(火积)理论及其在化工过程节能中的应用进展

(火积)和(火积)耗散极值原理的提出,为化工过程系统节能开辟了新的方向。阐述了(火积)的物理意义、(火积)是过程量等(火积)理论的最新研究成果,从(火积)在换热器设计、热力学过程中的不可逆性、换热网络综合等方面的应用情况综述了(火积)理论在化工过程系统节能中的最新应用进展。重点围绕(火积)耗散率与熵产率的异同点比较分析、(火积)耗散极值原理与换热网络综合结合等方面,阐述了(火积)理论的科学性。     

传热理论新概念与玻璃熔制工艺节能分析

介绍了与传热过程密切相关优化的传热理论新概念,推介了表征传热能力的新物理量——“(火积)”及在热能传递过程中伴随的(火积)耗散。(火积)不但表征了传递过程中的热能大小,更表征了热能品质(温度)的高低,(火积)越大,热传递能力越强。为实现玻璃熔制工艺的大幅节能,必须把热能按品质(火积)高低来区分使用,在可以使用低品质热能的工段尽量使用低品质热能,在需求使用高品质热能的工段尽量分配高品质热能。只有把可使用低品质热能工段中错配的高品质热能节约出来,才是真正有效的节能。     

一维换热器中温差场均匀性原则的证明

换热器的温差场均匀性原则是一个唯象原理,还没有得到理论上的证明。采用变分方法,用火积耗散极值原理对两股流和三股流一维换热器的传热过程进行了优化,表明不管是给定换热量寻求火积耗散最小,还是给定火积耗散寻求换热量最大,均应使冷热流体的温差场完全均匀,从而初步证明了换热器温差场均匀性原则的正确性。     

三螺旋折流板换热器多流路通道流动与传热数值模拟

为了增加大螺旋角下单位长度换热管上螺旋折流板数量提高换热,提出三螺旋折流板导流结构,对设置三螺旋折流板后壳程流体的流动与传热进行了数值模拟,重点考察了Reynolds数Re=1391~4174时的壳程压降及对流传热系数,与设置单螺旋折流板的对比结果表明:三螺旋折流板换热器壳程对流传热系数高27.9%,JF因子高13.67%,综合传热性能更好。在此基础上运用(火积)耗散理论分析了三螺旋折流板采取不同螺旋角时对换热效率的影响,发现由传热引起的(火积)耗散率随Reynolds数变化规律与壳程对流传热系数随Reynolds数的变化规律类似,相同流量条件下螺旋角为64.8°的换热器(火积)耗散率最小。另外,中心换热管与壳壁附近换热管的传热系数比较结果显示,中心管热交换量均低于壳壁附近换热管热交换量。     

基于火积耗散热阻的内置双旋线换热管性能研究

基于换热器火积耗散热阻理论,采用三维数值模拟计算方法,以水为流动介质,分别对内置双旋线外径为9mm、12mm、15mm、18mm的换热管的管内流场和火积耗散热阻进行研究,分析了内置双旋线换热管的传热和流动特性,结果表明：内置双旋线换热管内流体呈现三维螺旋状流动,管壁面附近周向和径向速度明显增强,从而中心区域流体和壁面附近流体充分混合;内置双旋线换热管的换热量与其积耗散热阻相对应,积耗散热阻越小,换热量越大;内置双旋线换热管的积耗散热阻随着雷诺数的增大而减小;内置双旋线换热管的协同性均优于光管,说明内置双旋线换热管具有良好的综合换热性能.     

