（化学工程专业论文）基于web的换热网络设计系统的开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 能源是经济发展的动力，是现代文明的物质基础。能源的节约、合理利用意 义重大。一些早期建成的化工企业，由于当时技术落后，换热网络设计不合理， 造成能源浪费。随着技术发展，在建立新厂时，利用先进的换热网络设计技术优 化设计化工过程换热流程已成为必要条件 换热网络设计方法众多，有分解法、探试法、分枝界限法、树搜索法、数学 规划法、人工智能法、夹点技术等。目前应用最广泛的是夹点技术。 夹点技术最早由l m n h o f f 教授提出，它将热力学原理和系统工程相结合，用 以确定过程系统能量利用与回收的最优配置。利用夹点技术分析优化换热网络， 简明直观，节能效果明显，在生产实践中得到广泛应用。在夹点计算方法之一的 问题表格法基础上我们提出了改进的问题表法求夹点，步骤更少，且所有信息 都标注在单表中，结果清晰明了。 在设计换热网络的过程中，伴随着大量的数学计算。在计算机、通信及网络 技术飞速发展的今天，这个繁琐的过程完全可以利用计算机来简化。 本文研究、分析和使用了换热网络夹点分析技术、独特的网络合成方法、 b r o w s e r s e r v e r 网络结构体系和基于j a v a 语言的j 2 e e 平台技术，设计并实现了 一个基于w e b 的化工换熟网络设计系统。本系统采用b r o w s e r s e r v e r 架构，对 传统上采用单机桌面换热网络辅助设计软件来说，这一架构体现了当前计算机和 网络技术发展趋势，也是本系统的亮点。 本文完成的换热网络设计系统具有如下主要功能：计算换热网络夹点、生成 换热网络温- 焓组合曲线图、生成换热网络示意图。本系统具有维护、升级方便， 安全、高效等特点。它在换热网络设计中的应用，简化了换热网络设计过程，提 高工作效率。 关键词：浏览器服务器结构：j 2 e e ；夹点技术；换热网络；设计 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t e n e r g y i st h em o t i v ef o r c eo fd e v e l o p m e n to fe c o n o m i c s ，i st h ep h y s i c a l f o u n d a t i o no fm o d e r nc i v i l i z a t i o n s o t oi l s ce n e r g yr e a s o n a b l yi sv e r yi m p o r t a n ti n a n yf i e l d i ns o l l ec h e m i c a li n d u s t r yn l t t ! i p s e s ，f o rt h el o wt e c h n o l o g yl e v e la tt h e t i m et h e yw e r eb u i l t ，t h eh e a te x c h a n g e rn e t w o r kw a sp o e r l yd e s i g n e dw h i c hl e dt o t h ew a s t eo f e n e r g y n o wa st e c h n o l o g yi sd e v e l o p e d , a tt h eb e g i n n i n go f s e t t i n gl 巾a n e wc h e m i c a lf a c t o r y , i ti sr e q u i r e dt oc o m p r e h e n s i v e l yd e s i g nt h eh e a te x c h a n g e r n e t w o r kb a s e do nn o w a d a y ss o p h i s t i c a t e dd e s i g nm e t h o do f h e a te x c h a n g e rn e t w o r k t h e r ea l ea l lk i n d so fh e a t e x c h a n g e rn e t w o r kd e s i g nm e t h o d ，s u c ha s d e c o m p o s i n ga p p r o a c h , h e u r i s t i cs t r u c t u r i n g ，b r a n c ha n d b o u n ds y n t h e s i s ，t r e e s e a r c h i n ga l g o r i t h m , o p t i m a la s