综合考虑泵的设备及运行费用的换热网络优化

流体流经换热设备产生的压降是影响换热网络综合的重要因素,且压降会对整个换热网络系统的稳态运行造成影响。因此在进行换热网络综合时,泵的设备购置费、运行泵的能耗费用需同换热设备费用和公用工程费用同时进行考虑。本文基于有分流的非等温混合分级换热网络超结构模型,并且去除流股给热系数为常数的假设,将流股的给热系数作为流股流速的函数,以换热网络最低年总费用作为本文数学模型的目标函数,综合考虑泵的设备购置费用和泵运行时的能耗费用,建立了一个换热网络同步综合的MINLP数学模型。采用改进的拟并行的遗传/模拟退火算法对该数学模型进行求解,可获得最优的压降值及最优流股给热系数下的换热网络结构。最后,通过具体的算例证明了模型的有效性和可靠性,达到了既简化换热网络结构又降低了年总费用的目标。     

焦炉多余热回收系统的分析及优化

为了研究焦炉多余热回收系统中能量的利用情况，依据分析理论，通过对某焦化厂实际案例的计算，对现有的余热回收方案进行分析，指出3个子系统运行过程中的能量回收的薄弱环节。结果表明：干熄焦、荒煤气、烟气余热回收系统的效率分别为55.16%、17.18%、51.75%，干熄焦系统的损主要为换热过程中产生的不可逆换热损失，荒煤气系统的损主要为出口损以及不可逆换热损失，烟道系统的损主要为烟气出口损。在此基础上依据各等级能量匹配利用的原则对原方案进行优化，并使用分析理论对其计算并分析。结果表明：优化过后的余热回收系统的总效率为58.72%，相比优化之前提高了11.07%，系统总不可逆换热损降低了155.49MJ/t干煤。     

基于粗糙颗粒动理学流化床内颗粒与幂律流体两相流动特性的数值模拟研究

在颗粒动理学理论（KTGF）的基础上，通过引入表征粗糙颗粒摩擦和切向非弹性的切向弹性恢复系数β，以及综合反映颗粒平动和旋转运动脉动强度的颗粒拟总温e₀，结合输运理论建立了考虑颗粒旋转作用的颗粒相质量、动量和颗粒拟总温守恒方程。并在求解了同时具有平动和旋转运动的能量耗散和颗粒相应力等参数的前提下提出了颗粒相压力、剪切黏度和能量耗散等本构关系式以及边界条件，最终得出了粗糙颗粒动理学理论（KTRS）。通过改变液相的流变特性，分析了幂律流变模型中流动指数n和稠度系数K_l对流化床内流固两相流动特性的影响，模拟结果表明：随着流动指数和稠度系数的增大，液相湍动能耗散率逐渐增大，而颗粒相压力逐渐减小，颗粒旋转先增大后减小。     

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。     

基于超结构法的热集成间接式功交换网络综合

换热网络综合的研究和应用对于提高能源利用率已被证明是有效的,而用于回收更高品质能量的功交换网络综合的研究仍处于起步阶段。针对间接式功交换网络综合中复杂推动力约束对流股匹配的制约问题,构建了一种考虑级间热集成的拓展超结构,基于线性拟合压缩机和涡轮机的操作曲线,提出了功源与功阱间流股匹配的识别方法;针对压力、流量与温度的高度非凸非线性关系,提出了采用热集成优化每一级入口温度的松弛策略,建立了以年度总费用最小为目标的混合整数非线性规划模型,通过GAMS求解得到最优的间接式功交换网络结构。最后通过一个算例分析,验证所提方法的有效性和可行性。     

基于超结构法的热集成间接式功交换网络综合

换热网络综合的研究和应用对于提高能源利用率已被证明是有效的,而用于回收更高品质能量的功交换网络综合的研究仍处于起步阶段。针对间接式功交换网络综合中复杂推动力约束对流股匹配的制约问题,构建了一种考虑级间热集成的拓展超结构,基于线性拟合压缩机和涡轮机的操作曲线,提出了功源与功阱间流股匹配的识别方法;针对压力、流量与温度的高度非凸非线性关系,提出了采用热集成优化每一级入口温度的松弛策略,建立了以年度总费用最小为目标的混合整数非线性规划模型,通过GAMS求解得到最优的间接式功交换网络结构。最后通过一个算例分析,验证所提方法的有效性和可行性。     

考虑本质安全的换热网络多目标优化

由于国内外重大化工事故的频发及化工行业节能降耗的需求日益迫切,研究本质更安全的换热网络多目标优化具有重要意义。采用评价指数的方法,对换热网络的本质安全易爆性、毒性、存量进行量化表征。采用数学规划法分别建立换热网络经济与本质安全易爆性、毒性、存量同步优化数学模型。采用归一化法构建经济和安全的目标函数。通过算例研究发现,考虑易爆性,倾向于不易爆流股间换热,减少易爆流股换热次数;考虑毒性,倾向于减少有毒流股流经换热器的次数;考虑存量倾向于减少换热网络的总存量。最后综合考虑易爆性、毒性、存量作为安全指标与经济同步优化,通过算例研究表明,多目标优化的最优换热网络在很大程度上取决于经济权重的选取。     

考虑本质安全的换热网络多目标优化

由于国内外重大化工事故的频发及化工行业节能降耗的需求日益迫切,研究本质更安全的换热网络多目标优化具有重要意义。采用评价指数的方法,对换热网络的本质安全易爆性、毒性、存量进行量化表征。采用数学规划法分别建立换热网络经济与本质安全易爆性、毒性、存量同步优化数学模型。采用归一化法构建经济和安全的目标函数。通过算例研究发现,考虑易爆性,倾向于不易爆流股间换热,减少易爆流股换热次数;考虑毒性,倾向于减少有毒流股流经换热器的次数;考虑存量倾向于减少换热网络的总存量。最后综合考虑易爆性、毒性、存量作为安全指标与经济同步优化,通过算例研究表明,多目标优化的最优换热网络在很大程度上取决于经济权重的选取。     

TS算法在常减压装置换热网络优化中的应用

在对换热网络问题进行分析的基础上,利用禁忌算法(TS)在网络自动建构过程中进行指导,建立了具有领域最优搜索能力的换热网络结构自动生成技术.通过禁忌表紧凑的格式记录了流股的匹配状态,在网络自动建构过程中,能指导流股进行合理匹配,充分回收能量的同时,简化了换热网络的结构.利用TS算法对常减压蒸馏装置换热网络进行了优化,提高了原油的预热终温,减少了燃料的消耗.     

