基于虚拟温度法的间歇过程换热网络结构优化

在用虚拟温度法得到的间歇过程换热器网络综合的基础上,对间歇过程换热网络的结构优化问题进行了研究。主要内容包括:在以时间段模型为基础,用虚拟温度法综合间歇过程得到的直接换热网络的基础上,寻找各时间间隔的子换热器网络内的热负荷回路;以一定的规则断开回路,对总换热器网络进行结构优化,使最后的总换热网络既能够减少换热单元数目,又满足年度总费用最小。     

换热网络优化的研究进展及前景展望

介绍了夹点设计法、双最小换热温差法、数学归纳法、神经网络模型法、遗传算法等的研究进展情况,同时对换热网络发展进行了展望。     

换热网络多级综合模糊评价模型的研究

在换热网络中考虑经济因素和工程质量因素,建立换热网络多级综合模糊评价模型,从而对换热网络做出评判。工程指标体系的权重系数和评价等级在研究过程中可以是虚拟的,但在实际工程中这些数据则应该由专门的评估专家来确定。     

换热网络多级综合模糊评价模型

在换热网络中考虑经济因素和工程质量因素,建立换热网络多级综合模糊评价模型.从而对换热网络做出评判.工程指标体系的权重系数和评价等级在研究过程中可以是虚拟的,但在实际的工程中,这些数据则应该由专门的评估专家来确定.     

换热网络控制分析与设计研究进展

回顾了近年来对换热网络可控性方面的研究,即分析了当前换热网络的两种控制策略:控制性能指数法和旁路优化控制方法。阐述了这些方法的优点和尚待改进的问题,并指出换热网络的设计应同时考虑工艺与控制两方面。提出了工艺与控制集成的设计方法的具体研究思路,并指出换热网络工艺与控制集成设计的方法将成为今后换热网络设计与控制方面研究的发展方向。     

基于虚拟温焓图法的换热网络结构优化

在虚拟温焓图法的基础上,提出断开热负荷回路的规则,建立数学模型证明提出的规则,应用提出的规则对换热网络进行结构优化。通过换热网络结构优化的方法能减少换热器的个数和总费用,最后该方法应用于实例中证明方法的有效性。     

考虑系统可靠性分析的柔性换热网络综合

基于虚拟温-焓图法与遗传/模拟退火算法,提出了一种考虑系统可靠性水平的柔性换热器网络综合方法。为简化求解问题的复杂度,首先通过虚拟温-焓图法得到了柔性网络匹配,对于得到的网络结构,通过网络结构的连接矩阵分析网络之中的连接状况,搜索出换热网络中存在关联的换热器单元,以关联的换热器作为主线识别出网络之中不相关的子系统,根据包含换热器单元个数最多的不相关的子系统含有换热器的数量,计算出换热网络系统的可靠性。对于未能满足网络系统可靠性要求的网络结构,通过去掉与其它换热器相关联总数最多的换热器,进行网络解耦,改变换热网络的关联状况,提高了系统的可靠性。换热网络结构改变后,采用遗传/模拟退火算法对热负荷回路中相关换热器的热量分配和换热面积进行计算,得出满足系统可靠性需求,并且总费用最为节约的网络结构。本文所提出的方法可以将需要改善系统可靠性的网络结构系统可靠性提高至设计的容许范围,适用于包含系统可靠性分析的柔性换热网络综合。计算实例表明了所提方法的实用性与可行性。     

带有热储罐的间歇过程换热网络综合

间歇过程流股对时间的依赖性增加了其换热网络综合的难度。提出了一种采用间接换热进行换热网络综合的方法,且考虑了直接换热,同时提出了合并热储罐的方法,并利用热储罐的特点合并间接换热中的换热器,用以减少设备费用,以热储罐中介质的温度为变量以年度总费用最小为目标函数建立非线性规划数学模型,确定热储罐内介质温度,最后将该方法应用于实例中证明此方法的有效性。     

计算机辅助换热网络两步法优化综合

本文提示了换热网络优化综合的两步法.第一步为应用夹点设计法(PD法),在给定的最优夹点传热温差的基础上,综合出一初始的优化网络.本文通过对夹点概念的理论分析,推导出求取最优夹点温差的解析式.计算实例表明,利用此解析式求取最优夹点温差值具有计算简便、准确的优点.第二步为在第一步所获得的初始优化网络的基础上,建立换热网络优化综合非线性规划数学模型,其目标函数为投资和年操作费用,其约束条件为各换热器及分流器、混合器的物料平衡、热量平衡、传热方程等等.应用逐次二次规划法优化软件VMCON进行求解.计算实例表明:经过非线性规划法优化所得的换热网络,其费用比仅由第一步所获得的初始优化网络下降14%,比由其它调优方法所改进的换热网络也要好.为了工程上使用的方便,将上述方法开发成一换热网络自动综合积成软件,该软件包括:1.扩展表格程序.该程序将换热网络综合问题的原始数据和综合结果通过此表格输入或输出.2.3DPLOT绘图程序.它可将冷、热物流匹配关系以图形方式绘出.3.换热网络综合程序.该程序应用夹点设计法对给定的冷、热物流进行网络综合,产生一初始优化网络.4.换热网络模拟程序.对已知结构及尺寸的换热网络进行模拟计算.5.标准换热器数据库.它包括若干标准换热器的尺寸和性能等数据.并     