s i g n m e n ti nl i n e a rp r o g r a n m a i n g , a r t i f i c i a li u t e l l i g e n c 2 , p i n c ht e c h n o l o g y , a n ds oo i lp i n c ht e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di np r a c t i c e p i n c ht e c h n o l o g yi sf i r s tp u tf o r w a r db yp r o l 曲- f l m f f i tc o m b i n e st h et h e o r yo f t h e r m o d y n a m i c sa n ds y s t e m a t i ce n g i n e e r i n gt ok n o wt h eu s i n ga n dr e c y c l i n go f s y s t e m a t i ce n e r g yo ft h ep r o c e s sa n dt oo p t i m i z et h e m p i n c ht e c h n o l o g y i s u n c o m p l i c a t e d ，a n dg i v e se f f e c t i v er e s u r i ti sp o p u 】a ri ne n e r g yi n d u s t r y b a s e do i l d e e p l yu n d e r s t a n do f p r o b 【正m t a l b ea l g o r i t h mw h i c h i saw e l l k n o w na l g o r i t h m o f p i n c hc a l c u l a t i o n , w ef o r w a r da f a s tp r o b l e 舴t a l b ea l g o r i t h m , l e s ss t e p s a l l r e s u l t si no n et a b l e i nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n gh e a te x c h a n g e rn e t w o r k s ，t h e r ei sal o to fn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n n o wc o m p u t e r , s i g n a lc o n m m n i c a t i o na n dw e bt e c h n o l o g ya r ed e v e l o p e d i nh i g hs p e e d i ti sp r a c t i c a b l et ou c o m p u t e rt os i m p l i f yt h i sp r o c e s s t h ea u t h o rs t u d i e d , a n a l y z e da n du s e dp i n c ht e c h n o l o g y , u n i q u es y n t h e s i sm e t h o d o fo p t i m a lh e a te x c h a n g e rn e t w o r k , b r o w s e r s e r v e ra r c h i t e c t u r es y s t e ma n d j a v a - b a s e dj 2 e ep l a t f o r mt e c h n o l o g yt od e s i g na n di m p l e m e n taw e b - b a s e di n t e r n e t c h e m i c a lp r o c e s sh e a te x c h a n g e rn e t w o r kd e s i g ns y s t e mn eh i g h l i g h to f t h i ss y s t e m i st h eb r o w s e r s e r v e ra r c h i t e c t u r et h a tf i t sf o rt h ep r e s e n tc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d 2 浙江大学硕士学位论文 n e t w o r ks y s t e m , c