水和能源消耗 最小化的水和热回收网络设计.doc

1、1水和能源消耗最小化的水和热回收网络设计摘要本论文介绍了设计过程中，可操作性水和能源消耗形成了经营成本的很大一部分。良好的流程设计可以由若干特点，其中最重要的是：物业的原材料，较低的资本成本和良好的有效利用。在热力学分析计算，这些过程可无论是定性为“捏“问题或一个“门槛“的问题。本文着重对发展问题的设计阈值类型。由以前的工人所讨论的大部分问题已成为这一类型。有了这些考虑到这项工作的性质看综合水和能源系统设计，展览以下特点：1。最低用水量，2。最低能源消耗，和 3。简单网络结构。该方法适用于单杂质。结果表明，这是节约用水的问题和热回收问题能被耦合节约用水问题应首先建立。同时表明，系统需要加热器和

2、热回收机组数量，需要的实用热植物的数量和类型所与热回收网络的复杂性都可以被决定，而不必确定设计任何热回收网络。这使得工程师能够更好选择节约用水的方法，而不用从热回收网络设计着手。对于这类问题的设计在热回收网络本身通常是简单明了。关键词： 水和能量最小化 网络设计 可操作性 水网 热回收网络1、引言节能和节约用水有密切的关系。在处理设计过程中，旨在减少能源和水消耗的最低限度，技术提供给设计人员采用启发式规则1,2或数学编程3e5。源自热回收网络的概念，萨尔瓦多，Halwagi 和 Manousiouthakis6建立起 在等温应用中质量交换网络（MEN）的离职系统概念。在随后的应用中，Srini

3、vas 和厄尔尼诺- Halwagi7分析了有质量交换网络的歌剧院温度效应。后来，agajewicz 和范8指出，这是人们在不同的操作不统一的情况可能设计的温度。索林和萨乌莱斯9采用启发式交换网路和质量交换网路的设计方法介绍了间接（国际先驱论坛报）和直接传热的概念传热（双氢睾酮）。在这区域的一个非常广泛的文献回顾本已经出现。不幸的是，有以上所示，2这些方法的应用可能会导致某些复杂的结构，如果应用到实际问题难以操作和控制。一个以设计见解为基础简单的方法如下。2、热回收型问题在开发过程设计的第一个阶段是正在处理的热回收问题的类型。有两个基本类型的问题：一扣板问题。扣板问题需要使用双机热冷效用。一个

4、阈值的问题涉及到只有单一类型实用工具的用途。热回收扣板可发生在许多方面。在过程中，水被蒸发是平常的，并发现蒸发阶段的支配热量需求，远远超过其他进程所需的热量，多余的热量必须通过冷却器消除。该热回收问题有一个被一个或更多蒸发器的固定的夹点。紧要关头时，过程本身正在加热（无论是机械或通过化学反应）可能会出现问题。在这种情况下，箍缩可能会发生在其中产生的热量操作中。第二个淡水来源被使用可能造成箍缩，这个来源是在温度大于最大值温度下，水可以从工厂排出。一个这类问题的一个例子是由萨乌莱斯介绍的。上述每个问题都需要自己的方式来加热回收系统的设计。最后，热回收，扣板产生的资本成本之间的换热设备运行和成本的权

5、衡比从事设计温差有利于提高最大热回收。这将是如下所示，处理过程中过程流都是水是很少见的情况。本文将集中在阈值类型问题的解决方案，因为在文献中出现的问题是同时对水和能量最小化。这些标准的问题也有个特点进入系统的淡水量等同于作为污水的量。这在工业案例中是很少的，流出系统的污水量通常小于流入系统的水量（如水被过程流保留）和流出系统水的温度低于进入系统的（由于运行中的热损失和的热平衡）。这样的实际问题在下面讨论。本文所述的方法能处理这些实际问题，鉴于热回收的最大化，对能源的需求是水流量的函数关系和流出供给温度的区别并可以被计算：Qh mCp Td Ts （ 1）其中 Qh 是过程外部热负荷的要求，m_

