В процессе функционирования промышленных предприятий возникает множество локаций потребления тепловой и других видов (электрической, механической) энергий. При этом передача всех прочих требуемых видов энергии в масштабе предприятия не вызывает существенных финансовых затрат, поскольку электрическая энергия подводится по проводникам, имеющим относительно невысокое омическое сопротивление, а механическая энергия, как правило, обычно образуется в требуемом месте из какой-то другой формы (тепловой, электрической). Передача же тепловой энергии сопряжена с организацией и обслуживанием теплосетей, от рациональности проектирования которых зависят материальные затраты на их эксплуатацию. При проектировании тепловых сетей чаще рассматриваются вопросы трассировки потоков при заданных локациях теплоисточников и потребителей.
Синтез теплообменной сети на основе пинч-технологии связан с выбором локаций теплоисточников и потребителей из имеющегося массива данных. При этом учитывается ряд факторов, влияющих на выбор теплообменных связей: движущая сила (разность температур теплоисточников и приёмников теплоты), площадь поверхностей теплообменных аппаратов и даже в отдельных случаях вместо абсолютной используется эксергетическая температура для учёта потерь от неравновесности теплообменных процессов [1].
Известно, что при расчёте общих тепловых потерь теплообменной сети определяются потери теплоты на один погонный метр длины трубопровода [2]. Это обстоятельство при назначении теплообменных связей в пинч-технологии не учитывается. Данная работа посвящена введению в пинч-технологию синтеза теплообменных сетей фактора локализации теплоисточников, потребителей и утилит.
Принцип пинч-технологии не позволяет учесть потери теплоты при транспортировке, просто вычтя их из теплоты источников, так как на этапе проектирования сети потери ещё неизвестны. Однако в процессе синтеза теплообменной сети при назначении теплообменной связи имеется возможность определять эти потери непосредственно для данного создаваемого потока. Назначение теплообменной связи производится для весьма ограниченного числа потоков локализованных на пинче, при этом предпочтение отдаётся связи с максимальной тепловой нагрузкой с целью минимизации количества теплообменников в сети [1, 2]. В данной работе предлагается при назначении связи в процессе синтеза теплообменной сети предприятия руководствоваться минимумом относительных потерь теплоты, определяемых соотношением Qп/Qmax для потоков, расположенных на пинче.
Потери теплоты Qп предлагается определять для стационарного режима цилиндрического n-слойного трубопровода при граничных условиях третьего рода:
где l — протяжённость теплообменной связи, которая определяется локализацией теплоисточников и потребителей, а также траекторией соединительного трубопровода, м; t — среднеинтегральная температура теплового агента, К; t0 — температура окружающей среды, К; dвн и dнар — внутренний и наружный диаметры транспортирующего трубопровода, соответственно, м; α1 и α2 — коэффициенты теплоотдачи от агента к внутренней поверхности трубопровода и от наружной поверхности трубопровода окружающей среде, соответственно, Вт/( м²·К); di и λi- диаметр [м] и коэффициент теплоотдачи [Вт/( м²·К)] i-го слоя трубопровода, соответственно.
Максимальное значение теплоты, передаваемого от горячего потока к холодному, определяется из выражения (2), предложенного в работе [3]:
здесь Q′г — наибольшая теплота, которую сможет отдать горячий поток в условиях температурных ограничений; Q′х — наибольшая теплота, которую сможет воспринять холодный поток в условиях температурных ограничений:
где ср.х и ср.г — потоковые теплоёмкости холодного и горячего теплоисточников, соответственно, Вт/K; Т′х.н и Т′х.к — «сдвинутые» начальная и конечная температуры холодного потока, соответственно, К; Т′г.н и Т′г.к — «сдвинутые» начальная и конечная температуры горячего потока, соответственно, К.
Сдвиг температур горячих и холодных потоков заложен в пинч-технологии для обеспечения заданной величины температурного напора ∆Т.
При этом, как правило, температуры холодного потока поднимают на величину ∆Т/2, а температуры горячего потока опускают на величину ∆Т/2 [1].
В этом случае формулы для сдвигания представятся в следующем виде:
где Тг.н и Тг.к — начальная и конечная температуры горячего потока, соответственно, К; Тх.н и Тх.к — начальная и конечная температуры холодного потока, соответственно, К.
Таким образом, при проектировании теплообменной сети необходимо вести синтез теплообменных связей с обеспечением минимальных относительных потерь Qп/Qmax. Это приведёт к снижению капитальных затрат и обеспечит синтез теплообменной сети с минимальными тепловыми потерями.
Вывод
Решена проблема учёта влияния локализации тепловых потоков на структуру теплообменной сети путём введения в пинч-технологию оптимизационного критерия относительных тепловых потерь. Предложен способ определения этого критерия на основе фундаментальных законов теплообмена.