o n 中a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls t a n d - a l o n ed e s k t o ps o f t w a r eo ft h e c o m p u t e r a i d e dh e a te x c h a n g e rn e t w o r kd e s i g n t h i ss y s t e mh a sf o l l o w i n gm a i n f u n c t i o n s ：c a l c u l a t i n gp i n c h , p l o t i n gt - h c o m p o s i t ec t l r v ec h a r t ，g i v i n gr e s u l to fs k e t c hd 螂o fh e a te x c h a n g e rn e t w o r k t h e d e s i g n i n gs y s t e mh a st h ea d v a n t a g eo fs a f e t y , e f f i c i e n c y , s i l ym a i n t a i n i n ga n d u p g r a d i n g i t su $ ei nt h ed e s i g no fh e a te x c h a n g e rn e t w o r kw i l lg r e a t l ym a k et h i s p r o c e 鹳c o n v e n i e n t k e yw o r d s ：b r o w s e r s e r v e ra r c h i t e c t u r e ；j 2 e e ；p i n c ht e c h n o l o g y ； h e a te x c h a n g e rn e t w o r k ；d e s i g n 3 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 。1 引言 能源和材料、信息一样被视为现代工业和科学的三大支柱之一。能源的利用 和发展关系着整个国民经济的发展，关系者整个人类的生产和生活。为了减少能 源的大量消耗和能源利用过程中对环境日益严重的污染，使国民经济走可持续发 展的道路，就必须合理用能和节能。节能已成为我国发展经济的一项战略方针， 国家为此专门颁布了中华人民共和国节约能源法。 能源的开发和利用在很大程度上是热能的开发和利用，因此节约能源在很大 程度上就是节约热能。节能工作在我国大致经历了三个阶段【i 】：第一阶段属于“捡 浮财”阶段，主要是利用热力学第一定律的能量分析法进行余热的回收等，在此 阶段着眼的只是单个余热流，而不是整个热回收系统；第二阶段是在利用热力 学第一定律的基础上，利用热力学第二定律的方法以及热经济学方法对单个设 备、装置等进行分析、改进，以达到节能的目的，如强化换热器传热、热电联产 等；第三阶段是针对过程工业系统节能的过程集成。所谓过程集成就是把整个过 程工业系统集成起来作为一个有机结合的整体来看待，达到整体设计最优，从而 便一个过程工业系统能耗最小，费用最低，对环境污染最小。自2 0 世纪9 0 年代 以来，过程集成成了过程工业系统节能的热点课题。 1 2 项目意义 化工生产过程中，常常遇到某些物流需要加热，某些物流需要冷却，为了充 分地利用物流的热量，通常在需要加热和需要冷却的物流之间进行换热。此外， 为了保证过程物流达到指定的温度要求，往往还需要设置一些辅助设备，如加热 器、加热炉、冷却器等，这就提出了一个换热网络的设计问题。 换热网络直接关系着热能的有效利用，对总过程的经济性起着非常重要的作 用。为了降低能量消耗，要求有系统合成最优换热网络的方法，即设计一个由热 4 浙江大学硕士学位论文 交换器，辅助加热器和辅助冷却器组成的换热网络，使系统中所需要加热或冷却 的过程物流都达到规定的出口温度，并使系统的总费用最小。 在换热网络的合成中，根据不同的匹配序列，可能组成的网络却是大量的， 如何在这些大量的网络组合中迅速找出最优网络是换热网络合成设计的研究课 题。 在挟热网络优化设计的过程中，要对换热网络进行各种各样的计算，确定能 量目标，分析物流匹配，计算换热器换热负荷等，这些环节均包含复杂的数学计 算。在计算机高速发展的今天，计算机应用在很多领域，代替人工完成复杂的数 据处理工作。特别是在工程领域，计算机的使用尤为广泛。把计算机应用在对换 热网络优化设计的过程中无疑会带来很大的方便。用计算机处理换热网络的物流 数据，辅助优化设计换热网络，将会大大减少人工的投入，简化换热网络优化设 计过程。 