一种包含非等温相变流体的换热网络热流量的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及工业热交换网络的设计领域，尤其是一种包含非等温相变流体的换热 网络热流量的确定方法。
【背景技术】
[0002] 在工业过程中，为了满足工艺的技术需要，一些冷的流体要被加热到工艺条件指 定的温度状态，而另外一些热的流体则要被冷却到工艺条件指定的温度状态。通过合理地 将这些热、冷流股进行匹配换热，充分利用工业过程内部物流的热量，用热的流体去加热冷 的流体，用冷的流体去冷却热的流体，使物流达到指定的温度和相态，通过回收系统内部的 热量来减少对外部公用工程的消耗，这就是工业热交换网络（换热网络）的作用。换热网络 用于回收系统中可以利用的能量，降低对外部公用工程的需求，是石化、化工、冶金、造纸、 水泥、食品、电力等工业系统的一个重要子系统。换热网络回收利用工业系统内部热量的程 度直接决定了工业系统的能耗和经济性，对节能减排有着重要影响。
[0003] 在换热网络的设计中，一个重要问题是工业系统内部可以加以回收利用的热量宄 竟有多少，即如何确定最大热回收潜力。换热网络的最大热回收潜力决定了工业系统的最 小能耗需求和节能潜力的大小。
[0004] 夹点法是换热网络的常用设计方法，该方法以热力学为依据来确定换热网络的最 大热回收潜力。夹点法建立在物质比热容为常数这一假设之上，即流体所吸收或释放的热 量与其温度变化成正比。石化、化工、气体加工、低温工业等工业过程通常包含诸多蒸馏或 精馏、蒸发、冷凝、再沸等操作单元，所涉及的流体常常是多组分混合物，流体的非等温相变 过程非常常见。对包含非等温相变的流体的换热网络，其热流量与温度之间的关系呈现出 比较显著的非线性特征，此时传统夹点法就无法正确地估计换热网络的热流量，甚至严重 误判工业系统的能耗需求。目前在公开文献报道中尚未出现包含非等温相变流体的换热网 络热流量的确定方法方面的成果。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有夹点法不能正确估计包含非等温相变流体的换热网络的热流量的 局限性，本发明提供一种基于流体实际物性的、包含非等温相变流体的换热网络热流量的 确定方法。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] 一种包含非等温相变流体的换热网络热流量的确定方法，所述方法包括以下步 骤：
[0008] 1)提取流体的工艺参数和物性数据
[0009] 物流的工艺参数和物性数据包括：组成，流量，进口温度Tin，出口温度T wt，焓和比 热容，采用流体实际的温焓物性关系；
[0010] 2)设置换热网络的最小传热温差A Tmin
[0011] 3)进行冷、热流体温度修正
[0012] 将冷流体的温度升高ATmin/2,将每股热流体的温度降低ATmin/2,从而确保热流 体的温度高于冷流体的温度，并满足最小传热温差AT min的要求，冷、热流体温度修正分别 参照公式（1)-⑵：
[0015] 在式（1)_(2)中，ATmin为步骤2)指定的最小传热温差；TH;i和T aj分别为热流股 i和冷流股j的实际温度；T ^分别为热流股i和冷流股j进行温度修正之后的温 度；
[0016] 4)划分原始温度区间
[0017] 以步骤3)中冷、热流体修正之后的进、出口温度为依据，划分温度区间，将所有 冷、热流体经步骤3)修正之后的进口温度和出口温度按从高到低的顺序排列，记为：!\、 T 2、…、TN1、TN1+1，其中N1+1为温度端点的个数，所划分的温区个数为N1，温区编号从1到 N1，第k个温区[T k，Tk+1]以温度范围1\+1到1\定义，且Tk> Tk+1;
[0018] 5)计算各温区内的可用热量
[0019] 在步骤4)所划分的每一温度区间，根据热力学第一定律，基于流体真实的温焓关 系，计算各个温度区间内可用热量随温度的数值变化关系，参照公式（3)_公式（7):
[0023] Th= T+ A T min/2 (6)
[0024] Tc=T-ATmin/2 (7)
[0025] 在式（3)_(7)中，Qk⑴为第k个温度区间内的可用热量，可用热量的大小随温度 T变化；温度T G [Tk+1，Tk] ; {hot}k代表第k个温度区间内所有的热流股构成的热流体集； {cold}k代表第k个温度区间内所有的冷流股构成的冷流体集；k = 1，2, 3,…，N1 ;流体的 焓H为温度和流量的函数；尽(r/)为热流体i在温度r/处的焓，温度r/由公式（4)计算； Hi (Th)为热流体i在温度Th处的焓，温度T h由公式（6)计算；",(7〇为冷流体j在温度71/ 处的焓，温度G由公式（5)计算；HjCT)为冷流体j在温度r处的焓，温度r由公式（7)计 算；
[0026] 6)判断各个温度区间内是否存在热流方向的转折
[0027] 利用步骤5)得到的各个温度区间内可用热量随温度的数值变化关系，寻找各个 温区可用热量的极值点，极值点是指可用热量随温度的变化关系发生了改变，从温区1到 温区N1，分别找出每个温区内所有的可用热量的极值点；
[0028] 7)重新划分温度区间
