Пинч / Смит Р.,Клемеш Й.,Товажнянский Л.Л.,Капустенко П.А.,Ульев Л.М.-- Основы интеграции тепловых процессов (2000)

10000 кВт

7500 кВт

9000 кВт

3000 кВт

4000 кВт

60	Глава 2

кВт добавляются первому температурному интервалу от горячих внешних энергоносителей. Это не изменяет тепловой баланс в пределах каждого температурного интервала, но увеличивает все тепловые потоки между ин- тервалами на 7500 кВт, делая один из тепловых потоков равным нулю, а именно, тепловой поток между интервалами с температурной границей равной 145оС. Первому температурному интервалу может быть подведена мощность от горячих утилит большая, чем 7500 кВт, но для установления

целевых энергетических значений мы должны установить минимальное значение мощности внешних утилит, необходимое для проведения процес- са.

245OC QHmin

H = -1500

235OC

H = 6000

195OC

H = -1000

185OC

145OC	H = 4000	0 кВт
				Пинч
O	H = -14000	14000	кВт	T пинч = 145OC
75 C				T пинч = 150OC для горячих потоков
35OC	H = 2000	12000	кВт	T пинч = 140OC для холодных потоков

H = 2000

25OC

QCmin

Рис. 2.22. Результаты, получаемые с помощью каскада тепловых потоков: Н – тепло- вой баланс температурного интервала, кВт

Из рисунка 2.21б следует, что QHmin=7500 кВт, а QCmin=10000 кВт. Эти значения согласуются с величинами, полученными нами при построе-

нии составных кривых на рис. 2.14.

Построение теплового каскада позволяет получить ещё одну очень важную информацию – информацию о локализации пинча в рассматривае- мом процессе. Значение температуры, при котором тепловой поток на гра-

Введение в пинч–принципы	61

нице интервалов равен 0, соответствует расположению пинча и обычно на- зывается пинч точкой (рис. 2.22). Таким образом, реальные пинч темпера- туры для горячих и холодных потоков соответственно равны 150 оС и 140оС. Этот результат также совпадает с результатом, полученным из по- строения составных кривых (рис. 2.14).

Начальное построение теплового каскада (рис. 2.21а) соответствует ситуации, когда вертикально сдвинутая на Тmin/2 холодная составная кри- вая перемещена влево относительно сдвинутой вертикально на - Тmin/2 го- рячей составной кривой на величину мощности, которая должна поступать к процессу от горячих утилит (рис. 2.18). Построение теплового каскада

для нулевых или положительных величин тепловых потоков на границах температурных интервалов (рис. 2.21б) соответствует построению сдвину- тых составных кривых на рис. 2.18.

Сделаем некоторое обобщение пройденного материала и выводы из

него.

Табличный алгоритм задачи состоит из следующих шагов: 1. Корректировка Тmin – правило сдвига.

2.Установка границ новых температурных интервалов.

3.Вычисление температурных балансов в температурных интерва- лах.

4.Построение теплового каскада без потребления внешней энергии.

5.Построение каскада положительных тепловых потоков.

Врезультате выполнения этого алгоритма мы устанавливаем значе-

ния QHmin, QCmin и место локализации пинча без рисования графиков. Сравнивая метод построения составных кривых и табличный алго-

ритм, мы можем сказать, что первый необходим для концептуального по- нимания процесса, а второй более удобен в практических расчетах.

2.3.Деление системы потоков ХТС на тепловой сток и тепловой источник и взаимодействие между ними

Впункте 2.1 мы познакомились с техникой построения составных кривых технологических процессов ХТС, с помощью которых можно оп-

ределить целевые энергетические значения при проектировании системы теплообмена. Мы видели, что если сблизить кривые (помним, что перенос составных кривых может осуществляться только горизонтально, вдоль эн- тальпийной оси), то они будут касаться в одной точке, которая называется пинчем рекуперации теплоты или коротко пинч-точкой (рис. 2.23). В этой точке движущие силы теплопередачи равны нулю, и для передачи конеч-

ного значения тепловой энергии требуется бесконечно большая площадь

62	Глава 2

поверхности теплообмена, что физически не осуществимо. Но такое по- строение имеет важное значение, т.к. определяет абсолютный предел для возможного значения рекуперируемой энергии в рассматриваемом про- цессе – область перекрытия составных кривых вдоль энтальпийной оси

(рис. 2.23).

Составные кривые, построенные для реального процесса, будут на-

QHmin

T

"ПИНЧ"

QCmin

H

Рис. 2.23. Пинч устанавливает абсолютные пределы для процесса рекуперации тепло-

ты

ходиться в области наибольшего сближения по температурной оси на рас- стоянии Тmin. Поэтому пинч температура горячих потоков будет отличать- ся от пинч температуры холодных потоков (рис. 2.24). Оптимальное значе- ние Тmin определяется из экономического компромисса между двумя конкурирующими зависимостями – зависимостью стоимости внешних ути- лит от Тmin и зависимостью величины капитальных вложений в проект от

Тmin (рис. 2.16). Предположение, что величина экономически корректного значения Тmin известна, фиксирует относительное положение составных кривых и позволяет определить целевые энергетические значения QHmin и QCmin. Значением Тmin также определяется возможная рекуперация тепло- вой энергии с помощью сети теплообменных, в которых теплоносителями являются горячие и холодные технологические потоки.

