（化学工程专业论文）基于j2ee的协同换热网络设计系统的研究.pdf

摘要( a b s t r a c t ) 摘要 夹点技术是系统节能常用的一个方法，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优化配置。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。因此本文在夹点技 术和换热网络合成算法的基础上，采用j 2 e e 架构和a p p l e t 技术，对换热网络计 算机辅助设计进行了研究，开发了一个基于j 2 e e 模式结构体系的协同换热网络 设计软件系统原型。 本文首先介绍了夹点技术的相关知识，阐述了温焓组合曲线、夹点等相关 概念，并介绍了夹点的计算方法一问题表格法、夹点法设计换热网络的过程以及 换热网络的优化方法。然后概括性的分析了本研究将使用到的技术，分别为j 2 e e 平台技术，a p p l e t 技术、a p p l e t 和s e r v l e t 的通信和协同设计技术。接着介绍了 换热网络设计系统的主要功能，说明系统架构、运作流程和各功能模块的总体设 计。然后介绍了换热网络设计系统的具体实现，详细说明了各页面的功能和操作。 最后回顾总结了本文的工作，并提出了进一步研究的思路。 本文设计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 成温焓组合曲线图、生成换热网络示意图、修改换热网络示意图、分析优化换 热网络、协同设计等。本系统和同类产品相比具有升级方便、可视化强、交互性 好，操作简单等特点。 关键词：夹点技术，换热网络，设计，j 2 e e ，a p p l e t 摘要( a b s t r a c t ) a b s t r a c t p i n c ht e c l l i l o l o g yi sau s e 向lm e t l l o do fs y 鲫e m a t i ce n e 唱y s a v i n g i tc o m b i n e s t 1 1 et l l e o 巧o ft l l e n n o d y n 锄i c sa i l ds y s t e m a t i c e n g i n e e r i n gt 0k n o wt l l eu s i n ga i l d r e c y c l i n go fs y s t e m a t i ce n e 唱yo ft l l ep r o c e s sa n do p t i m i z et l l e m p i n c ht e c l m 0 1 0 9 ) ，i s u 1 1 c o m p l i c a t e d ，觚dg i v e se 腩c t i v er e s u l t i ti sp o p u l a ri i le n e 培yi n d u s t s oas t u d y o nt h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g l l 、o r kf o rh e a te x c h a n g en e 铆o r kh a sb e e nm a d eo nt h e b a s i so fp i n c ht c c h o l o g y ，s y n t h e s i sm e t h o do fo p t i m a lh e a te x c h a l l g e rn e t 啪r k 锄d j 2 e e 锄da p p l e tt e c l l i l o l o g y t h ep r o t o t y p eo fc o o p e r a t i n gd e s i g ns y s t e mf o rh e a t e x c h a n g en e 觚o r k 柱c hb a s e s0 nt h ej 2 e em o d e li sd e v e l o p c d f i r s tt h el 【i l o w l e d g eo f p i n c ht e c l l i l o l o g ys u c h 部t - hc o m l ) 0 s i t ec u r v ec h a na i l d p i n c hi s i n t r o d u c e d s e c o n dt h em e t h o df o rc a l c u l a t i n gp i n c h - t a b l em e t l l o d ，t l l e d e s i g i