而随着计算机网络的发展和普及，越来越多的与计算机相关的行业都向与计 算机网络结合的方向发展，本文正是研究如何将计算机网络技术与换热网络设计 结合起来，实现了基于w e b 的化工换热网络优化设计系统，辅助技术人员进行换 热网络的设计。 1 3 本文结构 本文主要分为七个部分： 第1 章概括叙述了选题背景和研究内容。 第2 章介绍了国内外学者研究开发的各种换热网络合成方法：分解法、探 试法、直接最优化搜索法、数学规划法、人工智能法、夹点法。 第3 章重点介绍了夹点技术的相关知识，阐述了温焓图、组合曲线、夹点 等相关概念，并介绍了夹点的代数计算方法一问题表格法、夹点法设计换热网 络的过程，以及相关的一些夹点技术应用软件。 第4 章概括性的分析了本研究将使用到的关键技术，分别为改进的问题表 法，换热网络合成算法，b r o w s e r s e r v e r 结构技术和j 2 e e 平台技术。 第5 章介绍了基于w e b 的换热网络设计系统的主要功能，说明系统总体设 计、系统架构和运作流程。 5 浙江大学硕士学位论文 第6 章挽热网络设计系统实现介绍，详细说明了各w e b 页面的功能和操作。 第7 章是本文的结论和展望，主要回顾总结了本文的工作，并提出了进一 步研究的思路。 第2 章换热网络合成方法概述 换热网络是能量回收利用中的个重要子系统。优化合成换热网络要使系统 中所需要加热或冷却的过程物流都达到规定的出口温度，并使系统的总费用最 小。最优换热网络的合成包括各个换热器、辅助加热器和冷却器的热负荷分配和 布局最优，即系统结构的设计最优。也包括在给定的系统结构条件下，换热设备 本身的设计最优。后一个问题可用一般的最优化方法进行设计，而前一个问题， 由于系统结构尚未确定，换热设备数量及如何设置都不能确定，所以直接采用一 般的最优化方法无法解决换热网络合成问题。h w a ( 1 9 6 5 ) 发表了第一篇关于换 热网络合成的论文1 2 j 。他首先把所供选择的系统组合成一个配置图，然后使用可 分离规划使之最优化。使用次法，只有当最优网络已包含在配置图里时，才可能 得到最优的换热网络。此后的几十年来，许多研究者在这一领域做了大量的工作， 开发了不同的合成方法。 2 1 分解法 r u d d ( 1 9 6 8 ) 的分解法p j ：他把原设计问题分解为一系列的予问题，子问题 的设计与某些现有的。老的过程设计相类似，能用现有的设计技术解决。他以换 热网络的合成为例说明了此法。由于不知道目标函数，只能先根据现有的技术作 出最优目标函数的估计值，然后据此算得实际值，根据两者的差异，再凭经验获 得一个新的估计值，反复迭代，壹至两者比较接近。显然，没有目标函数，计算 过程盲目，此法不能顺利解决换热网络的合成问题。 2 2 探试法 m a s s o 和r u d d ( 1 9 6 9 ) 的探试法 4 1 ；他们先把大问题逐级分解成比较小的容 易处理的子问题，得到问题的各个分解水平，依次解出各个分解水平上的子问题。 6 浙江大学硕士学位论文 选择的子问题必须单独能解，解子问题的过程即为选择某一判据，从而确定一对 相匹配的过程物流，所用的判据是一组等权的经验规则。到所有子问题都解出， 便完成了一次合成试验。同时，根据每个予问题所选用的判据，可得到按照分解 水平而排列的一组判据序列。在第一次试验时，各判据的权是任意的，判据的选 择是随机的。在以后的反复试验中，根据所得的结果不断修改判据的权，经过一 定次数的试验，可得到一组判据的最优序列，相应也得到一个最优的网络。但是 因为试探法是在经验的基础上进行的，对于得到的结果不能保证是最优的，而且 方法的收敛与否完全取决于所用经验选择规则的性质和有效性。在合成过程中， 权因子可能成为一种束缚，使重复生成的解不是最优解，也可能这些探试都不能 得到最优的匹配。而且，对一个问题所得最优解的权，对于其他问题不一定有效。 另外，在使用此法时，作出了一些假定，如，过程物流不能分流；当过程物流之 间能进行匹配时，不能采用辅助的加热器或冷却期等。此法不能解决复杂的换热 网络合成问题。 2 3 直接最优化搜索法 l e e 等人( 1 9 7 0 ) 的分枝界限法p j ：l e e 等人用分枝界限原理指导系统合成的 设计。他们指出，在设计换热网络时，为了生成一些界限问题，必须放松网络可 行性的一些约束，假定：过程物流只允许多次使用，而不能分流使用：热交换中， 过程物流必须交换其能交换的所有能量。在此假定下，他们先提出了基本的分枝 界限法，然后又用分枝策略缩减问题的规模，精简合成程序。分枝界限法实质上 是在某些限定范围内穷举了所有可能的情况，而且还包含了许多不可行的情况在 内，故能找到某些限定范围内的最优解。但此法也因而未能排除基本的组合困难。 另外，分枝界限法本身需要一些假定，如：物流不能分流，辅助加热器和冷却器 只能在最后使用等等，由于这些限制，往往也排除了一些更好的网络。 