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。     

Design of heat exchanger network based on entransy theory

The heat exchanger network (HEN) synthesis problem based on entransy theory is analyzed. According to the characteristics of entransy representation of thermal potential energy, the entransy dissipation represents the irreversibility of the heat transfer process, the temperature difference determines the entransy dissipation, and four HEN design steps based on entransy theory are put forward. The present study shows how it is possible to set energy targets based on entransy and achieve them with a network of heat exchangers by an example of heat exchanger network design for four streams. In order to verify the correctness of the heat exchanger networks design method based on entransy theory, the synthesis of the HEN for the diesel hydrogenation unit is studied. Using the heat exchange networks design method based on entransy theory, the HEN obtained is consistent with energy targets. The entransy transfer efficiency of HEN based on entransy theory is 92.29%, higher than the entransy transfer efficiency of the maximum heat recovery network based on pinch technology.     

(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。     

流道排列对多介质板式换热器性能的影响分析

以耗散数为目标函数,应用数值计算的方法分析了换热介质流道排列方式对板式换热器性能的影响。通过分析3～6个流道所包含的26种排列方式情况下的换热器耗散数及板间流动阻力损失变化,认为在相同的工况下,随着流道数量的增加,换热器总的压力损失呈阶梯降低的趋势;相同流道数情况下,冷热介质流道的排列形式对换热器耗散数影响较大;而相同的流道数量所对应的最小耗散数随流道数量的增加而降低,对多介质换热器性能的研究提供了一定的借鉴。     

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。     

基于理论的传热结构拓扑优化

以理论为基础，分析了在含有内热源的二维稳态导热问题中的耗散。并以此为目标函数，通过密度法建立拓扑优化模型并用全局移动渐近线（GCMMA）开展拓扑优化研究。对比分析了以最小耗散以及最小熵产得到的拓扑优化构型在传热性能上的异同。然后，以最小耗散为优化目标，进一步分析了不同高导热材料体积占比下最优传热拓扑结构。结果表明，最小耗散以及最小熵产得到的拓扑优化构型结构相似，均可大幅增加传热性能，系统的平均温度均可降低9℃以上。而对于传热结构来说，综合考虑优化效果以及成本，20%的体积占比是一个较优值，在此占比下，优化后的耗散仅为优化前的8.7%。基于理论的传热结构拓扑研究为肋片的结构设计以及传热强化提供了理论指导。     

A novel method based on entransy theory for setting energy targets of heat exchanger network

A T-Q diagram based on entransy theory is applied to graphical y and quantitatively describe the irreversibility of the heat transfer processes. The hot and cold composite curves can be obtained in the T-Q diagram. The entransy recovery and entransy dissipation that are affected by temperature differences can be obtained through the shaded area under the composite curves. The method for setting the energy target of the HENs in T-Q diagram based on entransy theory is proposed. A case study of the diesel oil hydrogenation unit is used to il ustrate the application of the method. The results show that three different heat transfer temperature differences is 10 K, 15 K and 20 K, and the entransy recovery is 5.498 × 107 kW·K, 5.377 × 107 kW·K, 5.257 × 107 kW·K, respectively. And the entransy transfer efficiency is 92.29％, 91.63％, 90.99％. Thus, the energy-saving potential of the HENs is obtained by setting the energy target based on the entransy transfer efficiency.     

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。     

方形微通道热沉的耗散优化分析

基于CFD软件建立了两种不同结构的方形微通道热沉，并对其进行数值计算，模拟得到热沉的温度场和压力场。在此基础上，研究了不同微通道分布方式、不同质量流率和不同热通量对热沉的温度、压降的影响，同时基于耗散理论对比分析来获得方形微通道热沉换热效果较好的优化方案，在固定边界热流条件下，耗散越小，换热效果越好。计算结果表明：随着质量流率的增大，热沉温度逐渐降低，进出口压差逐渐增大，PEC逐渐增大，耗散逐渐减小；随着热通量的增大，热沉温度逐渐升高，进出口压差逐渐降低，PEC逐渐增大，耗散逐渐减小。微通道分布方式为上层内切圆半径-下层外接圆半径分布时热沉的温度更低，PEC更大，耗散更小，传热效率更高。     

基于群体智能算法的换热网络同步最优综合

换热网络同步综合方法一般需要建立复杂的混合整数非线性数学规划模型,该模型具有非凸、非线、不连续的特点,属于最难求解的一类NP-hard问题,应用传统的优化算法很难确定其全局最优解,尤其是对大规模换热网络综合问题,甚至无法在合理时间内接近全局最优的局部最优解。针对换热网络同步综合问题,提出基于群体智能算法的分层优化策略,外层采用离散粒子群算法与遗传算法相结合的混合群体智能算法优化换热网络结构,内层在结构变量给定条件下利用改进粒子群算法优化冷热物流分流比与换热负荷。两个典型算例研究证明了该方法能以较高的效率和稳定性得到较好的优化结果。