6、 是水的质量流量，Cp 为热容量，TD 是排水温度和 Ts 是供水温度。由方程看到（1），如果水流量最小化，则对能源的需求是最小，。因此，热回收问题和水的保护问题是没关系的。因此，第一个阶段是实现网络有最低用水需求的系统设计，一旦这实现，最低能量消费的热回收网络设计能实现。行动前有一些有关换热网络问题，需要考虑。3、换热网络的建设成本3也就是说夹点是不会形成经济权衡计算要求的理由。这个理据的第一部分来自观察窗体的温度 ，该温度下过程可用淡水是普遍低于冷却设备或（即环境空气）。因此，显而易见，淡水接触污水的热交换器比那些在其中冷接触的实用工具有更高的温度。恢复需要的热量比散热环境要更小的换热器。

7、涉及到热交换器的热回收的最大化进一步的解释应该可以用于这类流程。传统壳管式换热器通常不是此类型应用的首选。板和框架式换热器通常青睐有三个原因。 图 1 温度平衡热交换器焓图第一个因素是基本费用。板和框架式换热器由不锈钢制成，通常价格比壳式换热器便宜（中厚板和帧交换制作由方程 Haslego 和波莱11 提供，管壳式换热器管方程有桑德斯提供12）。考虑建设中材料时，这种成本效益进一步重新执行。吉尔莫表明了 13，对于水处理热交换器来源碳钢不是一个合适的建造材料。这种交换器需要要么铬镀或耐腐蚀钢制作下一个因素热回收装置所需的的数量。板和框架式换热器 使用流的安排接近一个纯粹的逆流。因此，热回收装置

8、需要一个单一热交换器。壳管式 图 2 管的最大热效应传递壳式换热器换热器采用有一浮头的多管 12。这样的安排是必要的，以纾缓热运作过程中生成器的压力，并让工厂操作员对管束的清洗和维修。使用多管传递能限制温度在一个获得单一的热量换热器 变化。涉及密切工作温度的方法安排在多个贝壳系列是必需的，这可表现为如下。热换热器的热性能是由它的热效率（3），传热单元数（NTU）和在比 C（CPmin/ cpMax 的决定的; 其中 CP 是热容量质量流量。图所示为在换热器的热效率。 1 可表示为:Th1 Th24Th1 Tc （ 2）两对于有两个管程，单壳的表达式有关这三个由公式给定（3）参数：（3）考虑一种

9、换热器在换热器的每一个方面处理同数量的水给 C 价值的统一。换热器的最大热效能达到一个值达 3 马克斯0.585 (这可以通过计算发现当诺丁汉特伦特大学/ N的限制在方程(3)。（4）为一个典型的 n 贝壳系列,C价值 1 给出了整体热效果: （5）中三是整体的热效应，3i 是壳体的效益和 n 是壳体的数量。贝壳系列的数量必须达到要求的整体热效果那也申请条件 C1,可以从下面的表达式发现其中 X 是一个参数，表示的成效有多接近每个到最大效益 C1。回收网络呈现在图 8 的单位提出的设计需要热效果值为 0.667,31320.714 条、第三十三条0.833。性能都不能满足于单一。换热器如图所示

10、。 选择的 X0.9 14的值，需要数个壳体对个别单位被发现分别有 2，3 和 5。结论是框架板换热器是对于大多数应用最受青睐的换热器。唯一的例外可能会出现正在处理的数据流包含纤维。在这种情况下螺旋换热器可能是更好的选择15。换热器的成本并不是唯一需要考虑的资本。管道的成本也很重要。所以一个重要问题怎样处理两个成本的关系。Haslego 和 Polley 换热器成本报告表明， 框架板11换热器费用应预算大约在 170 美元/平方米(2002 的价格)。同年使用成本数据 16表明在一个新的工厂一个典型的采购、安装管道 300 毫米的二氧化碳不锈钢成本将在 240美元/米(不锈钢管会更昂贵的)。这

11、些比较表明,整个管道系统的成本将会成为最重要的,而不像单一热交换器那样成本不是最重要。4、示例问题5萨乌莱斯 1提出了一个问题有四个组成，运行中有不同的限制和污染 6 不同的工作温度。放电前供水温度为 20和废水必须冷却至 30（或低于）。整个情况的详情载于表 1。问题是基于一个最小化问题，最初是由水和史密斯王17提出。用他们的“目标”手术发现浓度短缺发生在一个水 100 的浓度和最低水流 90 公斤/秒。注意,这是一个问题,使淡水及阈值废水流有相同的值,那么对热量的需求过程能够判断出方程(1)到 3780 kW 富18定义了这种类型的问题作为一个“固定负载问题”的主要关心的是给定的去除数量的