lp r o c e s so fh e a te x c h a n g en e t w o r k 锄dt h em e t h o do fm eo p t i i i l i z a t i o no ft l l e h e a te x c h a l l g e ri l e t w o r ka r e 砷m d u c e dt o o t h i r dm ej 2 e ep l a t f o 册t e c l l i l 0 1 0 9 y ， 印p l e tt e c l l i l o l o g y ，t 1 1 ec o m m u i l i c a t i o nb e t 、v e e na p p l e ta n ds e n r l e t ，t h ec o 叩e r a t i n g d e s i g i lt e c l l i l o l o g ) ，a r ea n a l y s e d f o u n ht h em a i n 鼬c t i o no ft l l es y s t e mi si n 乜o d u c e d a i l dt h ef r 觚l e 、v o r ko ft h es y s t e m ，t l l ew o r kp r o c e s sa n dt h ed e s i g no fe a c hf b n c t i o n m o d u l ea r ee x p l a i n e d f i r ht h ed e t a i lr e a l i z a t i o ni si n t r o d u c e d 锄dt h e 缸l c t i o na 1 1 d 叩e r a t i o no fe a c hp a g ea r ee x p l a i n e d f i n a j l yt h ew o r kw 1 1 i c hh a l sb e e nd o n ei s s u n u n e du pa n dt h e 、v a yo f6 肛t h e rr e s e a r c hi ss u g g e s t e d n i ss y s t e mh a st l l e f m l c t i o n 勰f o l l o w s ：c a l c u l a t i i 培p i n c h ，p l o t t i n gt h c o m p o s i t ec u r v ec h a r t ，百v i n gr c s u l to fs k e t c hc h a no fh e a te x c h 锄g e rn 咖。如 m o d i 毋i n gh e a te x c h a n g e rn e t 、阳r ka 1 1 dm e 觚a l y s i sn e 抑o r k s 锄dt 1 1 ea b i l i 哆o f c o o p e r a t i n gd e s i g n t 1 1 i ss y s t e mh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fe a s i l ym a i n t a i l l i n ga 1 1 d u p g r a d i n gg o o d 伊a p h i c 如n c t i o n ，g o o di m e r a c t i v 时柚de a s yo p e r a t i o n i t su s ei nt 1 1 e d e s i 印o f h e a te x c h a i l g e rn e 觚o r k 、i ug r e a t l ym a k et h j sp r o c e s sc o n v e n i e n t k e yw o r d s ：p i n c h ，h e a te x c h a i l g ei l e t w o r k ，d e s i g l l ，j 2 e e ，a p p l e t i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 能源是经济发展的动力，是现代文明的物质基础。随着世界人口的不断增长 和工业的持续发展，能源将越来越短缺，工业节能已经成为人类社会持续发展的 重要前提之一，高效地利用能源是现代社会可持续发展的基本保证。 我国是一个并非所有资源都丰富的发展中大国，目前，我国主要矿产资源人 均占有量不足世界平均水平的一半。为了保证国民经济持续、快速、健康地发展， 合理有效地利用各种资源是必须遵循的重要国策之一。 