间的温焓曲线首尾相连，从而绘制出第一条连续的热流体温焓关系曲线。(3)第一条连续的热流体温焓关系曲线绘制完成之后，如果还存在剩余热流体，则以第一条连续的热流体温焓关系曲线的最大焓值为起始点，重复第(2)步，绘制第二条连续的热流体温焓关系曲线。第二条连续的热流体温焓关系曲线完成之后，如果还存在剩余热流体，则绘制第三条连续的热流体温焓关系曲线，直至所有的热流体均表示在连续的温焓关系曲线之内为止。(4)对冷流体，同样按照第(2)、(3)步，绘制出各条连续的冷流体温焓关系曲线。3)、确定夹点温度和最小公用工程能量值，过程为在温-焓图上，平移冷物流曲线，一直将第一条连续的冷流体温焓关系曲线平移到第一条连续的热流体温焓关系曲线的右边为止，同样将第二条连续的冷流体温焓关系曲线平移到第二条连续的热流体温焓关系曲线右边为止，…，直至各条连续的冷流体温焓关系曲线平移到相应的连续的热流体温焓关系曲线右边为止，冷热物流曲线的交点温度即为夹点温度，冷热曲线无法重叠的部分即为最小公用工程能量值，冷热曲线重叠的部分即为最大热回收量。4)、具有最大热回收量的换热网络设计。第3)步获得的连续的冷、热流体温焓关系曲线，显示出每股流体的能量在热交换过程中随温度的变化情况，从温焓关系曲线的各衔接点做垂线，就可以直接利用换热网络结构图得到具有最大热回收量(最节能)的换热网络。进一步，所述步骤4)中，得到具有最大热回收量(最节能)的换热网络的同时，给出各个换热器的换热量、换热流体的温度变化。本发明的技术构思为传统夹点设计法是基于流股的复合曲线，如果在某个温区同时存在多股非线性流体，复合之后所得到的复合温焓关系曲线并不能传递出正确的非线性信息，例如，在温-焓图上，将上凹和下凸的两股非线性流体进行复合时，凹形曲线和凸形曲线复合可能导致线性的复合温焓关系，非线性的影响将被掩盖起来。因此，对具有非线性温焓关系的换热网络设计问题，如果基于各股流体的温焓关系、而不是基于复合曲线的温焓关系，那么非线性就不会被掩盖起来，即利用基于各股流体非线性温焓关系的夹点确、定方法来设计具有非线性温焓关系流体的热交换网络。本发明的有益效果为1、该方法可用于具有非线性温焓关系流体的热交换网络的设计；2、该方法实用直观，使用方便，便于推广。
图I是物流温区分布图。图2是连续的冷、热流体温焓关系曲线图。图3是平移后的连续冷、热流体温焓关系曲线图。图4是采用本方法设计的热交换网格。图5是换热网络结构简化过程的温焓关系曲线图。图6是调整后的温焓关系曲线图。图7是经简化的热交换网格。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。参照图I 图7，一种用于具有非线性温焓关系流体的热交换网络的夹点确定方法，包括以下步骤I)、输入工业过程中需要换热的流股物性参数流体的起始温度、目标温度、换热量、温焓关系特性、比热容、流量。2)、在温-焓图上绘制所有流体的温变与焓变关系曲线。首先，将流体温度转换为位移温度，即热物流温度降低Λ Tmin/2，冷物流温度增加ΔΤω η/2 T^=Th2(I)T^j =Tcj+ATmJl(2)其中，Λ Tmin为指定的最小允许传热温差，TH, JPTq分别为热流股i和冷流股j的温度和分别为热流股i和冷流股j修正后的位移温度。然后，以位移温度为纵坐标、焓变为横坐标，绘制所有流体的温-焓曲线，表示出流体能量随温度的变化情况。3)、构建连续的冷、热流体温焓关系曲线。具体步骤为(I)首先按热容流率的大小进行排序。在温-焓图上，将热物流按热容流率从大到小的顺序依次从左向右排列，冷物流也按热容流率从大到小的顺序依次从左向右排列。对非线性流股，热容流率取平均值。(2)接着，从最低的温区开始，首先选取该温区内热容流率最大的热物流，并规定该流体的起始焓值为O ;在随后的每个温区，都选择该温区 内热容流率最大的热物流，各区间的温焓曲线首尾相连，从而绘制出第一条连续的热流体温焓关系曲线。(3)第一条连续的热流体温焓关系曲线绘制完成之后，如果还存在剩余热流体，则以第一条连续的热流体温焓关系曲线的最大焓值为起始点，重复第(2)步，绘制第二条连续的热流体温焓关系曲线。第二条连续的热流体温焓关系曲线完成之后，如果还存在剩余热流体，则绘制第三条连续的热流体温焓关系曲线，直至所有的热流体均表示在连续的温焓关系曲线之内为止。(4)对冷流体，同样按照第(2)、(3)步，绘制出各条连续的冷流体温焓关系曲线。4)、确定夹点温度和最小公用工程能量值。在温-焓图上，平移冷物流曲线，一直将第一条连续的冷流体温焓关系曲线平移到第一条连续的热流体温焓关系曲线的右边为止，同样将第二条连续的冷流体温焓关系曲线平移到第二条连续的热流体温焓关系曲线右边为止，…，直至各条连续的冷流体温焓关系曲线平移到相应的连续的热流体温焓关系曲线右边为止，冷热物流曲线的交点温度即为夹点温度，冷热曲线无法重叠的部分即为最小公用工程能量值，冷热曲线重叠的部分即为最大热回收量。