12、杂质。另一种类型的问题涉及到使用固定数量的水,一直被称为“固定流量任何问题。 ”Polley 和 Polley(19)使用术语“质量控制”和“质量控制”为这些问题类型。下面的原理开发适用于两种类型的问题。所有发生变化的是技术用于系统的网络设计最小的水量。 图 3 用水网络设计方案 1下一步就是确定可能的水网络结构。(换句话说,几种方法。3),17 个,20 所提供的这些网络的设计,他们不是修改这里。我们有以上,证明热回收和节约用水问题可以载流子方程。因此,最近的方法哪找来处理热回收、节水吗同时如 Martinez-Patino 吴昱。21和李-wongtanawit 和金5的结果将会考虑进行了

13、讨论。因为, 据文献史密斯17王第一次解决基于水最小化的问题。给出了三个选项。从水和浓度的需求,每一个解决方案由两个独立的子系统。对于固定流问题波莱(19)提出的设计方法能够只用。5、热力学原理对水和能量系统设计人们看到，对于在只有水源的使用和水排出的应用等于供水，最低要求是能给予的水流速率乘以供给与回水之间的温差。但是,这种理解可以扩展,它适用于6所有的可以分为独立的元素的网络, 系统的每一个子系统的需求超过热发现现有的电子废弃物。每个子问题本身是一个阈值问题。这种情况也适用于在每一个操作存在热损失事件中, 这儿过程中水被保留。污水可以在较低流量和低温度流出，在子系统中水进入到系统,除了所有

14、的可利用热能从废水中提取。设计师获得能量最小的设计只需确保所有可用的余热在子系统被利用。6、热回收系统的设计图 4 水网络设计方案 2设计这样的简单热回收系统的独立组件是简单而不需要一个特别的方法。进出水的流动的系统有两个重要的特性。首先，根据特殊的最低温度方法,整体图 5 水网设计方案 3热量的输入,等同于热容的给水流量增大一些(例如等同于区别淡水的饲料温度和最大允许废水排放的脾气-基因表达、10 C)。第二 ,每一个热回收换热器在这个温度运行的方法。这些属性中的第一个我们可以识别一个特定的网络需要加热器的数量。我7们也 2 可以识别公用事业需要每一个加热器的类型，(如蒸汽或热水)。选择使用

15、加热器或热图 6 解决方案示例问题 e 选项一 E 子系统 1回收装置不会影响最小的单位数目所需热回收网络。该规定大大简化了电热水器厂控制和操作。因此,在第一步详细的设计换热器网络是单一加热器的位置。让我们考虑设计需要水网络的换热器网络 1(图 3)。每一个结果合并举一个整体设计之前该子系统依次检查。计算表明,该子系统所需的热 1(含操作 1 和 3)是 1680 千瓦, 热量是用来从废水中操作 1 至 3 条规定的操作温度，因此，加热器放在旁边操作具有最高工作温度。 现在让我们考虑在这个操作回收的热量。从回水的温度可知污水热能流动可以用来提高供水的温度。热平衡的要求，该热 能提取到的温度为

16、50 度，这件水的需要进一步减少到 30 度,才能脱离工厂。然而,有一个余热的需求。提高供水的温度被执行。所以这是个工程子系统的设计被给出了图 6. 图 7 解决方案示例问题 e 选项一 E 子系统 2一个类似的方法用于设计 2(包含业务子系统 2 和 4)。在这个子系统的操作需要较低浓度的水污染物。子系统的热平衡表明,热量的输入子系 8图 8 整体水和能源的设计方案 1 个网络统 2100 kW。所以, 一个加热器有这个位置就在负荷的操作越热。废水的热是用来结束这个操作将焗的淡水。这条小溪的温度降低操作运行温度4。这部分是美联储作业废水 4 其余去污水排放。从 4 处的出水在相同温度下,这个