十五期间，国家开始把可持续发展战略放在更加突出的位置，要求企业节约 资源，正确处理好企业经济发展与社会资源的关系。可以预计在十五以后，节约 资源仍将是一项重要国策，并将在相当长的时期内坚持下去【l l 。 现阶段，我国一方面经济高速发展，能源消费急剧增加，而另一方面容易利 用的能源资源有限，能源生产能力不足。短期内能源供应紧张、能源价格偏高的 局面很难得到缓解。因此，各行各业，尤其是高耗能企业都在积极寻求更加有效 的开发、利用能源的方法。加入w t o 后，企业更应加强资源节约与资源综合利 用，以增强经济竞争力。我国经济发展的市场环境在改变，中国的企业不仅要立 足于国内市场，而且必须面向国际市场，参与国际竞争。目前，我国绝大多数企 业经营粗放、原材料消耗量高、资源浪费大、经济效益差，缺乏国际竞争力。其 中，资源的节约和综合利用工作的滞后是重要原因之一。 我国矿产资源总回收率为3 0 5 ，比世界平均水平低1 0 一2 0 个百分点；单位 产值的能耗为世界平均水平的2 3 倍；主要用能产品的单位能耗比国外先进水平 高4 0 ；每年可综合利用的固体废弃物和能回收利用的可再生资源中，未加利用 的价值高达5 0 0 多亿元。这就说明了我国企业中，可节约的成本、可提高的经济 效益、确实还存在很大空间。 对全世界来讲，由于能源的总量是有限的，且大部分是不可再生的，所以能 源的开发和控制已日渐成为一个世界性的课题。对中国来讲，一方面，中国是全 世界能源保有量最低的国家之一，人均能源消费量仅为世界平均水平的一半；另 浙江大学硕士学位论文 一方面，目前中国的能源利用率仅为3 0 9 6 左右，比发达国家低1 0 个百分点，产 值能耗比是世界平均水平的2 倍多，是德国的1 0 倍多，成为世界上产值能耗最 高的国家之一。因此节能降耗、走可持续发展之路应成为国内所有企业的共识。 多年以来，我国的经济发展战略采取的是靠大量的资源和资金的投入发展生 产的粗放型经营模式。这种经济发展模式或许会在一定时间段内出现经济暂时的 繁荣，但当人们清醒过来的时候，会看到自己的生存空间已被破坏，资源的人均 占有量将大大低于世界平均水平，要治理被破坏的环境所需的花费远比当时防止 污染所需的投入要高出几倍、甚至几十倍。这种通过高投入、高消耗来支撑的国 民经济生产总值高速增长的发展道路，造成投入多、消耗高、产出少、质量差、 浪费大、污染重、效益低，成为我国长期以来经济发展中一切矛盾的焦点。特别 是近两年来，随着国民经济持续快速发展，工业经济增长的速度明显加快，一些 能源消耗行业生产呈现快速增长的势头，使能源的总体需求明显扩大，价格不断 上升，局部出现了能源供应紧张的情况。在能源供应总体趋紧的条件下，对已建 成的工厂，采取系统用能分析，即将成为提高企业效益的一种常见的技术措施。 我国化工行业生产能耗很高，与工业先进国家相比还有很大的差距。1 9 9 7 年的统计资料显示，当年仅化学原料及制品制造业就耗能1 5 7 0 2 1 万吨标准煤， 占整个制造业能耗的2 0 。我国合成氨工业的能耗占化学工业的5 2 ，是化工行 业第一耗能大户。合成氨平均单耗比国际先进水平大约高出5 0 9 6 。 因此，化工行业的能源节约显得非常突出，节能潜力巨大。如何提高主要耗 能工业的能源利用率，成为我国节能的首要任务。节能目前已成为我国国民经济 和社会发展和重大需求。因此，对化工流程进行节能设计，对提高能源利用率具 有十分重要的意义。 1 2 本文研究目的 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 2 浙江大学硕士学位论文 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 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。 在换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。 以往的换热网络设计软件可视化不强，没有一个好的图形界面，用户操作起 来不方便，而且大多是c s 结构，难于升级和维护。而且，现代设计发展的趋 势是协同设计，为了使软件的可视化更强并方便各个地区工程师之间的协同设 计，本文采用j 2 e e 架构和a p p l e t 技术，开发了一个基于j 2 e e 模式结构体系的 协同换热网络设计软件系统。 浙江大学硕士学位论文 第二章换热网络合成技术 2 1 换热网络研究进展 回顾换热网络的研究历程，w h i s t l e r 最早研究了原油蒸馏装置中换热器网络 综合问题。l i n h o 行等提出夹点设计法，这在换热器网络综合的理论和实践方面 具有突破性的进展。