p h o 和l a p i d u s ( 1 9 7 3 ) 的树搜索法【6 】：他们首先提出用简单的合成矩阵表示 换热网络的结构，利用合成矩阵可以试验能否在一个可行的换热网络中增加新的 热交换器而生成另一个可行的换热网络。根据合成矩阵的这一特性，他们把只有 加热器和冷却器、没有换热器的网络作为起始节点，逐步扩展，最后可生成一棵 判定树的图。树的节点代表了所有可行的网络。最优的网络必定也嵌入在树的一 浙江大学硕士学位论文 个节点中。通过对所有节点的网络进行计算或按照某些规则进行部分的计算，就 可得到最优或接近最优的网络。 2 4 数学规划法 许多研究者致力于用数学语言把合成问题表示为数学模型，能应用通常的直 接最优化技术有效地解决问题。1 9 7 1 年，k o b a y a s h i 等人提出了线性规划法川； 1 9 7 6 年，k e l a h a n 和c _ r a d a y 提出将网络合成作为混合整数最优化问题处理口l ；1 9 7 7 年，n i s h i d a 等人发展了算法加调优的方法1 9 。这些方法多数用到了分步优化法， 将换热网络的合成分解为：最小公用工程用量的计算；最小匹配数目的选择： 最小投资费用的计算等多个子问题，这些子问题原则上存在多解，又相互影响， 如果不能正确反映子问题的相互关系，即使各子问题是最优的，对整体问题也可 能偏离最优解甚远。为克服多目标分步优化的缺点，g r o s s m a n 等人在研究换热 网络优化设计时首次提出了超结构m i n l p 模型【l “，并用来确定换热网络的最小 投资费用。 数学规划法可用于解决具有大量变量和多种反馈的问题。很适合工业系统的 网络设计，它可求出经验规则无法求出的优化网络。从理论上说，数学规划法是 最完美的方法。然而即使是全部由换热器构成的网络，其有关的影响因素也非常 多，而且关系复杂。所以，各种网络优化的数学规划法都不可避免的对单元模型 作出许多简化假设。假设愈多，所得结果偏离工程实际的真正优化解也愈远。因 此，数学规划法至今未能在工作设计中广泛应用。 2 5 人工智能法 人工智能是一门探索和模拟人的感觉和思维过程的规律，并进而设计出类似 人的某些职能的机器的科学。专家系统是近年来人工智能走向实用化研究中引人 注目的一个领域，是一种以知识为基础的计算机程序系统。该系统把某个专门领 域中有关的专家知识、经验事先总结出来，将它们以某种合适的格式储存在机器 中构成知识库；并拥有类似于专家解决实际问题的推理机制组成推理系统，能对 输入的信息进行处理。因此，借助人工智能技术可使合成最优换热网络的方法更 为可靠和简化。其方法是：根据一定的匹配规则，并考虑到网络结构的合理性， 斯江大学硕士学位论文 在总结设计实践和生产经验的基础上，制定出合成最优换熟网络的物流匹配及能 量使用的专家规贝i j 和一些启发探试规则，以知识库的形式储存于计算机中，条件 构成推理的基础i l ”。但依此开发出的专家系统和知识工程合成最优换热网络方法 应用并不完善，基本上没有考虑对网络优化合成有很大影响的各种工程因素。为 此李志红提出了人工智能和数学规划集成的方法【i 2 】，对换热网络进行同步最优 合成设计，建立了换热网络结构和匹配单元同时优化的数学模型。1 9 9 9 年提出 了一种基于专家系统的无分流换热网络超结构模型的方法；2 0 0 0 年又提出了基 于专家系统有分流大规模换热网络超结构模型 1 3 , 1 4 。人工智能法有利于大规模换 热网络优化合成问题的求解。 近些年来，更复杂的换热网络优化合成方法有：神经网络模型，遗传算法， 以及将遗传算法与其他方法结合，如：基于专家系统的遗传算法，神经网络一遗 传算法，遗传模拟退火算法等，不再一一赘举。 2 6 夹点法 在众多换熟网络合成策略中以l i n n h o f f 等为代表提出的夹点技术最为简便、 实用。夹点技术通过建立物理模型较深入地揭示问题的内在特性，物理意义清楚， 且简便易行、效果显著【】”。夹点技术的核心是根据能量目标构造一个具有最大 能量回收特性的换热初始网络，其基本点是找出夹点，不允许通过夹点换热，； 再以最少换熟设备数为目标，对初始网络进行调优，以减少换热设备数及设备投 资费用，从而获得一个最优或接近最优的换热网络。夹点技术以热力学理论为基 础，形成了较为系统的理论基础。下面详细介绍夹点技术。 9 浙江大学硕士学位论文 第3 章夹点技术 在过程工业的生产系统中，从原料到产品的整个生产系统中，始终伴随着能 量的供应、转换、利用、回收、生产和排弃等环节。进料需要加热，产品需要冷 却，冷、热流体之间换热可构成热回收换热系统，加热不足部分需要设置称为热 公用工程的加热装置，冷却不足部分需要设置称为冷公用工程的冷却装置等等。 以系统工程的角度来看，过程工业的生产系统可以分为三个子系统：工艺过程子 系统，热回收网络子系统，蒸汽动力公用工程子系统；从能量利用的角度来看， 这三个子系统相互影响、密切相关。因此要想获得能量的最优利用，应当进行系 统整体优化，即三个子系统的联合优化，这无疑是非常困难的。