Поскольку значение Тmin должно быть минимальной разностью температур в системе, то, очевидно, минимальная разность температур ме-

Введение в пинч–принципы	63

T	QHmin

Пинч (Горячие потоки)

Tmin

Пинч (Холодные потоки)

QCmin

H

Рис. 2.24. Для реального процесса пинч температуры холодных и горячих потоков раз-

личны

жду теплоносителями на отдельных аппаратах не должна быть меньше, чем Тmin между составными кривыми.

Внимательно взглянув на диаграмму составных кривых (рис. 2.23, 2.24), мы увидим, что пинч делит рисунок на две части, расположение ко- торых обладает некоторой симметрией относительно пинча. Такая симмет- рия имеет глубокий физический смысл. Действительно, в области ниже пинча по температурной оси или левее его по энтальпийной оси (рис. 2.25) тепловая энергия, потребляемая холодными потоками ХТС, полностью обеспечивается рекуперацией энергии горячих потоков. Оставшаяся часть тепловой энергии горячих потоков отводится к холодным утилитам, или мы можем просто сказать, что она отводится от ХТС хладагентами, напри- мер, холодной водой. Следовательно, ниже точки пинча процесс находится в тепловом балансе с минимальным значением холодных утилит QCmin (рис. 2.25). Тепловая энергия отводится к холодным утилитам и не поступает сюда извне, т.е. процесс ниже пинча работает как источник тепловой энер-

гии (рис. 2.25).

Процесс выше пинча по температурной оси находится в тепловом балансе с минимальным значением горячих утилит QHmin. Здесь холодные потоки используют всю теплоту горячих потоков и дополнительную тепло-

64	Глава 2

T	QHmin

Сток теплоты

Источник

теплоты

Tmin "Пинч"

QCmin

H

Рис. 2.25. Пинч разделяет химико-технологическую систему на тепловой источник и

тепловой сток

ту внешних энергоисточников, т.е. процесс выше пинча работает как теп- ловой сток (рис. 2.25).

Следовательно, мы можем заключить, что пинч делит ХТС или рас-

T	QHmin

ПИНЧ

Ноль

QCmin

H

Рис. 2.26. Тепловой сток и тепловой источник находятся в тепловом балансе со своими целевыми энергетическими значениями QHmin и QCmin, если тепловой поток через пинч

равен нулю

сматриваемый процесс на две энергетически независимые подсистемы, од- на из которых, располагающаяся выше пинча является тепловым стоком и

находится в тепловом балансе с минимальным значением горячих утилит

Введение в пинч–принципы	65

QHmin. Вторая, располагающаяся ниже пинча, является тепловым источ- ником и находится в тепловом балансе с минимальным значением холод- ных утилит QCmin. Тепловой поток между системами равен нулю (рис. 2.26).

T	QHmin

Возможно

Tmin

QCmin

H

Рис. 2.27. Существует возможность передачи теплоты от подсистемы потоков выше пинча к подсистеме потоков, находящейся ниже пинча

Рассмотрим сейчас возможность передачи теплоты между двумя подсистемами, на которые пинч делит ХТС. Рисунок 2.27 показывает, что передача теплоты от горячих потоков, находящихся выше пинча, к тепло- вым потокам, находящимся ниже пинча, возможна. Действительно, пинч температура горячих потоков на DТmin выше пинч температуры холодных потоков, и тогда передача теплоты от горячих потоков системы, находя- щейся выше пинча, к холодным потокам в системе ниже пинча может осу- ществляться с минимальной разностью температур между теплоносителя- ми в индивидуальных теплообменных аппаратах DТ ³ DТmin. Очевидно, что такой теплообмен не будет нарушать требования минимальности DТmin. С другой стороны, передача теплоты от горячих потоков из подсистемы, на- ходящейся ниже пинча, холодным потокам из подсистемы, находящейся выше пинча, без нарушения DТmin не возможна.

Действительно, как видно из рисунка 2.28 максимальная разность

температур между горячими и холодными потоками в этом случае равна DТmin, и тогда при теплообмене между ними наименьшая разность темпе- ратур в индивидуальных теплообменниках, очевидно, будет меньше DТmin, т.е. DТ < DТmin.