f 1 0 u d a s 和( i 0 s s m 锄采用数学规划法自动生成最优的网络 结构，同时考虑了网络的柔性问题，v i s w a l l a t h a i l 和e v 挪采用专家系统把几种 方法结合起来求解网络的最优综合。换热网络综合已成为过程系统综合的一个重 要研究分支，随着3 0 多年的深入研究，目前已经开发出多种成熟的换热网络最 优化综合方法，其中最有影响力的是夹点分析法和数学规划法【2 弓1 。 基于热力学第二定律的夹点技术最早由l i l l i l l l o 行教授提出。1 9 7 8 年l i n i l l l o 行 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 m l l l o i j 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【6 - 9 】。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。在此基础上，c h a l 肌d 等提出双温差法， 使得设计工作更加灵活、有效。 然而夹点技术无法直接给出具体的方案，而且单纯采用图上作业也非常烦 琐。数学规划法正好能弥补这方面的缺陷。在数学规划法中最先发展的是分布优 化法：首先建立线性规划模型，确定最小公用工程用量。再据此建立混和整数线 性规划模型，确定最少换热单元数。而后再变化最小允许温差，以此来权衡操作 费用和投资费用。在分步优化法之后又产生了同步优化法。这种方法同时考虑换 热网络单元数、总换热面积和能量回收量，从而克服了夹点技术和分步优化法的 缺点。目前已有的方法有d o l a i l e t a l 的模拟退火算法，c i r i c 和f l o u d a s 的混和整 数非线性规划方法【1 m 13 1 。但是同步优化对于规模较大，设备单元较多的装置由 于组合方案太多而难于求解。 用于换热器网络综合商品化软件已相继开发出来，如：a d v e n t ， h e x t r a n ，i n t e r h e a t ，m a g n e t s ，r e s h e x ，以及s u p e i u a r g e t 等。 4 浙江大学硕士学位论文 近来，研究者致力于综合出的换热网络更接近实用，考虑了诸多工程因素， 如：物流间匹配换热具有不同的适宜传热温差，不同物流具有不同传热膜系数， 不同换热器的材料费用相差很大，物流间匹配换热有限制，系统存在多个夹点， 具有门槛问题等。作为换热网络综合基础的复杂换热网络模拟系统的计算效率也 大大提高，采用序贯模块法或联立方程法，并且具有参数优化的功能【1 4 1 7 1 。 2 2 换热网络的夹点及意义 2 2 1 确定夹点方法 物流的特性可以用温焓图( t - h 图) 很好地表示。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其物流的温位和热量。将t - h 图中物流线上任一点切线的 斜率即等定义为热容流率c p ，单位为k w 。若c p 可作常数，则物流线都为 口 直线。显然c p 值越大，t - h 图上的线越平缓n 8 2 1 1 。 为了表示系统的特性，可以将多股热流合并成一条热复合曲线，将多股冷物 流合并成一条冷复合曲线。图2 1 表示了合并热复合曲线的过程。 tt ( a ) 3 股热流被冷却的t - h 线( b ) 3 股热流的复合曲线 图2 1 复合曲线 当冷热复合曲线同时出现在t - h 图上时，两条曲线的相对位置有三种不同的 情况，如图2 2 所示。 浙江大学硕士学位论文 t l 。1 r 厂 一。 以 ii ii ii ijl i l i jl q cq rq h q cq rq h 图2 2 复合曲线相对位置 h ( a ) h ( b ) h ( c ) 如图2 2 ( a ) 所示，全部冷物流由加热公用工程加热，全部热流由冷却公用 工程冷却，过程中的热量全部没有回收。此时，加热公用工程所提供的热量q h 和冷却公用工程所提供的冷却量q c 为最大。在图2 2 ( b ) 中，冷复合曲线向左 平移，则热流所放出的一部分热量可以用来加热冷物流，所以加热公用工程所提 供的热量q h 和冷却公用工程所提供的冷却量q c 均相应减少。但此时由于是以 6 浙江大学硕士学位论文 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 也 有限。如果继续移动冷复合曲线至2 2 ( c ) 所示位置，使使两条复合衄线几乎在 某点重合，此时，加热公用工程所提供的热量q h 和冷却公用工程所提供的冷却 量q c 均达到最小，所回收的热量q r 达到最大。