17、不用混合污水排放前。在这些部分的余热废水是用来进行最后对淡水加热。子系统的设计被给出在图 7。 两个子系统都降低使用热交换器的温度到 30 C，同时提高出水温度到 40 C,那么,这些义务融合成一个单一的热回收的设备。我们观察到该系统需要两个加热器和三个热回收换热器。整个网络被表示在图 8 为了完整，我们开发的结构和其他水网，这些都显示在图 9 和 10。一个解决方案将采取类似的热量外表面因为所有的换热器操作相同温度下动力 图 9 整体水和能源的设计方案 2 的网络(10 中)和所有的选择不仅消耗相同的热量(3780 千瓦)和涉及同量的热回收网络架构图。8(选项 1)需要:5 热交换器,选项

18、2(图 9)需要 7 换热器和选择 3(图 10)需要 6 换热器。热交换器的数量可以计算出设计根据前面的表达:让我们考虑应用该方程到每一个水网络中。图 3 中我们强调单一的传热的职能(开放的圆取暖需求,充满了圈对水热拒绝)网络 1。我们观察六传热的职能。 我们有一个热的效用。有两个独立的子系统。所以,我们还需要五个热交换器，图4 中我们表现出的所需的水网络职能。有七单一职能,一个类型的效用和两个独立的系统。所以,我们需要六热交换器。最后在图 5 我们看到八个选项 3 的职能。所以, 系统需要七个单一换热器。9我们最后一次考虑的是平衡效用成本及资金成本。经营成本不仅是一种功能的能量消耗,也是一

19、种功能效用成本。一般温度越高, 提供能量的单位成本越图 10 水和能源的整体设计方案 3 的网络昂贵。热水成本通常少于蒸汽。所以,可用热水会影响设计方案的选择。工厂布置以来,还没有形成的部分的协调问题说明无法建立在这里。然而, 只是看着加热器位置和温度它可以辨认的单一效用的需要选择。这些需要是列在表 2。7、整体设计背景上面提到的方法需要被放置在背景的整体工艺设计中。整个过程的设计涉图 11 整体水和能源回收（由 Leewongtanawit 和 Kim 5开发）。及到大量的问题。流程型工厂必须要有良好的可操作性的特点。流程型工厂需要的东西灵活。良好的可操作性和良好的经济需要扩展到运行条件的课

20、操作性。安全是一个重要的问题。,植物算子能理解他处理的这个过程是一个重要因素。有良好的理解能力导致安全运行的基本保证。可怜的理解是一个潜在的危险。所有这些因素忙简单植物结构。108、结果与其他方法的比较产生的方法Leewongtanawit 和金5 提出了可以采用比较的方法来解决这个问题。他们的解图 12 整体水和能源回收（由马丁内斯-帕蒂诺等人21决方案是改善之前 Savulescu1吴昱提出的方法。如在图 11 所示。它的优点是到达设计要求只有四个换热器,与之相比，到达了这项工作设计中需要五个换热器。然而,当从总体设计需求的背景下,系统会出现难以控制。例如，在运作 3 进料由三个独立的不同

21、温度下数据流制成（5 公斤/ s 的 40，20 公斤/65，15 公斤/保安局在 100）。两个流动和温度需要被控制。很难想象这可能会实现。此外,其目的是针对控制系统的干扰效果。这将是达到通过操控一个或更多的水流的目的。这反过来会影响微扰流去作用热回收换热器和反馈供水情况，1,4 和操作 3 本身。可以合理地控制的唯一操作,操作 2,其中有一个更好的加热器。以何种方式水进入到热回收换热器也可以引起严重的控制和可操作性问题。产生 器的供水通过 E1 混合三个不同层次(10.206 公斤/ s 40 C,5.714 公斤/ s 在 50 C 和 4.083 公斤/ s 在 75 度)。换热器供给由 35.918 公斤的E2 / s 在 75 C 和 0.032 公斤/ s 40 C 组成，为了做出一个温度约 75 摄氏度复杂的温度计。马丁内斯，帕蒂诺提出了一个解决这个问题的办法。这是呈现在图 12。这个解决方案也充分利用非等温混合为了降低一系列的换热器使用的数量。另外四个换热器三个热回收装置和一个加热器被使用。 该解决方案也使用三种不同层次,形成供给运行 3(11.67 公斤/ s 在 100 C,20 公斤/ s 在 75 C 和 8.33 公斤/ s 在 40 度)。再次,控制似乎是困难和干扰就会反馈的所有工艺操作