66	Глава 2

Давайте предположим, что некоторое количество теплоты ХР пере-

T

QHmin

Tmin

Невыполнимо

QCmin

H

Рис. 2.28. Передача теплоты от подсистемы потоков ниже пинча к подсистеме потоков находящейся выше пинча, невыполнима

дается из подсистемы, находящейся над пинчем, в подсистему ниже пинча (рис. 2.29). Подсистема потоков выше пинча, которая находилась в тепло- вом балансе с QHmin горячих утилит, при таком теплообмене теряет ХР единиц тепловой энергии, передаваемых в подсистему ниже пинча. И для того, чтобы восстановить тепловой баланс нам необходимо увеличить по-

T			QHmin + XP
			е
			ш
			ы
			В
			XP
			е
		ж
	и
	Н

QCmin + XP

H

Рис. 2.29. Передача ХР едениц тепловой энергии поперек пинча приводит к увеличе- нию целевых энергетических значений QHmin и QСmin на величину ХР

Введение в пинч–принципы	67

требление энергии от горячих утилит именно на величину потерь, т.е. на ХР единиц. В подсистеме ниже пинча существует избыток теплоты горя- чих потоков, который отводится холодными утилитами, а мы сюда ещё до- бавляли ХР единиц теплоты. Поэтому холодные утилиты также должны быть увеличены на ХР единиц (рис. 2.29).

Следовательно, если в сети теплообмена ХТС передается ²ХР² еди- ниц энергии от подсистемы ХТС, находящейся выше пинча, к подсистеме ниже пинча, то это увеличивает целевые энергетические значения на ²ХР² единиц как для горячих, так и для холодных энергоносителей. Кратко это можно назвать так:

Реальное потребление = Цели + Передача поперек пинча,

или в виде выражения:

QReal = QT + ХР,

(2.6)

которое называется уравнением пинча.

Подобные эффекты возникают при неправильном использовании

QHmin

T XP

QCmin + XP

H

Рис. 2.30. Передача теплоты от горячих утилит выше пинча, к процессу ниже пинча

внешних утилит. Утилиты используются должным образом тогда, когда

они необходимы для устранения дисбаланса в рассматриваемой части ХТС (рис. 2.24). Например, ниже пинча требуется холодная вода для устранения энтальпийного дисбаланса.

68	Глава 2

Рисунок 2.30 иллюстрирует, что происходит при неправильном ис- пользовании внешних утилит, например, если используется ХР единиц те- плоты пара ниже пинча. Для устранения возникшего дисбаланса в подсис-

теме ниже пинча мы должны увеличить потребление холодных утилит на ХР единиц, т.е. сейчас необходимо использовать (QCmin+ХР) единиц охла- ждающей воды. Выше пинча используется QHmin единиц пара для устране- ния энтальпийного дисбаланса между потоками, и мы ещё используем ни-

QHmin + XP

T

XP

QCmin

H

Рис. 2.31. Передача теплоты от процесса выше пинча к холодным утилитам ниже пин-

ча

же пинча ХР единиц пара, т.е. общее количество используемого пара равно

(QHmin+ХР).

Другое неподходящее использование утилит наблюдается при охла- ждении некоторых горячих потоков выше пинча холодными утилитами, например, охлаждающей водой (рис. 2.31). Пусть для этой цели использу- ется охлаждающая вода, отводящая ХР единиц теплоты. Поскольку под- система потоков ХТС находится в тепловом балансе с QHmin единицами па- ра, использование охлаждающей воды здесь приводит к дисбалансу, устра- нить который можно увеличением потребления пара на ХР единиц. И тогда общее потребление пара будет составлять (QHmin+ХР) единиц. В то же вре- мя подсистема потоков ХТС ниже пинча находится в балансе с QCmin еди- ницами охлаждающей воды, и, следовательно, ее потребление будет равно

(QCmin+ ХР) единицам (рис. 2.31).

Итак мы определили структуру теплового потока поперёк пинча, на- личие которого приводит к увеличению целевых энергетических значений. Он состоит из трёх компонентов (рис. 2.32):

Введение в пинч–принципы	69

∙Подсистема выше пинча → подсистема ниже пинча;

∙Горячие утилиты выше пинча → подсистема ниже пинча;

∙Подсистема выше пинча → холодные утилиты ниже пинча.

Отсюда можно вывести три основных правила, руководствуясь кото-

T	QHmin + XP2+ XP3

XP1

Выше

Ниже

XP2

XP3

XP3

QCmin + XP1+ XP2

H

Рис. 2.32. Три составные части теплового потока через пинч

рыми проектировщик может создать проект с минимальным потреблением внешних энергоносителей для экономически оптимального Тmin:

1.Не должно быть теплопередачи поперёк пинча;

2.Не должно использоваться охлаждение выше пинча;

3.Не должен использоваться нагрев ниже пинча.

Эти три правила пинч анализа играют ключевую роль при создании теплообменных сетей, с помощью которых достигаются целевые энергети- ческие значения, установленные с помощью составных кривых или мето- дом табличного алгоритма. При этом, конечно же, должно выполняться ус- тановленное ранее нами правило, которое гласит, что в теплообменной се-

ти не должно быть теплообменников с минимальной разностью температур меньшей, чем Тmin.