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换热网络是过程工业中能量回收的重要系统,其设计水平的高低直接决定了过程系统的能耗和经济性。因此,换热网络的综合优化逐渐成为人们研究的热点问题。与此同时,现有的各类换热网络的综合方法都存在着一些问题和缺陷,迫切需要深入研究。
在现有的各类换热网络的综合方法中,夹点设计法较为成熟,但它是从能量角度进行分析问题的。本文从(火用)损失角度进行换热网络综合并考虑碳排放对环境的影响,针对(火用)损失较大、碳排放量较多的过程系统,进行换热网络综合的研究。本文围绕这一主题,主要开展的研究工作如下:
1.从求解换热网络传热(火用)损失和流动(火用)损失两个方面做出了总结,并分析了各方法的优势和尚待改进的地方。详细地论述了本文换热网络传热(火用)损的求解方法,通过网络匹配单元的流动与传热(火用)损的关联式,推导出了一种换热网络流动(火用)损的求解方法。
2.在基于流动与传热(火用)损的换热网络综合方法基础上,进一步考虑了碳排放目标,着重研究讨论了碳排放量的计算方法和换热网络碳排放费用的求解。在当前更加注重企业生产环境影响的情况下,考虑碳排放因素是合理的,也更接近实际情况。
3.以投资费用最小化对网络超结构进行优化。提出了基于流动与传热(火用)损的系统性换热网络综合方法,给出运用此方法进行网络综合的流程步骤,使网络综合程序化,并通过案例对此方法进行研究和讨论。
4.借助于MATLABGUI设计平台,开发了关于换热网络综合的软件系统HenDesign,该软件系统可同时实现夹点设计法、基于(火用)损失的方法和△T-贡献值法的基本功能,能够实现对应参数的寻优,以及网络超结构匹配的输出,并结合案例介绍了软件的具体功能设计和操作步骤。软件为本文的理论研究提供了验证和比较平台,随后的案例研究也对本软件系统的有效性和实用性进行了检验。
5.本文对两个工程案例进行了网络综合,第一个工程案例来自于某炼油厂的原油常减压蒸馏系统,网络综合结果表明:基于本文提出的网络综合方法,综合得到的换热网络(火用)损失较小,公用工程消耗降低,二氧化碳排放量较低,年度总费用较合理。第二个工程案例来自于某芳烃工厂的换热网络系统,网络综合结果表明:本文提出的综合方法能够应用于工程实践,可用于解决公用消耗热负荷量大,碳排放量较大的实际换热网络集成问题。