图与对称群在换热网络综合问题中的应用

引　言换热网络综合是过程系统的一个重要子系统 ,是化工与炼油等过程工业能量回收的主要组成部分 ,对降低能耗具有重要意义 .关于换热网络综合问题 ,近年来提出多种方法 .根据方法的性质和侧重面的不同 ,解决换热网络综合问题的方法主要有Ｈｏｈｍａｎｎ[1] 提出的当给定冷热物流数据即可确定出最小公用工程用量及所需的最小设备单元数、Ｌｉｎｎｈｏｆｆ[2 ] 提出的以夹点技术为代表的热力学目标法和Ｆｌｏｕｄａｓ与Ｇｒｏｓｓｍａｎｎ等[3] 的采用了基于优化算法的数学规划法 .方海鹏等[4 ] 应用遗传算法对大规模换热网络综合问题进行了…     

基于火积理论的螺旋折流板换热器结构优化

首次应用火积理论对螺旋折流板换热器进行优化结构分析。选取50%搭接的18°和27°的螺旋平面折流板换热器和改进的螺旋折面折流板换热器作为研究对象,且分别应用传热性能综合评价(PEC)准则和火积耗散理论对实验数据进行了分析。结果表明:随着有效度和传热单元数的增加,火积耗散数均减小。18°螺旋折流板换热器的性能明显优于27°螺旋折流板换热器,且在有效度或传热单元数相同的情况下,改进后的螺旋折面折流板换热器的性能也均优于螺旋平面折流板换热器。火积耗散理论与PEC准则分析结果的一致性,证明了火积理论对螺旋折流板换热器性能分析的适用性。同时发现,传热火积耗散数的大小是阻力火积耗散数的上千倍,说明传热火积耗散在总火积耗散中占重要地位。这对火积理论应用于螺旋折流板换热器的传热和阻力性能研究具有重要意义。     

化学工业出版社图书推荐

《化工节能原理与技术》(第二版)　冯霄主编,2 8元本书系统介绍了化工节能的理论与技术.包括节能的热力学原理,单元过程与设备的节能技术,过程系统节能技术中的夹点技术,以及采用过程集成方法使新鲜水用量和废水排放量最小的水系统的集成技术.本书内容系统、全面,学科体系较完整,概念清晰,理论联系实际,实用性较强.《超滤技术与应用》　华耀祖主编,38元本书是《膜分离技术与应用丛书》(共七册)中的一本,全面介绍了超滤技术的基本知识、基本原理和工业应用.其中,第1～3章介绍了超滤膜的基本概念、结构、性质、性能表征及制备方法.第4～8章介…     

基于(火积)的SSOT装置换热网络能量利用效率的分析研究

(火积)的概念可以描述物体传递热量的能力,基于(火积)的能量利用效率可作为评价热量合理利用的依据。建立基于(火积)的换热网络的能量利用效率的数学模型,并提出相应的计算步骤,以最大能量回收为目标,通过对某单段单程加氢裂化(SSOT)实际生产装置进行换热网络能量利用效率的分析研究,验证(火积)传递效率的合理性。结果表明:分析SSOT装置的原始换热网络时,得出公用工程HU1、HU3、CU6、CU7的(火积)耗散率较大,分别为36.25%、35.36%、85.50%和68.97%,而基于的概念得到公用工程HU3、CU6、CU7的损率较大,分别为37.83%、17.98%和13.95%,则(火积)传递效率比效率分析换热网络的能量利用情况更加精确。选取最小传热温差ΔT_(min)=15 K后,(火积)传递效率从57.18%增加到76.45%,节约公用工程52.53%,效率从59.62%增加到83.31%,节约公用工程60.61%,进一步说明(火积)传递效率能够用来分析换热网络中的能量利用情况。     

基于熵分析法和(火积)分析法的换热网络适应性比较

熵和(火积)是传热过程不可逆性的度量,可以通过分析不可逆损失来评价换热网络中能量的利用情况。针对换热网络存在不可逆性的问题,首先建立了基于熵分析法和(火积)分析法的换热网络能量利用效率的数学模型,然后以最大能量回收为目标,分别对某炼化企业的单段单程加氢裂化(SSOT)装置进行换热网络分析,比较了两种方法对该装置换热网络优化的适应性,并验证了熵分析法是否适用于分析复杂换热网络。结果表明,分别取最小传热温差?T_(min)=15K、20K、25K,熵分析法计算的热力学第二定律效率依次增大,分别为86.80%、88.59%、90.42%,违背了熵产最小原则。而分析法计算的传递效率依次降低,分别为76.45%、74.86%、73.41%,该趋势与"温差越大,(火积)传递热量的能力越低规律"相一致。最后由该结果说明了(火积)分析法比熵分析法更加适用于分析换热网络的能量利用效率,有利于评价换热网络的节能潜力。     