夹点技术最初是 源于热回收换热网络的优化集成，现已发展到包括热回收换热网络子系统和蒸汽 动力公用工程子系统的总能系统。 基于热力学第二定律的夹点技术最早由l i n n h o f f 教授提出。1 9 7 8 年l i n n h o f f 和u m e d a 分别提出了换热器网络中的温度夹点问题，指出夹点限制了换热网络 可能达到的最大热回收。1 9 8 2 年和1 9 8 3 年l i n n h o f f 比较系统地论述了用于换热 器网络综合的夹点技术，并推广于整个过程系统的能量分析与调优，1 9 9 3 年对 夹点分析作了全面的总结性评述【1 ”。夹点技术以其直观、易懂且节能效果明显 的优势很快在工程实践中得到推广应用。 夹点技术已成功地应用在2 5 0 0 多个项目中，在世界范围内取得了显著的节 能效果。对新厂设计而言，采用这种技术比传统方法可节能3 0 5 0 ，节省 投资1 0 左右，对老厂改造而言，通常可节能2 0 3 5 ，改造投资的回收年 限一般仅0 5 3 年。正是由于夹点技术能取得明显的节能和降低成本的效益， 因此在各国正日益受到重视，如拜尔、杜邦和i c i 等世界著名公司、企业都已采 用了夹点技术，一些著名的大工程设计公司如凯洛格、鲁姆斯、千代田等都成立 了夹点技术组【1 6 1 ，而且现在国际上一些大公司在招标时，要求投标者先进行夹 点技术分析。 1 0 浙江大学硕士学位论文 3 1 温焓图和组合曲线 物流的特性可以用温焓图( r h 图) 很好地表示，本文采用的换热网络设 计算法即基于温焓图的分析。温焓图以温度t 为纵轴，以热焓h 为横轴。物流 的热量用横坐标两点之间的距离( 即焓差h ) 表示，因此平移物流线并不影响 j e j 其物流的温位和热量。将t i - i 图中物流线上任一点切线的斜率即! 兰定义为热 口l 容流率w ，单位为l u ，1 1 ，若w 为常数，则物流线为直线。w 值越大，t - h 图 上的线越平缓【”。 为了表示系统的特性，可以将多股热流合并成一条热组合曲线，将多股冷物 流合并成一条冷组合曲线。图3 1 表示了合并热组合曲线的过程。 tt t l t 2 b l t 5 t 一：j c ：( 一一一r 一一 飞一一， l ! ( a ) 3 股热流被冷却的t - i f 线( b ) 3 股热流的组合曲线 3 2 夹点 图3 1 组合曲线 当冷热组合曲线同时出现在t - i - i 图上时，两条曲线的相对位置有三种不 同的情况，如图3 2 所示。 浙江大学硬士学位论文 t 4 k ； ：l q cq h ( a ) h ( b ) 矾c ) 图3 2 组合曲线相对位置 如图3 , 2c a ) 所示，全部冷流由热公用工程加热，全部热流由冷公用工程冷 却，过程中的热量全部没有回收。此时，热公用工程所提供的能量q h 和冷公用 工程所提供的能量q 。为最大。在图3 2 ( b ) 中，冷组合曲线向左平移，则热流 所放出的一部分热量可以用来加热冷流，所以热公用工程提供的能量和冷公 用工程提供的能量q 。均相应减少。但此时由于是以最高温度的热流加热最低温 度的冷流，传热温差很大，可回收利用的余热q r 有限。如果继续移动冷组合曲 线至3 ，2 ( c ) 所示位置，使两条组合曲线几乎在某点重合，此时，热公用工程提 供的能量q h 1 和冷公用工程提供的能量q c 。均达到最小，回收的热量q r 达到最 1 2 浙江大学硕士学位论文 大。冷热组合曲线在某点重合时，达到该系统内部换热的极限，该点的传热温差 为零，该点即为夹点【l s l 。 在夹点温差为零时需要无限大的传热面积，既不现实也不经济。不过，可以 通过技术经济评价而确定一个系统最小的传热温差夹点温差。夹点可定义为 冷热组合温焓线上传热温差最小的地方。 夹点技术以热力学第二定律为理论基础。当确定了夹点温差后，最小热公用 工程用量和最小冷公用工程用量，即能量目标。都随之确定，即为图中的q h u 删。 和q c 。h 。 然而单纯采用图上作业非常烦琐，一般采用问题表格法f 1 9 】，用代数形式计算 网络夹点和最小冷、热公用工程用量。以避开繁琐的作图求解过程。 3 3 问题表格法 问题表法处理数据求夹点，步骤如下： ( 1 ) 以冷热流的平均温度为标尺，划分温度区间。冷、热物流的平均温度 相对热流体，下降l ，2 个夹点温差，( a r 2 ) ；相对冷流体，上升1 2 个夹点温 差，( a r 2 ) ，保证每个温区内热流比冷流高a t ，满足最小传热温差。 ( 2 ) 计算每个温区内的热平衡，确定各温区所需的加热量和冷却量，计算 式为： h = ( c 一c r ) 何一z + ，) 式中且第i 区所需外加热量，k w 阻，一分别为该温区内冷、热物流热容流率之和，k w z ，z + t 一分别为该温区的进、出口温度， ( 3 ) 进行热级联计算。第一步，计算无外界热量输入时各温区之间的热通 量。