换热网络模拟软件的开发及工程应用

对换热流程做模拟计算是检查换热流程当前运行状态和当工艺条件变化时其适应性的有效手段。换热网络模拟计算软件也是工艺设计人员的有力计算工具。该软件采用先进的网络新分解法，速度快、收敛稳定、可靠性高、具有很高的实用价值。     

基于流股虚拟温度综合大规模多流股换热器网络

Effective temperature level of stream, namely stream pseudo temperature, is determined by its actual temperature and heat transfer temperature difference contribution value. Heat transfer temperature difference contribution value of a stream depends on its heat transfer film coefficient, cost per unit heat transfer area, actual temperature, and so on. In the determination of the suitable heat transfer temperature difference contribution values of the stream, the total annual cost of multistream heat exchanger network （MSHEN） is regarded as an objective function, and genetic/simulated annealing algorithm （GA/SA） is adopted for optimizing the heat transfer temperature difference contribution values of the stream. The stream pseudo temperatures are subsequently obtained. On the basis of stream pseudo temperature, optimized MSHEN can be attained by the temperature-enthalpy （T-H） diagram method. This approach is characterized with fewer decision variables and higher feasibility of solutions. The calculation efficiency of GA/SA can be remarkably enhanced by this approach and more probability is shown in searching the global optimum solution. Hence this approach is presented for solving industrial-sized MSHEN which is difficult to deal by traditional algorithm. Moreover, in the optimization of stream heat transfer temperature difference contribution values, the effects of the stream temperature, the heat transfer film coefficient, and the construction material of heat exchangers are considered, therefore this approach can be used to optimize and design heat exchanger network （HEN） with unequal heat transfer film coefficients and different of construction materials. The performance of the proposed approach has been demonstrated with three examples and the obtained solutions are compared with those available in literatures. The results show that the large-scale MSHEN synthesis problems can be solved to obtain good solutions with the modest computational effort.     

逆向传热

对换热器设计中经常遇到,同时又易于忽略的温度交叉和逆向传热进行了深入的探讨并指出其弊病。通过换热器的严格法计算机模拟,对某烃-水换热器,完成规定的热负荷;若采用单台换热器,存在6.5℃的温度交叉,需面积229m2,若采用2台串联,既避免了逆向传热,面积还降低到78m2。通过对于最常用的3类换热器分析得到以下结论:由于存在逆向传热的风险以及对数平均温差校正因子过低,单壳程、双管程换热器不允许存在温度交叉;而对于单壳程、单管程和双壳程、双管程2类换热器,允许存在温度交叉,且无逆向传热之虞。最后指出了解决逆向传热的方法。     

大型复杂过程系统用能的诊断与调优

针对大型复杂过程系统用能的诊断与调优，发展了夹点分析（夹点技术）方法。提出采用虚拟温度法，确定各流股匹配换热的传热温差；将过程的夹点分析区分为操作型夹点计算与设计型夹点计算两个层次：操作型夹点计算用于过程用能的诊断；设计型夹点计算指导过程用能的调优。基于以上改进，开发了大型复杂过程系统用能诊断与调优策略，并应用于国内某厂乙烯装置的节能改造，可使该装置吨乙烯能耗降低４．１８７ＧＪ。应用表明本文提出的方法是指导大型复杂过程系统用能诊断与调优的有利工具。     

以最佳型壁温度为目标优化注塑模冷却系统设计

以达到注塑件模具的某一模温为优化目标，考虑了模板热传导阻力和水对冷却水道壁的给热系数，用试差法求解冷却水道一边所需的传热面积，并完成冷却系统的设计计算。     

基于非逆流传热的热交换网络系统的3E优化

考虑非逆流传热对换热设备传热温差、壳数和面积的影响，对包含非逆流换热设备的热交换网络系统进行优化设计。基于非等温混合分流分级超结构，采用能源、经济和环境（3E）综合评价指标，引入温差修正系数，建立了热交换网络多目标混合整数非线性规划（MO-MINLP）模型，并基于非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）提出了系统性的求解策略和求解方法。应用案例研究表明，涉及非逆流传热的热交换网络，其优化设计结果与基于纯逆流换热假设的设计结果有很大区别，且仅对基于纯逆流换热假设的设计结果进行修正并不能得到最优解，必须在建模中考虑温差修正效应的影响，从而保证设计结果的优化性、可靠性和实用性；3E评价反映了热交换网络系统在经济、能耗和环境影响之间的权衡和约束关系，使系统的设计更加实际，同时多目标的优化方法不但可以获得与单目标经济优化相当的最经济的结果，而且提供了多样性的优化解集供选择，提高了设计的灵活性，可以满足不同的设计需求。     