大型换热器的热力设计与强化换热的研究进展

本文通过大量文献调研,针对目前常用的大型换热器-板式换热器和缠绕管式换热器的工作原理和换热影响关键因素以及强化换热进行了详细的阐述,并进行了下一步的展望。分析结果发现：对于板式换热器来说,目前人字型波纹板备受青睐,相关学者针对其波纹板形状和倾角对其换热性能进行了详细研究,提出了最小熵产法、场协同原理和火用耗散理论等优化方法 ;对于缠绕管式换热器来说,其流体流动和换热机理十分复杂,相关学者主要针对不同领域内缠绕管式换热器的应用、壳侧流动和管内流动三个方面展开相关研究。     

蒸发器换热过程对ORC系统混合工质选择和运行工况的影响

在有机朗肯循环(ORC)系统其他部件的效率均相同的条件下,蒸发器的换热量越大,不可逆损失越小,系统的做功潜力就越大。由于混合工质的相变温度滑移与热源的温度变化具有较好的"匹配性",采用混合工质为循环工质,并使用(火积)流耗散率来描述混合工质与热源流体换热过程中的不可逆损失。结合T-Q图来分析蒸发器中混合工质与热源流体换热过程,发现混合工质与热源流体换热曲线围成的面积为(火积)流耗散率,并且分别得出了蒸发器换热量最大与不可逆损失最小的条件,以此指导系统最佳混合工质和运行条件的选择。针对确定的热源条件,在蒸发器换热量达到最大的条件下,以不可逆损失最小为目标,建立了基于蒸发器性能的系统最佳混合工质和运行条件的选择方法。采用参考文献中热源条件,筛选出最佳混合工质为R600a/R134a(0.2/0.8),在最佳蒸发器出口温度为365.75 K的运行条件下,换热量是文献中最佳混合工质的3.3倍,在系统其他部件的参数选择均相同的条件下,系统的净输出功率是文献中最佳混合工质的2.4倍。     

基于(火积)耗散热阻的换热器网络优化

基于(火积)耗散热阻的概念, 分析了换热器网络中的传热过程, 并结合变频泵的性能分析和管网的阻力分析, 建立了换热器网络中结构参数、运行参数和用户需求之间的直接联系, 完善了换热器网络优化的数学模型。在此基础上, 构建了基于(火积)耗散热阻换热器网络优化的方法。最后以一个典型的有变频水系统的换热器网络为例, 阐释了基于(火积)耗散热阻的换热器网络优化方法。研究结果表明, 在给定换热器网络中各换热器热导的情况下, 通过优化计算可以获得使换热器网络中总泵能耗最小的运行参数。在变工况运行的情况下, 随着换热器网络换热量的增大, 各变频泵的运行参数出现不同程度的增大, 增大的速度与工质的性质和管网的阻力特性等因素有关。     

夹点分析法在化工过程全局用能优化的应用

介绍了夹点分析在化工过程全局用能优化中的应用，用夹点分析法在实现各工艺装置内部热量交换的基础上，进行过程全局的剩余热阱和热源与公用工程系统的能量集成，包括余热回收、联产功量、蒸汽系统设计和透平网络综合。应用实例表明，利用该方法可以大幅度实现节能，是现代化工企业节能的发展方向。     

基于(火积)耗散热阻的新型蜂窝板式换热器性能分析

板式换热器在工业生产中广泛应用。基于换热器(火积)(火积)耗散热阻理论,采用数值模拟和实验相结合的方法对新型蜂窝板式换热器进行研究。结果表明数值模拟和实验结果在合理的误差范围内,验证了数值模拟的可靠性。新型板式换热器内部蜂窝结构附近的速度场出现规律的周期性变化,流体湍流强度增加,提高了换热效率。新型板式换热器换热量与其(火积)耗散和(火积)耗散热阻呈反比例关系,这为新型蜂窝板式换热器的优化提供了理论依据,并为工业生产提供参考。     