5)、具有最大热回收量的换热网络设计。平移后的连续冷、热流体温焓关系曲线，显示出每股流体的能量在热交换过程中 随温度的变化情况，从温焓关系曲线的各衔接点做垂线，直接利用网格图设计具有最大热回收量的换热网络，同时给出各台换热器的换热量、换热流体的温度变化。在过程工业中，物流在实际换热过程中温度和焓之间的关系并非是线性，即热容流率Cp并不是常数。可用以下式子表示每股物流的温焓关系TrTji=AiHf+BiHl^CiHii(3)TrTsj=AjHf+BjHj2+CjHjj(4)式中TTi为i股热物流的目标温度，Ai, Bi、Gi为第i股热物流所对应温焓关系参数；Tm为j股冷物流的初始温度，Aj, Bj, Cj为第j股冷物流所对应温焓关系参数。传统的夹点分析方法，是对各股物流做复合曲线。由于温焓关系是非线性的，非线性的流股在做复合曲线时，凹形曲线和凸形曲线复合可能导致线性，就会自动忽略非线性的影响。如果是基于各股流体的，那么非线性就不会被掩盖起来。而本方法直接基于各股流体的温焓特性，因此可用于涉及非线性温焓关系流体的换热网络设计。下面用一个例子说明该方法的具体步骤。
权利要求
1.一种基于各股流体非线性温焓关系的换热网络夹点确定方法，其特征在于所述换热网络夹点确定方法包括以下步骤 .1)、在温-焓图上绘制所有流体的温变与焓变关系曲线，过程如下 首先，将流体温度转换为位移温度，即热物流温度降低ATmin/2，冷物流温度增加ΔΤω η/2 T^1=Th,-MmJlCD T^j =Tcj+ATmm/2(2) 其中，Λ Tfflin为指定的最小允许传热温差，Th,,和T。, j分别为热流股i和冷流股j的温度和分别为热流股i和冷流股j修正后的位移温度； 然后，以位移温度为纵坐标、焓变为横坐标，绘制所有流体的温-焓曲线，表示出流体能量随温度的变化情况； .2)、构建连续的冷、热流体温焓关系曲线，过程如下 (1)首先，按热容流率的大小进行排序，在温-焓图上，将热物流按热容流率从大到小的顺序依次从左向右排列，冷物流也按热容流率从大到小的顺序依次从左向右排列，对非线性流股，热容流率取平均值； (2)接着，从最低的温区开始，首先选取该温区内热容流率最大的热物流，并规定该流体的起始焓值为O ;在随后的每个温区，都选择该温区内热容流率最大的热物流，各区间的温焓曲线首尾相连，从而绘制出第一条连续的热流体温焓关系曲线； (3)第一条连续的热流体温焓关系曲线绘制完成之后，如果还存在剩余热流体，则以第一条连续的热流体温焓关系曲线的最大焓值为起始点，重复第(2)步，绘制第二条连续的热流体温焓关系曲线。第二条连续的热流体温焓关系曲线完成之后，如果还存在剩余热流体，则绘制第三条连续的热流体温焓关系曲线，直至所有的热流体均表示在连续的温焓关系曲线之内为止； (4)对冷流体，同样按照第(2)、(3)步，绘制出各条连续的冷流体温焓关系曲线； .3)、确定夹点温度和最小公用工程能量值，过程如下 在温-焓图上，平移冷物流曲线，一直将第一条连续的冷流体温焓关系曲线平移到第一条连续的热流体温焓关系曲线的右边为止，同样将第二条连续的冷流体温焓关系曲线平移到第二条连续的热流体温焓关系曲线右边为止，直至各条连续的冷流体温焓关系曲线平移到相应的连续的热流体温焓关系曲线右边为止，冷热物流曲线的交点温度即为夹点温度，冷热曲线无法重叠的部分即为最小公用工程能量值，冷热曲线重叠的部分即为最大热回收量； .4)、确定具有最大热回收量的换热网络第3)步获得的连续的冷、热流体温焓关系曲线，显示出每股流体的能量在热交换过程中随温度的变化情况，从温焓关系曲线的各衔接点做垂线，直接利用换热网络结构图得到具有最大热回收量的换热网络。
2.如权利要求I所述的一种基于各股流体非线性温焓关系的换热网络夹点确定方法，其特征在于所述步骤4)中，得到具有最大热回收量的换热网络的同时，给出各个换热器的换热量和换热流体的温度变化。
全文摘要
一种基于各股流体非线性温焓关系的换热网络夹点确定方法，包括以下步骤1)、在温-焓图上绘制所有流体的温变与焓变关系曲线；2)、构建连续的冷、热流体温焓关系曲线；3)、确定夹点温度和最小公用工程能量值；4)、确定具有最大热回收量的换热网络第3)步获得的连续的冷、热流体温焓关系曲线，显示出每股流体的能量在热交换过程中随温度的变化情况，从温焓关系曲线的各衔接点做垂线，直接利用换热网络结构图得到具有最大热回收量的换热网络。本发明提供一种能够考虑流体非线性温焓关系影响的、基于各股流体非线性温焓关系的换热网络夹点确定方法。
文档编号G05D23/00GK102637048SQ201210117139
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月19日 优先权日2012年4月19日
发明者华丽云, 蒋宁 申请人:浙江工业大学