此时，各温区之间可有自上而下的热流流通，但不能有逆向热流流通。第二 步，为保证各温区之间的热流通量不小于0 ，根据第一步级联计算结果，取绝对 值最大的负热通量的绝对值为所需外界加入的最小热量，即最小加热公用工程用 量，由第一个温区输入；然后计算外界输入最小加热公用工程量时各温区之间的 浙江大学硕士学位论文 热通量；而由最后一个温区流出的热量，就是最小冷却公用工程用量。 ( 4 ) 温区之间热通量为零处，即为夹点。 3 4 夹点法设计换热网络 然而仅仅夹点分析无法得到具体的网络设计方案，换热网络夹点设计方法如 下【2 0 川：在网络初步合成时，认为组合曲线和个别换热单元具有相同的最小传热 温差。为了满足最少外供能量这一目标，在网络初步合成时，禁止能量穿越夹点， 在夹点把网络截然分为两部分，分别进行合成。这一原则与热力学第二定律是一 致的，然而其结果却是使得初步合成的网络换热单元个数增加。为了尽量获得成 本最低的网络结构，完成第一步网络合成后，再进行能量松弛和最小传热温差松 弛，对网络进行调优，断开回路，以减少换热单元个数，此时已有能量穿越了夹 点。 3 5 夹点技术应用软件介绍 采用夹点技术设计换热网络过程步骤繁琐，花费大量时间和精力。其应用一 般通过计算机软件来完成，目前已有若干商业化的夹点技术应用软件，其中包括 a s p e n 公司于1 9 9 1 年推出的a d v e n t 软件及英国l i r m h o f f 教授及其同事开发 的s u p e r t a r g e t 软件；在国内，有华南理工大学开发的换热网络设计优化软 件o d h e n ，清华大学开发的e s o p ( e n e r g y s y s t e m o p t i m i z a t i o n p r o s r a m ) 蒯$ 口”。 本文介绍了一个基于w e b 的换热网络设计系统，把网络技术和夹点分析方法结 合起来，并采用改进的算法设计换热网络，为换热网络设计工作提供方便。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第4 章基于w e b 的换热网络设计系统关键 技术 4 1 改进的问题表法求夹点 改进的问题表法简减了l i n h o f f 等人的问题表法，步骤更少，且所有信息都 标注在单表中，结果清晰明了由此设计的计算机代码应用于基于w e b 的换热 网络设计系统中。下面以一个简单的实例说明此算法过程。 物流参数如表4 1 所示，设定最小传热温差为l o 。 h l 、h 巳热流；c 1 ，c 卜冷流 t 1 - 初始温度：髓一目标温度：w 热容流率 表4 1 物流信息 夹点温度和最小公用工程用量由表4 2 计算得出。说明如下：输入物流信息 被分割成不同的温度区间。这些温度区间是根据所有物流的初始温度、目标温度 以及最小传热温差确定，降序标注在表4 2 的最左边。热流温度在列的左边，相 应减少。的温度值放在列的右边；冷流恰好相反，其温度在列的右边，相应 增加a o 。的温度值在左边。表格第一列表示温度区间之间的温差，第一行列出 该物流的热容流率。a t x w 得到物流在温度区间的焓差，标注于表格相应位置。 x 表示该温度区间在物流的变温范围之外。温区内热平衡计算，计算式为 日= z 创t 。结果列于“热量累积”。假定系统在最高温位能量输入为零，各温 区能量输出即输入与累积之差，上一温区的能量输出即为下一温区的能量输入。 热通量输入列最小负值的绝对值作为最高温位的能量输入，同样方法依次计算各 温区的输入输出。由此得到能量输出输入为零的位置6 0 5 0 ，此点为夹点温度， 最高温位的输入为最小热公用工程用量1 3 3 m w ，最低温位的输出为最小冷公用 浙江大学硕士学位论文 工程的用量6 6 5 m w 。 h i m ”a t )h 2 ( w 6 t )c 1 ( w 。a t ) c 2 ( w a t )热量累积热通量( m w )最佳热通量( m w l 2 4 口2 3 0淑 0 10 ，2 3 0 1 5 o 3 5 ( m w )输入输出输入输出 2 2 0 - 2 1 0 2 0 22 0 2 1 3 31 5 3 2 0 0 - 1 9 02 02 752- 31 5 31 0 3 1 1 0 1 0 09 09- 2 0 ，7 3 l5l83 _ 48 1 038 5 6 0 - 5 05 05 - 1 15 7 51 758 5_ 4s1 33& 50 4 5 - 3 51 5i 53 4 52 2 52 7一1 3 3- 1 06 0 2 7 4 0 - 3 050 5t1 516 5 1 0 6 _ 8 9 52 7 4 3 5 3 0 - 2 0 l o_ 2 323 培9 5- 6 6 5 43 5 6 6 5 最小传热温差：l o ( ) 夹点温度：6 0 - 5 0 ( c ) 最小热公用工程用量：1 3 驯 最小冷公用工程用量：66 锄_ 4 2 换热网络合成算法 表4 ，2 l i n n h o f f 等人提出的夹点技术设计换热网络步骤繁琐，花费大量时间和精力。 