夹点技术在某纺织工程换热网络优化设计中的应用_李倩.pdf
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1、58 1 夹点技术介绍随着可持续发展要求的提高和环保意识的增强,各国政府和企业愈加重视节能减排工作。从最初的单纯余热回收,避免“跑、冒、滴、漏”等简单措施;到考虑单台设备的节能,如子炉、换热器、机泵等,提高单台设备转化效率;再到近些年为了进一步实现能源的合理配置与成本的有效缩减,人们逐渐意识到只有把过程系统进行整体的能量分析,形成一个有机结合的整体,从全局观念出发,才能达到合理利用能量的目标,做到能耗小、投资费用合理、环境污染小,才能达到设计最优化。夹点技术立足于严格的热力学和数学规则,以能量和经济为目标,工程技术人员可结合自身的工程设计或生产实践经验,合理配置热机和热泵,消除瓶颈,使其具有直
2、观可视的特点,因此在各种流程优化改造和新工程设计中被大量应用,不论在国内还是世界范围内,都取得了非常理想的效果。夹点技术在中国相关领域的发展相对靠后。近二三十年以来,许多高校以及大型知名公司纷纷加入其研究领域,发展十分迅猛,并成果突出。夹点技术在常减压催化重整、合成氨等一些大型工程的设计中成功应用,并取得了显著的节能效果。根据纺织工程的特点,与石化等大型项目相比,换热网络相对更线性、不复杂,因此夹点技术在纺织工程中的应用虽起步较晚,但应用效果更好。通过补短板的方式“解瓶颈”,对纺织工程的换热系统进行整合优化,使得工程的冷用量与热用量尽可能的优化,实现能量利用率的最优解。2 夹点技术的基本原理夹
3、点技术是基于热力学定律原理。通过系统论的运用,全盘规划纺织工程的换热系统的流程,选定合理的设计,从而避免能量的浪费,有效提高能量利用率,达到系统用热量和用冷量的优化。2.1 夹点的形成与含义 夹点的确定有两种方法,分别为温-焓图和问题表法,采用T(温度)-H(焓值)图法,首先确定一个系统最小的传热温差-夹点温差。当物流较多时,采用温-焓图法比较繁琐,可以选择问夹点技术在某纺织工程换热网络优化设计中的应用摘要:夹点技术是基于热力学定律原理,采用系统论的方法,从宏观角度分析纺织工程换热网络的设计方案,避免能量的降级使用。围绕如何在实际纺织工程中应用夹点技术进行分析和换热网络的改造而展开,在温-焓图
4、(T-H 图)和问题表法中选择了温-焓图法,对工程现有换热网络进行剖析,找到适宜的夹点温度;对工程的工艺系统换热流程进行合理优化,优化后的换热网络能够最大限度的节能减排,最大回收负荷量为 215kW,投资回报率高。关键词:夹点技术;换热网络;优化;节能中图分类号:TS103文献标志码:A文章编号:1003-1308(2023)7-0058-04李 倩(中国纺织科学研究院有限公司,北京 100025)59题表法。当某一股流股发生热量变化,其变化量为 dQ 时,温度变化量为 dT,则dQ=CP dT式 中:Cp为 热 熔 流 率,单 位kW/。其中热熔流率=质量流率*定压比热。Q=CP dT若在温
5、位范围内热熔流率为一常数,则Q=CPT=H这样在温-焓图上就可以用一条直线表示流股的加热或冷却过程,因此物流的特性曲线可以用温-焓图来表示。以温度 T 为纵坐标,热焓 H 为横坐标画出坐标图,此处焓 H 指的是物理化学中的焓与物流质量流量的乘积1:kJ/kgkg/s=kJ/s=kW纺织工程系统中所有的能量流,将其温度变化与对应的 H 值的变化关系绘制成关系线。其中热用量的流股温度从高到低变化;冷用量的流股温度从低到高变化。两点间的焓差 H 用横坐标表示,单股热物流 T-H 图,如图 1 所示。热由图 1 可知,T-H 图的斜率为热熔流率Cp的倒数1/Cp,斜率越大,Cp越小,在同样的热负荷下流
6、股的温度变化越小。一个完整的纺织工程工艺系统中,总是会有一定量的热流股与冷流股需要相互换热,在T(温度)-H(焓值)图上,可将多个热流股和冷流股曲线,按不同温度点,分别组合成总热流股曲线和总冷流股曲线。各流股总组合曲线沿 H 轴平移,不改变物流的温位和热量变化量,进而可以形成组合曲线。假设有三股热流,其热容流率分别为 A、B、C(kW/),如图 2 所示,移动 B 使 B 的一端与 A 的一端处于同一垂直线上,连接 A 和 B 与水平线的交点 EF,从图 3 可以看出,EF 为 A 和B 在温度区间内的投影之和,因此将 EF作为组合后的虚拟物流。依此类推,可以得到如图 4 所示的组合曲线。如图
7、 4,在 T(温度)-H(焓值)图上分别做出冷流股与热流股的总组合曲线。将两流股总组合曲线合并到一张图上后,将冷流股组合曲线平行移动,使其与热流股组合曲线在平面内某点相遇。相遇点处的传热温差 T 为 0,也就意味着传热过程中换热所需要的面积将为无穷大。但此时设备费用、占地等方面都存在问题,无法实现。因此需要从经济投资和能量利用两个角度进行评价,找到一个最佳的传热温差点,即为Tmin。在最佳的传热温差点条件下,整个工程系统的能量回收将实现最大利用率,此时的系统能量消耗会达到最小的状态,也就是整个纺织工程换热系统的夹点。2.2 夹点的意义夹点是换热系统中冷热两条复合曲线相邻最近的点,意味着此点处的
8、传热温差最小。由图5可以看出,横坐标H轴方向,右侧冷热复合曲线的差值 QH,min表示系统中热用量还缺少 QH,min才能够将冷物流升温至目标温度。同理可知,左侧冷热复合曲线的差值 QC,min表示系统中的冷用量缺少值,想要将热物流降温至目标温度,至少还需要 QC,min的热量。中间部分的 QR,max意思为系统通过换热设计可回收的热量最大值。以夹点处为分界线,把整个换热图1 单股热物流 T-H 图图 2 多股物流 T-H 图图 3 流股组合过程示意图图 4多流股组合 T-H 图图 5 冷热复合曲线60 系统拆成两个单独的、互不影响的子系统。夹点以上的部分称为“热阱”子系统,这部分流程中只能有
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