冷热复合曲线在某点重合时该 系统内部换热的极限，重合即该点的传热温差为零，该点即为夹点瞄艺5 1 。 但是，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一夹点温差。因此，夹 点可定义为冷热复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，最小加热公 用工程量和最小冷却公用工程量，亦即能量目标，都随之确定，即为图中的q 和q c 。 2 2 2 夹点意义 夹点的出现将整个换热网络分成了两个部分：夹点之上和夹点之下。夹点之 上是热端，只有换热和加热公用工程，没有任何热量流出，可看成是一个热阱； 夹点之下是冷端，只有换热和冷却公用工程，没有任何热量流入，可看成是一个 热源；在夹点处，热流量为零【2 砚7 】。 如果发生跨越夹点的热量传递q ，即夹点之上热物流与夹点之下冷物流进行 换热匹配，则根据夹点上下子系统的热平衡可知，夹点之上的加热公用工程量和 夹点之下的冷却公用工程量均相应的增加q 。因此，为达到最小公用工程用量， 夹点方法的设计原则是： ( 1 ) 夹点之上不应设置任何公用工程冷却器； ( 2 ) 夹点之下不应设置任何公用工程加热器； ( 3 ) 不应有跨越夹点的传热。 2 2 3 问题表格法求夹点 问题表法处理数据求夹点，步骤如下【2 8 】： 1 以冷热物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 7 浙江大学硕士学位论文 热流体，下降2 ；相对冷物流，上升2 。这样可保证在每个温区 内热物流比冷物流高乙，从而满足了传热的需要。 计算每个温区内的热平衡，以确定各温区所需的加热量和冷却量，计算式为： 肼，= ( 让一c ) ( 正一正“) 式中日，一第i 区所需外加热量，k w ； y c ，y c b 一分别为该温区内冷、热物流热容流率之和，k w - 一- 一 z ，z + - 一分别为该温区的进、出口温度， 2 进行热级联计算。第一步，计算外界无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 值最大的负的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。 3 温区之间热通量为零处，即为夹点。 下面通过一个具体的例子，说明问题表法的计算。 某一换热系统的工艺物流为两股热流和两股冷流，其物流参数如表2 1 所示。 取冷、热物流体之间最小的传热温差为1 0 。现用问题表法确定该换热系统的 夹点位置以及最小加热公用工程量和最小冷却公用工程量。 表2 1 物流参数 物流编号和类型热容流率c p ( k w )供应温度目标温度 1 热流 3 01 7 0 6 0 2 热流1 51 5 03 0 3 冷流 2 o2 01 3 5 4 冷流4 08 01 4 0 步骤一把系统划分温区 1 分别将所有热流和所有冷流的进、出口温度( ) 从小到大排列起来。 热流体：3 0 ，6 0 ，1 5 0 ，1 7 0 8 浙江大学硕士学位论文 冷流体：2 0 ，8 0 ，1 3 5 ，1 4 0 2 计算冷热流体的平均温度( ) ，即将热流体温度下降2 ，将冷流体温 度上升2 。 热流体：2 5 ，5 5 ，1 4 5 ，1 6 5 冷流体：2 5 ，8 5 ，1 4 0 ，1 4 5 3 将所有冷热流体的平均温度( ) 从小到大排列起来。 冷热流体：2 5 ，5 5 ，8 5 ，1 4 0 ，1 4 5 ，1 6 5 4 整个系统可以划分为五个温区，如图2 3 所示，它们分别为 第一温区 1 6 5 1 4 5 第二温区 1 4 5 专1 4 0 第三温区1 4 0 专8 5 第四温区 8 5 专5 5 第五温区5 5 专2 5 一一( 16 0 ) l6 5 ( 温区1 c p = 2 o 1 4 0 ) 1 4 5 ( 1 3 5 ) 1 4 0 ( 8 0 ) 8 5 ( 9 0 5 0 ) 5 5 ( 6 0 2 0 ) 2 5 【3 0 c p = 3 o 图2 3 温区划分示意图 步骤二温区内热平衡计算，利用式子，计算结果命名为“亏缺热量 列于 表2 2 第三列。 第一温区： 胡1 3 0 ( 1 6 5 一1 4 5 ) 一6 0 ( k w ) 第二温区： 胡2 = ( 4 o 一3 0 一1 5 ) ( 1 4 5 1 4 0 ) 一2 5 ( k w ) 9 浙江大学硕士学位论文 第三温区： 胡3 = ( 4 0 + 2 0 3 o 一1 5 ) ( 1 4 0 8 5 ) = 8 2 5 ( k w ) 第四温区：刖l = ( 2 o 一3 o 1 5 ) ( 8 5 5 5 ) 一7 5 ( k w ) 第五温区： 脯5 = ( 2 0 1 5 ) ( 5 5 2 5 ) = 1 5 ( k w ) 埘i 为负值表示该温区有剩余热量。 