基于温焓图的分析，公用工程用量与换热系统有效能损失存在对应关系，设定物 流匹配换热规则：最高温位的热流应与最高温位的冷流匹配换热；中等温位的热 流应与中等温位的冷流匹配换热；最低温位的热流应与最低温位的冷流匹配换 热。且此物流匹配换热规则保证了热回收量最大和在热回收量最大条件下的最小 换热面积网络可以同时合成。由此，考虑到网络结构的合理性，按照冷、热物流 的进出口温度、热容流率、换热负荷之间的关系，冷、热物流匹配分成1 7 种不 同情况【1 9 】，见图4 3 。将这1 7 种不同情况用j a v a 编制成计算机程序函数代码， 方便换热网络设计系统调用。 图4 3 中“条件”栏给出冷、热物流温度，热负荷、热容流率所满足的条件； “t - h 图”栏给出冷、热物流的t - h 线和冷、热物流的匹配换热方式；“是否分 流”栏说明在确定匹配换热方式时，物流是否分流；“换热器”栏给出冷、热物 流进换热设备的进、出口温度和换热负荷；“剩余流”栏给出冷、热物流匹配后 剩余部分的进、出口温度、热容流率和热负荷。 1 6 浙江大学硕士学位论文 是否 序号条件t - h 图 换热器剩余流 分流 否 艺= 五 冷流c 的低温 1 q 幺 tj 乙；正 部分d 毛= 石t 2 + 0 h t 酊】。 o 。t 2 f 2 2 k 互乞+ o t _ 乞母f 2 一甓 k 正五 t ， t 如 热负荷q ： v 一 q = 幺 ! ，q ! n q = q q r 。 否 瓦= 五冷流c 的低温 2 q 蜴 tj 石t 2 + 女：i乙= 互 部分d l = 正 。呤f 2 一甓 = 龟 鬻c 一 k = t 2 热负荷q ： 乞 k f 2 2 k f i ：! ：i 1 i q f = g q = q q 3 q c2 包 t j 否 瓦= 五冷流c 的低温 互t 2 + h t 乙= 互 部分d 正2 + f 。h tr ! 0 ； = t o5 t 2 屯。 l 互 如i 。 包= 酝 t 2 = 热负荷q ： 等；i -q ：= q c q 4 q q 冷流 死= 五 冷流c 肭全都 王- t 2 + f m tlh c 分 正 乞+ h ；委 流成 = 五 = k c l 和屯= f 2 = f 2 丝，3 t i g 乞“= t 2 热负荷q ，2 q = g q 。：= q q 至丛 互o = t 2 f 2 q 再 q = q 否 瓦= 墨 7 q 五 !tdj 一 = 嘶一i i j u a?h t l 五 、 t6 ； 一 w 0 = w ：一w 0 l 、d? h t l = f 2 - ， 1 热负荷q 2 q h ：= 幺一幺 否 瓦= 互 热流h 的低温部分一 “ 写 t 2 + 瓯h t i 乒， ， 乙= 瓦 巧= 瓦 昂 = 五 ；- 列i , i - 瓦哥甓 热负荷q ： ：遵i o = f 2 q ：= g q 石 t - 啊：i啊： 0 ； 冷流c 的低温部分c t l 鳞岛时 t t q 时 t i = 0 互一m 蚓h 蚪再 f ：厶一鱼 = 或丝 互 t- ，j - ，乙= 瓦 石。= 足 l ：二舔： 一z 疋= + = 五 t l2 t 2k 一7d 矸= o = 热负荷q ： ：，一 q = 睨( z 一疋) q ：= q q 五 疋一越m 熟负荷q q = q q 1 3 写t 2 + 面 冷流 瓦= 五 热流h 的低温部分h 互 互，t l t a t _ 。 热负荷q 。： q 。：= q q 1 4 王 埘 冷流c 的高温部分c w 五 + 。 k i o j ，q 、0 c 乞= 巧一血。 = 0 ，f 2 = 乞 五 正l t j 瓦 t i f 2q = 形( t 2 一) = t l , f 22 乞 i ： j i n 热负荷晓 q = q q 1 6 q q 或q g 否 使用热公用工程h 。 热流h 的全都 石 瓦 t一一一j = 0 = f 2 t一 o = 毛 或没有热流可使用时 丁 一r h ：q q = q ：卜t - 一( 加热器) r ，。1 h 1 7 q q 或q 换热网络的夹点温度 最小冷公用工程用量 最小热公用工程用量 最大热回收量 夹点的计算及以上数据的获得，将对以后整个换热网络分析设计提供重要依 据。 系统夹点计算功能的整个过程，如下图所示： 点 图5 3 夹点计算流程示意图 苍 一 计算系统夹 浙江大学硕士学位论文 5 2 3 输出温焓组合曲线 为了表示系统的特性，可以将多股热流合并成一条熟组合曲线，将多股冷流 合并成一条冷组合曲线。把这两条曲线同时绘制在温焓图中，就形成了温焓组 合曲线图。在温焓图中的组合曲线，是表达夹点计算