考虑间接换热额外换热温差的间歇过程储热集成

间歇过程流股间换热有直接换热和间接换热两种方式,通过储热介质进行间接换热会产生额外的换热温差。现有的夹点分析方法考虑间接换热额外换热温差后,难以得到经济且可行的储热集成方案。本文在夹点分析的基础上,提出了一种考虑间接换热额外换热温差的间歇过程储热集成方法。该方法首先使用不同的直接换热和间接换热温差进行热级联分析,确定储热集成后的最小冷、热公用工程用量,识别储热位置和储热量,并依据热级联分析结果,建立时间段温焓图确定储热介质温度,得到储热方案。然后,将储热流股转化为放热时间段的冷流股和需热时间段的热流股,进行换热网络综合与优化,得到符合实际应用的储热集成方案。最后,通过经典实例证明了所提方法的可行性和有效性。     

Influence of Impingement Temperature and Nozzle Geometry on Heat Transfer—Experimental and Theoretical Analysis

Based on the earlier studies the most common empirical correlations in the literature predict the impingement heat transfer coefficients rather well at low (close to 100°C) temperatures, but get inaccurate at higher temperatures. Impingement temperatures used in paper drying applications are typically 300 to 700°C, and there has been a need to improve the existing heat transfer correlations at high temperature area. This study presents experimental results of impingement heat transfer measurements with a laboratory-scale heat transfer test rig. Five nozzle configurations were measured. The parameters varied in the investigation were nozzle-to-plate distance, nozzle open area, nozzle diameter, impingement velocity and impingement air temperature. Regression model of heat transfer was developed based on the measurement data. A correction factor including the impingement and heat receiving surface temperatures is proposed. The correction factor can be used to improve the existing correlations at large jet to heat receiving surface temperature differences.     

换热器壳程进出口折流区传热温差损失分析

对管壳式换热器壳程进出口折流区的传热温差作了分析,以换热器热流体与冷流体的出口温度比例α表征换热器的换热深度,探讨了换热器换热深度与长径比的关系。采用流路分析方法,对换热器壳程折流区域的传热性能进行了数学分析,并与纯逆流情况作了对比。结果表明:换热器折流区域的传热温差较逆流区域传热温差的偏离量会随α的改变而产生变化,为避免偏移量过大应控制折流区域面积占总传热面积的比例。α1时,为使传热温差偏移小于5%应使折流区域面积占总传热面积的比例小于0.6/R1 a,c。揭示了现有换热器结构大型化之后难以实现α1的原因,并给出一种可以改进传统大型管壳式换热器长径比锐减、换热深度受限的有效结构——壳程多通道结构。     

Influence of Impingement Temperature and Nozzle Geometry on Heat Transfer—Experimental and Theoretical Analysis

Abstract

Based on the earlier studies the most common empirical correlations in the literature predict the impingement heat transfer coefficients rather well at low (close to 100°C) temperatures, but get inaccurate at higher temperatures. Impingement temperatures used in paper drying applications are typically 300 to 700°C, and there has been a need to improve the existing heat transfer correlations at high temperature area. This study presents experimental results of impingement heat transfer measurements with a laboratory-scale heat transfer test rig. Five nozzle configurations were measured. The parameters varied in the investigation were nozzle-to-plate distance, nozzle open area, nozzle diameter, impingement velocity and impingement air temperature. Regression model of heat transfer was developed based on the measurement data. A correction factor including the impingement and heat receiving surface temperatures is proposed. The correction factor can be used to improve the existing correlations at large jet to heat receiving surface temperature differences.     

基于全周期缓慢结垢的多效蒸发海水淡化慢时变系统优化设计

多效蒸发（MED）是最主要的海水淡化方法之一,作为典型的慢时变系统,该系统在长期运行的过程中,往往会由于结垢导致蒸发器传热效率降低,造成减产甚至停工。为避免出现这种问题,工艺设计者会采取冗余设计,增大传热面积,这会导致设备投资的显著增加。为保证MED系统能够全周期运行,且尽可能减少总传热面积,提出了一种全周期优化设计方法。该方法以总传热面积最小为目标,对决策变量在整个周期内进行分段优化,同时考虑结垢过程、工艺变化以及控制方面的需求,对各效传热面积进行裕量设计,通过一步优化求解得到最优操作条件与最小传热面积,实现对慢时变系统的优化设计。最后,以八效MED海水淡化装置为例,同时用等面积法、等温差法、稳态优化设计方法以及全周期优化设计方法对系统进行设计。结果表明,全周期优化设计方法能够最大限度减少传热面积,大大降低了系统的设备投资,是一种有着良好应用前景的多效蒸发海水淡化系统优化设计方法。