步骤三计算外界无热量输入时各温区之间的热通量，命名为“累积热量”， 此时，第一温区的输入热量为零，其余各温区的输入热量等于上一温区的输出热 量，每一温区的输出热量等于本温区的输入减去本温区的亏缺热量脯i ，计算结 果列于表2 2 第四列。 第一温区：输入热量= o ( k w ) ，输出热量= 0 + 6 0 = 6 0 ( k w ) 第二温区：输入热量= 6 0 ( k w ) ，输出热量= 6 0 + 2 5 = 6 2 5 ( k w ) 第三温区：输入热量= 6 2 5 ( k w ) ，输出热量= 6 2 5 8 2 5 2 0 ( k w ) 第四温区：输入热量一2 0 ( k w ) ，输出热量= 一2 0 + 7 5 = 5 5 ( k w ) 第五温区：输入热量= 5 5 ( k w ) ，输出热量= 5 5 1 5 = 4 0 ( k w ) 步骤四确定最小加热公用工程用量。从步骤三的计算中可以看到，当外界 无热量输入时，温区3 向温区4 输出的热量为负值，这意味着温区4 向温区3 提供热量，在热力学上是不合理的。为消除这种不合理现象，使各温区之间的热 通量0 ，就必须从外界输入热量，使原来的负值至少变为零，因此得到最小加 热公用工程量为2 0 k w 。 l o 浙江大学硕士学位论文 表2 2 各温区对应热量分布图 温度温 物流 亏缺热量 累积热量k w热通量 区 j 娼 输入输出输入 输出 1 6 5 一6 0 0 6 02 0 8 0 温区l 1 4 5 l 一2 5 6 0 6 2 58 0 8 2 5 温区2 1 4 0 l 8 2 56 2 52 08 2 5 o 温区3 8 5 一7 5 2 0 5 50 7 5 温区4 5 5 1 r 温区51 55 54 07 56 0 2 5 1 r 步骤五计算外界输入最小加热公用工程量时各温区之间的热通量。换热 网络所需的最小加热量可以从第三温区以上的任何温区中输入。为方便起见，本 例假定该热量从温区1 输入。计算方法同步骤三的完全相同计算结果形成问题表 的最后一列一热通量。 第一温区：输入热量= 2 0 ( k w ) ，输出热量= 2 0 + 6 0 = 8 0 ( k w ) 第二温区：输入热量= 8 0 ( k w ) ，输出热量= 8 0 + 2 5 = 8 2 5 ( k w ) 第三温区：输入热量= 8 2 5 ( k w ) ，输出热量= 8 2 5 8 2 5 = 0 ( k w ) 第四温区：输入热量= 0 ( k w ) ，输出热量= o + 7 5 = 7 5 ( k w ) 第五温区：输入热量= 7 5 ( k w ) ，输出热量= 7 5 一1 5 = 6 0 ( k w ) 由最后温区输出的热量6 0 k w 即为最小冷却公用工程用量。 步骤六确定夹点位置。温区3 和温区4 之间的热通量为零，此处就是夹点， 即夹点在平均温度8 5 ( 热流温度9 0 ，冷流温度8 0 ) 处。 2 3 换热网络的合成算法 基于温焓图的分析和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如下：最高温位的热流应与最高温位的冷流匹配换热；中 浙江大学硕士学位论文 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【3 0 】，见表2 4 。 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。 表2 4 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 q 图”栏给出冷、热物流的t - q 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 2 浙江大学硕士学位论文 表2 4 冷、热物流匹配 是否 序号条件 量q 图 换热器剩余流 分流 l q c q 否 已= 互 冷流c 的低温 互乞+ tj t i h乙= 互 部分c 。 互乞+ 钣i nt 2刁 厶啦f 2 一甓 ，l 。f 1 互正 t 2矽c 乞2 k鼍 c 己q 。土q j = ，2 f 2 ? 下 - 一 热负荷q 。 。r 也：qq = q ， q ：= q f q 2 q q 否 瓦= 互 冷流c 的低温 互f 2 + 址。j n tji h 乙= 互 部分c 互= 瓦 t 2 - t t l i 督f 2 一甓 f 1 2 ，l t 2 i 一；! ，7 。