19Синтез тепловой схемы

П

Рис.7.1. Операционная диаграмма оптимальной структуры теплотехнических связей

од синтезом тепловой схемы понимают установление структуры, т.е. вида функциональных связей между элементами ХТС и их параметрами, а также определение таких входных значений и управляющих переменных, при которых достигается экстремум критерия оптимизации. Проблема синтеза неразрывно связана с анализом альтернативных структур, возникающих в ходе проектирования. Последовательность процедуры поиска оптимальных структур показана на рис.7.1.

20Классификация структур тепловых схем

В качестве элементов тепловых схем используются теплообменники реакторов, нагреватели, испарители, конденсаторы и другая теплообменная аппаратура. Каждый элемент характеризуется параметрами входа и выхода. Структура системы реализуется в определенной последовательности теплотехнических связей между элементами. Теплотехнические связи представлены горячими и холодными материальными потоками (продукты реакции, сырье) и потоками горячих (теплоносители) и холодных (хладоагенты) энергоресурсов.

Каждая структура является комбинацией из трех основных структур:

• п

  

  Рис.7.2 Структура теплотехнических связей

  араллельное прямоточное включение холодного и горячего потоков (рис.7.2, прямоток);

• параллельное противоточное включение холодного и горячего потоков (рис.7.2, противоток);

• перекрестное включение холодного потока с несколькими горячими потоками (рис.7.2, перекрестный ток).

На рис.7.3. показана смешанная структура тепловой схемы. Направление потока внутри теплообменника не влияет на классификацию структур.

Рис.7.3 Смешанная структура теплотехнических связей

21Методика синтеза тепловой схемы

Опубликован целый ряд методик синтеза тепловых схем. А. Востерберг предлагает эволюционную стратегию, использующую набор правил, которые создают новую тепловую структуру путем декомпозиции близких структур.

Умеда с сотрудниками использует трехстадийную процедуру проектирования, включающую:

• выбор количества теплообменников;

• проектирование оптимальной тепловой схемы и модификацию или упрощение полученной схемы для более практичного решения.

Количество теплообменников определяют по минимуму стоимости теплообменного оборудования и энергоресурсов.

Стирола трансформирует проблему синтеза в оптимизационную, оперирующую с математической моделью тепловой схемы. Аналогичный метод математического моделирования и оптимизации предлагают Л.Рокштро и К.Гартман. Хоман и Локкарт используют стратегию минимизации теплообменной поверхности с использованием температурно-энтальпийных диаграмм. Все эти методы имеют общий недостаток: оптимальная тепловая схема не гарантирует экономический оптимум. Однако они относительно просты и позволяют разрешать сложные комбинационные проблемы с помощью точной математической техники. Решение проблем выполняется в три этапа. Вначале проектируют новую схему, которая обеспечивает желаемую последовательность расположения теплообменников, и определяют эксплуатационный режим без учета ограничений, связанных с существующей системой. Следующий этап предполагает определение соответствия между проектируемым и существующим оборудованием не только по величине поверхности, но и по режимным параметрам. Обычно некоторые теплообменники и насосы можно использовать в новом проекте без изменений, другие переобвязать, при необходимости ввести дополнительные теплообменники. На третьем этапе оценивают модифицированную тепловую схему.

Процедура проектирования тепловой схемы обычно базируется на использовании математической модели. Критерии оптимизации, по которым программа выбирает ту или иную структуру, обычно сводятся к трем: минимальная стоимость, минимальная поверхность и максимальная рекуперация тепла. Если схема выбрана на основе первого критерия, то получают структуру, характеризующуюся небольшим числом крупных теплообменников. Если руководствоваться правилом максимальной рекуперации тепла горячих потоков, то получают схему с большим числом маленьких теплообменников, причем потоки несколько раз обмениваются теплом, осуществляя рекуперацию тепла на нескольких температурных уровнях.

Минимальная поверхность теплообмена обычно реализуется в структуре, занимающей промежуточное положение между двумя этими пределами. При проектировании тепловой связи между двумя потоками используют следующие правила:

• горячие технологические потоки и вспомогательные теплоносители в горячих блоках, а также холодные технологические потоки и вспомогательные хладоагенты в холодных блоках должны последовательно комбинироваться в порядке понижения температуры потоков;

• если температура вспомогательного теплоносителя (водяного пара) выше начальной температуры самого горячего (технологического) потока, то нагреватель располагают в конце схемы; если температура вспомогательного хладагента (охлаждающей воды) ниже начальной температуры самого холодного потока, то холодильник располагают в конце схемы (рис.7.4).

Рис.7.4. Правила комбинирования горячих в холодных потоков

В целом необходимо найти такие комбинации горячих и холодных потоков, которые обеспечивают минимальное использование первичных энергоресурсов: пара в подогревателях и воды в холодильниках. Если требуется чтобы холодный и горячий потоки были нагреты до заданной температуры можно использовать три способа:

• горячий поток охладить, а холодный нагреть с помощью вспомогательных хладоагента и теплоносителя, однако при этом появятся затраты на нагрев и охлаждение;

• нагреть холодный поток путем рекуперации тепла горячего потока, при этом возникнут затраты на рекуперативный теплообменник, а также на окончательные нагрев и охлаждение;

• передать холодному потоку оптимальное количество тепла горячего потока, а затем использовать дополнительные нагрев и охлаждение. В этом случае возникнут затраты на рекуперативный теплообменник, на окончательный нагрев и охлаждение потоков. Холодный поток, благодаря лучшей структуре схемы, получит дополнительное количество тепла q, и тогда его температура на выходе t_ка возрастет на q/с_к , где с_к -теплоемкость холодного потока. Поскольку q отбирается от горячего потока, его температура понизится на q/с_г , где с_г – теплоемкость горячего потока.

Этот процесс имеет целый ряд следствий.

1. Для передачи дополнительного количества тепла q требуется дополнительная поверхность теплообмена F при комбинировании продукт-продукт, т.е. рекуперативный теплообменник. Движущая сила процесса теплопередачи в этой комбинации уменьшится.

2. Количество тепла q_е , которое необходимо ввести для конечного подогрева холодного потока, уменьшится на q. Движущая сила процесса теплопередачи в конечном подогревателе также уменьшится.

3. Количество тепла, которое должен отдать горячий поток при конечном охлаждении до заданной температуры с помощью вспомогательного хладоагента, уменьшится на q. Движущая сила процесса теплопередачи в конечном охлаждении потока вспомогательным хладоагентом также уменьшится.

Таким образом, влияние q на поверхность теплообмена и движущую силу при комбинировании типа продукт-продукт (рекуперативный теплообмен) сказывается на увеличении затрат на рекуперативный теплообменник и уменьшении затрат на организацию конечных нагрева и охлаждения с помощью вспомогательных теплоносителей и хладоагентов.

Стоимость i-го рекуперационного теплообменника, нагревателя и холодильника Ц_ri, Ц_ni , Ц_xi можно выразить через соответствующие поверхности теплопередачи F с помощью соотношения Ц=аF^b, где а и b – стоимостные константы (b≈0,6). Тогда целевая технико-экономическая функция будет иметь вид:

где G_ке – расход пара или воды в одном вспомогательном аппарате; С_п – стоимость пара (воды); A_m – амортизационные отчисления.

Как видно из уравнения, полные затраты П_з складываются из стоимости всех теплообменников и из энергозатрат. Энергетические затраты составляют значительную часть П_З , поэтому для уменьшения энергозатрат целесообразно принять рекуперацию.