大规模复杂过程系统能量综合方法

针对过程系统工程的一个难点－－全过程系统能量综合,提出了“过程用能一致性原则”,从用能的角度上提高系统的集成性,将全过程系统的能量综合问题为相应的虚拟换热网络综合问题;并对大规模虚拟换热网络的求解进行了研究,提出了适用的分解策略;应用自行开发的过程用能夹点分析软件进行用能分析及换热网络匹配,实例分析节能效果显著。     

温差驱动型自反馈对流换热系统

在流体导热系统的基础上,引入热功转换子系统,构造了一种温差驱动型自反馈对流换热系统。它可以在无外界机械能输入的情况下,利用换热过程中的温差将部分热能转换为机械能驱动流体流动,达到强化换热的目的。通过最小火积耗散热阻原理优化了流体的对流换热过程,获得了给定条件下对流换热性能最优的速度场和温度场。结果表明:对于本文算例,自反馈系统的换热性能可达同边界条件下的纯导热系统的10倍,自然对流换热系统的8.4倍,验证了温差驱动型自反馈对流换热系统可以实现强化传热的设想。     

基于(火积)耗散热阻的新型蜂窝板式换热器性能分析

板式换热器在工业生产中广泛应用。基于换热器(火积)耗散热阻理论,采用数值模拟和实验相结合的方法对新型蜂窝板式换热器进行研究。结果表明数值模拟和实验结果在合理的误差范围内,验证了数值模拟的可靠性。新型板式换热器内部蜂窝结构附近的速度场出现规律的周期性变化,流体湍流强度增加,提高了换热效率。新型板式换热器换热量与其(火积)耗散和(火积)耗散热阻呈反比例关系,这为新型蜂窝板式换热器的优化提供了理论依据,并为工业生产提供参考。     

P-图理论在过程网络综合中的应用研究进展

随着石化生产装置日趋大型化、复杂化和一体化,过程系统中的操作单元之间以及物料流、能量流和信息流之间的组合关联复杂度不断增加,P-图理论通过公理约束生成严格超结构,可减少冗余结构的产生,得到了越来越广泛的应用。首先概述了P-图理论的数学定义、基本公理和求解算法及工作流程等,通过案例介绍了P-图理论的建模框架和图形表示。然后系统总结了自1992年P-图理论提出以来,其在分离网络综合、反应路径识别、换热网络综合等传统过程网络综合的应用,以及近年来在工艺路w线选择、供应链与调度优化等新兴研究领域的扩展。最后,比较分析了P-图理论与数学规划法的各自优势,提出了利用P-图求解非线性问题的改进思路,展望了P-图理论未来的研究方向,包括考虑经济、环境等因素的多目标优化,以及P-图与数学规划相结合,高效处理复杂大规模非线性规划问题等。     

P-图理论在过程网络综合中的应用研究进展

随着石化生产装置日趋大型化、复杂化和一体化,过程系统中的操作单元之间以及物料流、能量流和信息流之间的组合关联复杂度不断增加,P-图理论通过公理约束生成严格超结构,可减少冗余结构的产生,得到了越来越广泛的应用。首先概述了P-图理论的数学定义、基本公理和求解算法及工作流程等,通过案例介绍了P-图理论的建模框架和图形表示。然后系统总结了自1992年P-图理论提出以来,其在分离网络综合、反应路径识别、换热网络综合等传统过程网络综合的应用,以及近年来在工艺路w线选择、供应链与调度优化等新兴研究领域的扩展。最后,比较分析了P-图理论与数学规划法的各自优势,提出了利用P-图求解非线性问题的改进思路,展望了P-图理论未来的研究方向,包括考虑经济、环境等因素的多目标优化,以及P-图与数学规划相结合,高效处理复杂大规模非线性规划问题等。