c f 2 吒 哥_ ! f 2 = 乞 c eq c iq e、 = f 2 ? ，i 、 热负荷q ： ：q 一-一jq q = q r 1 q ：= q c q 3 q q 否 毛= 互冷流c 的低温 五f 2 + i n t j i 乙= 互 部分c i l 以 互f l + 出l i n t 2 c ， i l 0 = = t j ： 卜 ，= 乞互互 。q c iq 。； f 2 5 乞 ，2 = ，l 、 7 7 ： 一 q = q 热负荷q ： ，q 卜二一!石 r7 ： q ：= q c q 4 q q 冷流 五，2 + 。 c 分 乙= 巧 冷流c 2 的全部 互 3 t c c c 2 = f 2 热负荷q 。2 乃 生玉 正，= 乞 f 2 ： q h习 q q p = q c 否 乙= 五 热流h 的一部分h 7 q 互 sq i ；x v = 一j 互 p h 1= 一， = ，2 热负荷q 2 q 。：= q q 否 毛= 互 热流h 的低温部分h 1 l 互乞+ 厶血 tj i耳 tjl 一 乙= 瓦 五= 瓦 已哥鲁 正= 互 热负荷q ： = ，2 q 。= g q 互 正 t 。 蓊芝bi ，3 = 冷流c 的低温部分c 互一虬i n 喀蚓虿嬉蚓百 一甓 ，2 = i 或堡 五 t j_ 2 二z，1 1瓦= ，l + 叱乏= 乏 = ，2 t 舯 乞= = ，l 热负荷q ： q = ( 互一乙) q ：= q q 冷流c 的低温部分c t c h 叫：。 l = f l 正 互一。 热负荷q ： q ：= q q 1 3 互f 2 + 冷流 瓦= 五 热流h 的低温部分h 互 正，l 正一出m i n热负荷q 。： q 。：= q c q 1 4 互 + 出血 屯= 热负荷q ： 互 五 t 。t 叫2 t c c q ：= q q t n ( 1 ) l l 时 冷流c 的高温部分c f l 互 乞q = 眈( 乞一0 ) f l = r l ，乞= f c 热负荷q ： 掣i q ：= q c q 否 使用热公用工程h 。 热流h 的全部 1 6 q c q 或q q tj ；广 ，、 = 乙， 五 互 t l一一一i l 乙= 乇 ii ii 乞= f l ，2 t l二甜 = 乞 t i 或没有热流可使用时 q = q ( 加热器) r t 也1q 1 7 q q 或q q 否 使用冷公用工程c 。 冷流c 的全部 互 正 t 1 0 = 乙l f l 0 时， 当鲵曲 鲰。时，首先使用q 。曲的热公用工程加热冷流最高温位 的热负荷部分。 e ，冷流的确定：根据物流排序结果，如果最后一股冷流的出口温度 高于最后一股热流的入口温度，则该股冷流就作为g 。，否则把冷流按出、 入口温度的平均值由低到高排列，取最后一股冷流作为e 。 加热器序号记为j s ，如果满足上述条件，则本步所确定的加热器是 第一个，出= l 。加热器冷流的进出口温度确定如下： 当e 。是等温流时，= k = k 。= ，涮。 当e - 是变温流时， 2 2 t 一鼍 加热器的热负荷为：既= 鲵曲 q ，剩余未被加热的低温部分作为剩余流放到g ，的原位置，待以后 浙江大学硕士学位论文 处理。 ，当q 触面。既。时，g ，物流全部用热公用工程加热。加热器冷流的进出 口温度确定如下： 当e 。是等温流时，= = o 。= 1 当e 。是变温流时，= o ，= o 。 加热器的热负荷为：如= 纯， 令或。曲= q 。晌一鲰。，用同样的方法确定用豌幽的热公用工程加热其 他冷流的最高温位部分，直至热公用工程的用量之和等于最小热公用工程 q 。曲为止。 ( 3 ) 将剩余物流按步骤( 1 ) 重新排序。剩余物流指尚未确定换热方式的物流。 ( 4 ) 取出排序后的最后一股冷流和最后一股热流，根据它们进出口温度，热容 流率以及换热负荷的关系，确定图表中与之对应的情况，调用相应的子函 数，确定换热方式。剩余的物流段作为一股流放回原来排序中该流所在的 位置。若有分流，则把剩余分流部分放在其他物流最后。 ( 5 ) 做完( 4 ) 步骤时，如果一股冷流或一股热流已全部匹配，并且排在此被 匹配的物流后的一股物流与被匹配的物流是同一工艺流，则剩余的物流不 再重新排序，返回步骤( 4 ) 。这样就可使在确定换热方式时虽然是分段的， 但得到的换热器在换热网络中是相同的冷、热物流连续地换热，可以合并 成一个换热器。 扯m i n 是最小传热温差，一般取5 - 2 0 。若想得到热回收量大一些的网 络，出曲可取小些：若想得到总换热面积小一些的网络，f i n i n 可取得大 些。根据前面最大热回收量的计算方法，采用一系列不同的垃曲值，作 灵敏度分析，得到最佳的最小传热温差。在保证热回收量的前提下，应尽 量取f 曲大一些，这样就使在热回收量最大的条件下换热网络的面积趋 于最小。 