[0029] 将步骤4)中所有原始温区的温度端点与步骤6)找到的极值点相对应的温度点合 并在一起，按从高温到低温的顺序排列，重新划分温度区间，温区个数记为N2,温度区间端 点数为N2+1 ;
[0030] 8)重新计算每个温度区间的可用热量
[0031] 在步骤7)新划分的温度区间的基础上，根据公式（3)_公式（7)，重新计算所有温 度区间内的可用热量；
[0032] 9)计算各温区的累积热流量
[0033] 在步骤7)所划分的每一温度区间，计算每个温度区间可以传递到下一个温度区 间的累积热流量，参照公式（8):
[0035] 在公式⑶中，Ck为从第k个温区传递到第k+1个温区的累积热流量；Cf 0 ;k = 1，2, 3,…，N2,根据每个温度区间的累计热流量的正负，可以判断热回收的可能性和热量传 递的方向，Ck为正值，则表示从温度区间k传递到第k+1个温区的热流方向为正，即较高温 区存在多余的热量可以传递给下一温区加以回收利用；C k为负值，则表示温区k传递到第 k+1个温区的热流方向为负，即该温区需要从外界吸收热量，该温区不存在多余的热量可供 下一温区回收利用。
[0036] 本发明的技术构思为：基于流体的实际物性，采用流体实际的温焓物性关系，确定 热交换网络内部的可用热量随温度的分布关系，根据非线性物性对局部温区可用热流量的 大小和方向的影响，将整个温度区间划分为一系列热流量随温度单调变化的子区间，得到 各温区累积热流量的大小和方向。
[0037] 本发明利用局部温区可用热量的极值点将温区分割为一系列热流量随温度单调 变化的子区间，这样可以客观地反映出流体非线性温焓物性对热交换网络设计的影响。当 流体的比热容是定值时，各温度区间内可用热量随温度的变化单调地增加或者减少；而在 流体非线性温焓物性关系的影响下，各温度区间内可用热量随温度的变化情况有可能出现 反转态势，即存在极值点，极值点是指可用热量随温度的变化关系发生改变的状态点，可用 热量随温度的变化可能出现先增加再减小、或者先减小再增大两种不同情况，反映出在非 线性温焓物性的影响下换热网络中可回收利用的热流量的大小和方向随温度的两种不同 分布情况。极大值点对应于可用热量随温度的降低呈现先增大后减小的分界点；极小值点 对应于可用热量随温度的降低呈现先减小后增大的分界点。当出现极大值点时，在高于极 大值点的温区，存在多余的热量可供较低温区回收利用，可以进行系统内部的热量回收；当 出现极小值点时，在高于极小值点的温区，需要从外界吸收热量才能满足该温区的热量需 求，该温区无法向低温区提供多余的热量，不能进行系统内部的热量回收利用。所以极大值 和极小值两种情况将带来不同的可用热量和累积热量随温度的分布关系，必须加以区分和 单独处理。
[0038] 本发明的有益效果为：1、该方法基于流体的实际物性，采用流体实际的温焓物性 关系确定可用热量随温度的分布，相比传统方法，可以获得可靠的热流量计算结果；2、该方 法根据非线性物性对局部温区可用热流量的大小和方向的影响，将整个温度区间划分为一 系列热流量随温度单调变化的子区间，而传统方法无法确定非线性对热量集成的影响。
【附图说明】
[0039] 图1是局部温区可用热量随温度的变化关系图。
[0040] 图2是基于流体实际物性从高温区到低温区的累积热流量图。
[0041] 图3是基于定比热容从高温区到低温区的累积热流量图。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0043] 参照图1~图3, 一种包含非等温相变流体的换热网络热流量的确定方法，包括以 下步骤：
[0044] 1)提取流体的工艺参数和物性数据
[0045] 物流的工艺参数和物性数据包括：组成，流量，进口温度Tin(初始温度），出口温度 T wt (指定的目标温度），焓和比热容。所述方法基于流体的实际物性，采用流体实际的温焓 物性关系，而不是假设物质的比热容为常数。
[0046] 2)设置换热网络的最小传热温差A
[0047] 设定换热网络的最小传热温差A T^。A 是传热的推动力，是保证冷、热流体之 间进行换热的必要条件。
[0048] 3)进行冷、热流体温度修正
[0049] 热流体如果要把热量传递给冷流体，为了保证传热的进行，则热流体的温度要高 于冷流体的温度，其温差应不低于步骤2)设定的最小传热温差要求。对冷、热流体的温度 进行修正，将冷流体的温度升高AT min/2,将每股热流体的温度降低ATmin/2,从而确保热流 体的温度高于冷流体的温度，并满足最小传热温差的要求。冷、热流体温度修正分别 参照公式（1)-⑵：
[0052] 在式（1)_(2)中，ATmin为步骤2)指定的最小传热温差；Tu和T aj分别为热流股 i和冷流股j的实际温度；T ^分别为热流股i和冷流股j进行温度修正之后的温 度。
[0053] 4)划分原始温度区间
[0054] 以步骤3)中冷、热流体修正之后的进、出口温度为依据，划分温度区间。将所有 冷、热流体经步骤3)修正之后的进口温度和出口温度按从高到低的顺序排列，记为：!\、 T 2、…、TN1、TN1+1，其中N1+1为温度端点的个数，所划分的温区个数为N1，温区编号从1到 N1。例如，第k个温区[T k，Tk+1]以温度范围1\+1到1\定义，且Tk>T k+1。