[发明专利]一种包含非等温相变流体的换热网络最小冷公用工程需求的确定方法

摘要

一种包含非等温相变流体的换热网络最小冷公用工程需求的确定方法，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，进而根据各温区累积热流量的大小和方向确定换热网络的最小冷公用需求。本发明能获得可靠的热流量计算结果，正确地估计换热网络的最小冷公用工程需求情况。

主权项

一种包含非等温相变流体的换热网络最小冷公用工程需求的确定方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：1)提取流体的工艺参数和物性数据物流的工艺参数和物性数据包括：组成，流量，进口温度T_in，出口温度T_out，焓和比热容，采用流体实际的温焓物性关系；2)设置换热网络的最小传热温差ΔT_min3)进行冷、热流体温度修正将冷流体的温度升高ΔT_min/2，将每股热流体的温度降低ΔT_min/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ΔT_min的要求，冷、热流体温度修正分别参照公式(1)‑(2)：$T_{C,j}^{*}=T_{C,j}+{\mathrm{\ΔT}}_{\min }/2---\left(1\right)$$T_{H,i}^{*}=T_{H,i}-{\mathrm{\ΔT}}_{\min }/2---\left(2\right)$在式(1)‑(2)中，ΔT_min为步骤2)指定的最小传热温差；T_H,i和T_C,j分别为热流股i和冷流股j的实际温度；T^*_H,i和T^*_C,j分别为热流股i和冷流股j进行温度修正之后的温度；4)划分原始温度区间以步骤3)中冷、热流体修正之后的进、出口温度为依据，划分温度区间，将所有冷、热流体经步骤3)修正之后的进口温度和出口温度按从高到低的顺序排列，记为：T₁、T₂、…、T_N1、T_N1+1，其中N1+1为温度端点的个数，所划分的温区个数为N1，温区编号从1到N1，第k个温区[T_k，T_k+1]以温度范围T_k+1到T_k定义，且T_k＞T_k+1；5)计算各温区内的可用热量在步骤4)所划分的每一温度区间，根据热力学第一定律，基于流体真实的温焓关系，计算各个温度区间内可用热量随温度的数值变化关系，参照公式(3)‑公式(7)：$Q_k\left(T\right)=\underset{i\∈{\left\{\mathrm{hot}\right\}}_k}{\mathrm{\Σ}}(H_i\left(T_k^h\right)-H_i\left(T^h\right))-\underset{j\∈{\left\{\mathrm{cold}\right\}}_k}{\mathrm{\Σ}}(H_j\left(T_k^c\right)-H_j\left(T^c\right))---\left(3\right)$$T_k^h=T_k+{\mathrm{\ΔT}}_{\min }/2---\left(4\right)$$T_k^c=T_k-{\mathrm{\ΔT}}_{\min }/2---\left(5\right)$T^h＝T+ΔT_min/2                                    (6)T^c＝T‑ΔT_min/2                                    (7)在式(3)‑(7)中，Q_k(T)为第k个温度区间内的可用热量，可用热量的大小随温度T变化；温度T∈[T_k+1,T_k]；{hot}_k代表第k个温度区间内所有的热流股构成的热流体集；{cold}_k代表第k个温度区间内所有的冷流股构成的冷流体集；k＝1,2,3,…,N1；流体的焓H为温度和流量的函数；为热流体i在温度处的焓，温度由公式(4)计算；H_i(T^h)为热流体i在温度T^h处的焓，温度T^h由公式(6)计算；为冷流体j在温度处的焓，温度由公式(5)计算；H_j(T^c)为冷流体j在温度T^c处的焓，温度T^c由公式(7)计算；6)判断各个温度区间内是否存在热流方向的转折利用步骤5)得到的各个温度区间内可用热量随温度的数值变化关系，寻找各个温区可用热量的极值点，极值点是指可用热量随温度的变化关系发生了改变，从温区1到温区N1，分别找出每个温区内所有的可用热量的极值点；7)重新划分温度区间将步骤4)中所有原始温区的温度端点与步骤6)找到的极值点相对应的温度点合并在一起，按从高温到低温的顺序排列，重新划分温度区间，温区个数记为N2，温度区间端点数为N2+1；8)重新计算每个温度区间的可用热量在步骤7)新划分的温度区间的基础上，根据公式(3)‑公式(7)，重新计算所有温度区间内的可用热量；9)计算各温区的累积热流量在步骤7)所划分的每一温度区间，计算每个温度区间可以传递到下一个温度区间的累积热流量，参照公式(8)：$C_k=C_{k-1}+\underset{i\∈{\left\{\mathrm{hot}\right\}}_k}{\mathrm{\Σ}}(H_i\left(T_k^h\right)-H_i\left(T_{k+1}^h\right))-\underset{j\∈{\left\{\mathrm{cold}\right\}}_k}{\mathrm{\Σ}}(H_j\left(T_k^c\right)-H_j\left(T_{k+1}^c\right))---\left(8\right)$在公式(8)中，C_k为从第k个温区传递到第k+1个温区的累积热流量；C₀＝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，C_k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；10)确定最小热公用工程需求从步骤9)得到的温区1到温区N2的累积热流量，找到累积热流量的最小值C_min，并确定最小热公用工程需求Q_h，参照公式(9)‑(10)：C_min＝min[C₀:C_N2]                                 (9)Q_h＝‑C_min                                         (10)外界至少需要提供热量Q_h，才能使得所有温区的累积热流量均不为负值，以满足所有温区的热量需求，此时换热网络内部的热回收量最大；11)确定最小冷公用工程需求将每个温区的累计热量加上Q_h，即为外加热公用工程之后每个温区的热流量，此时最后一个温区的累积热流量即为最小冷公用工程需求，并且换热网络内部的热回收量达到最大值，参照公式(11)确定最小冷公用工程需求量Q_c：Q_c＝Q_h+C_N2                              (11)。