在换热网络中，冷、热物流匹配换热有约束时，即不允许某些冷、热 1 9 浙江大学硕士学位论文 物流之间匹配换热，若在排序后取出的最后一股热流和最后一股冷流允许 匹配换热，确定换热方式；若不允许换热，则取出允许与最后一股热流匹 配换热且出口温度为最高的冷流确定换热方式；若所有的冷流都不允许与 最后一股热流匹配换热，则采用冷公用工程冷却此股热流。 比值w t 。厂w 。或者w 。厂w h 是用于控制物流分流的约束条件，如果不允 许物流分流，则从图中只找到不分流的对应情况确定换热方式即可；如果 允许物流分流，在确定换热方式时，需首先判断是否满足分流条件。 ( 6 ) 如果还有剩余的热流和冷流，则返回步骤( 3 ) ，否则把剩余的冷流或热流 用公用工程换热。 ( 7 ) 计算实际冷公用工程总用量如和热公用工程总用量，实际热回收量 q 。 经过以上步骤，就可以得到最优或接近最优的换热网络。 2 4 换热网络的优化方法 2 4 1 实际中可采用的具体措施 根据夹点技术确定了全系统的“瓶颈”后，接下去就是对这一过程系统的用 能状况进行调优。通过利用夹点技术诊断出该过程系统中用能状况不合理的环 节，并以此为依据，通过改变换热流股间的匹配，或去掉一些不合理的加热器或 冷却器或通过改变某些密集型单元或子系统的工艺参数、进料状态，使它们能够 处于背景过程中恰当的位置等措施，来改善系统的用能状况。在实际中可采用的 具体措施如下【3 1 1 ： 1 ) 对于换热器网络，要恰当地减小过大的传热温差，以降低有效能损失； 2 ) 对于能量子系统，应当改变其工艺条件来把它调整至过程系统中合理的 位置； 3 ) 对于精馏塔，可提高或降低其操作压力，或对进料预热、引进中间再沸 器和中间冷却器，来降低塔本身的能耗以及增大塔与系统的热集成； 4 ) 改进工艺流程，采用高效的能量转换设备； 浙江大学硕士学位论文 2 4 2 最优夹点温差的确定 对于夹点问题，不管为何值，总是既需加热器又需冷却器。图2 4 示出 了夹点温差与费用的关系。从图中可知当增大时，回收的能量减少，所需 公用工程量增加，能量费用增加。但乙增大时，传热温差增大从而传热面积 减小导致设备费用降低。在两个因素的影响下，总费用将会出现一个最小值，即 最优夹点温差。 最优夹点温差的确定大致有三种方法： ( 1 ) 根据经验确定。此时需要考虑公用工程和换热器设备的价格，换热工 质，传热系数等因素的影响。 ( 2 ) 在不同的夹点温差下，综合不同的换热网络，然后比较各网络的总费 用，选取总费用最低的网络所对应的夹点温差。 ( 3 ) 在网络综合之前，依据冷热复合温焓线，通过数学优化估计最优夹点 温差。 图2 4 夹点温差与费用关系图 2 l 浙江大学硕士学位论文 第三章应用技术介绍 3 1j 2 e e 架构 3 1 1j 2 e e 应用程序模型 j 2 e e ( j a v a2p l a t f 0 咖e n t e 印r i s ee d i t i o n ) 是美国s u i l 公司推出的一种全新 概念的模型，与传统的互联网应用程序模型相比有着不可比拟的优势。当今许多 企业都需要扩展他们的业务范围，降低自身经营成本，缩短他们和客户之间的响应 时间，这就需要存在一种简捷，快速的服务于企业，合作伙伴和雇员之间。典型的 说，提供这些服务的应用软件必须同企业信息系统( e n t e 椰s ei i 怕m a t i o n s y s t e m ，e i s ) 相结合，并提供新的能向更为广阔的用户提供的服务。这些服务要 具备以下的特点：高可用性，安全性，可依赖性和可扩展性，保证商业交易的正 确和迅捷。通常这些服务是由分布的应用程序组成的，包括前端数据端和后端数 据源以及它们之间的一层或几层，这些中间层提供了把商业功能和数据与e i s 相 结合的功能。这些中间层把客户端从复杂的商业逻辑中分离出来，利用成熟的 i n t e m e t 技术使用户在管理上所花费的时间最小化。j 2 e e 正式降低了开发这种 中间层服务的成本和复杂程度，因而使得服务可以被快速的展开，并能够更轻松 的面对竞争中的压力【3 1 弓2 】。 j 2 e e 使用多层的分布式应用模型，应用逻辑按功能划分为组件，各个应用 组件根据他们所在的层分布在不同的机器上。事实上，s u i l 设计j 2 e e 的初衷正 是为了解决两层模式( c l i e 州s e r v e r ) 的弊端，在传统模式中，客户端担当了过多的 角色而显得臃肿，在这种模式中，第一次部署的时候比较容易，但难于升级或改 进，可伸展性也不理想，而且经常基于某种专有的协议一通常是某种数据库协议。 它使得重用业务逻辑和界面逻辑非常困难。现在j 2 e e 的多层企业级应用模型将 两层化模型中的不同层面切分成许多层。一个多层化应用能