Использование энергосберегающей Pinch-технологии при проектировании и расчёте теплообменных сетей

Введение
Изобретённая в середине 1980-х годов, Pinch -технология представляет системный подход к анализу энергетических сетей и улучшению энергосбережения промышленных процессов. Первоначальное применение Pinch технологии принесло отличные результаты – потребление энергии сократилось в среднем на 15-25%. Через несколько лет методика была опробована почти во всех отраслях промышленности.

Сегодня Pinch -технология хорошо продумана и успешно применяется в тысячах проектов во всём мире каждый раз, когда требуется создать тепловую сеть с минимальным расходом энергии.
Pinch -технология использует графические изображения энергетических потоков процесса, и использование потоков, определяющие минимальные энергетические затраты.
В технике для характеристики горячих и холодных тепловых потоков используются диаграммы “температура-энтальпия”. Сумма горячих и холодных потоков может быть изображена на такой же диаграмме, из которой можно определить минимальную температурную разность.

Кривые отображают поток энергии внутри аппарата. Верхняя кривая, характеризующая горячий поток – это сумма всего доступного тепла процесса в аппарате. Оно может быть передано другому потоку или направлено на холодное потребление, например передать тепло холодной воде. Нижняя кривая характеризует холодный поток и также представляет сумму всех теплот, требующихся процессу. Этот поток может быть нагрет другими способами (в теплообменнике или может пойти на горячее потребление, например, в печь).
Проблема восстановления тепла включает в себя горячий и холодный потоки и может быть решена с использованием диаграммы ”температура-количество теплоты”.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ «Pinch –технологии»
1. «Pinch –анализ» направлен на решение задачи минимизации потребления энергии системы путем оптимизации процессов рекуперации тепла, методов подвода энергии и условий эксплуатации.
2. Согласно основному уравнению теплопередачи поверхность теплообмена равна
Стремяться создать как можно меньше.
Тогда возрастает.

Увеличиваются капитальные затраты.
Но происходит экономия эксплуатационных затрат – затрат энергии.
Происходит постоянная экономия энергии.

Пример использования энергосберегающей Pinch-технологии при проектировании и расчёте теплообменных сетей
Рассчитать и спроектировать теплообменную сеть, используя энергосберегающую Pinch-технологию.
Минимальная разность температур ∆tмин =10 С.
Определить:
1. Место положения Pinch;
2. Горячее потребление теплоты;
3. Холодное потребление теплоты;
4. Необходимое число теплообменников и их тепловые нагрузки.

60
0
0
0
0
0
0
0
0
80
180
120
4
30
100
3
1
130
2
40

Исходные данные для расчёта

Тепло, которое отдают горячие потоки определяются по формуле:
Qi=Gi∙ci∙(tн i – tк i)
Тепло, которое потребляют холодные потоки вычисляется по формуле:
Qi=Gi∙ci∙(tк i – tн i)

180 С
0
130 С
0
100 С
0
120 С
0
80 C
0
40 С
0
60 С
0
30 С
0
Q =100
Q =180
Q =160
Q =162
1
2
3
4
100 кВт
62 кВт
100 кВт
160 кВт
160 кВт
20 кВт
Q =20 кВт
Q =62 кВт
г
х
пар
вода

180 С
0
130 С
0
100 С
0
120 С
0
80 C
0
40 С
0
60 С
0
30 С
0
Q =100
Q =180
Q =160
Q =162
1
2
3
4
100 кВт
60 кВт
100 кВт
162 кВт
162 кВт
18 кВт
Q =60 кВт
Q =18 кВт
г
х
пар
вода
2 Способ

60
0
80
0
85
0
180
0
120
0
130
0
49
0
30
0
100
0
пар
130
0
100
60
162
18
1
3
2
4
40
0
вода

80 кВт
80 кВт
150 кВт
50 кВт
2
1
Q =G1·C1·(t1k-t2k)= 0,5·2·(180-130)= 50 кВт
Q = G2·C2·(t1k-t2k)= 1·2·(80-40) =80 кВт
Q =(G1·C1 + G2C2)· (T2k-T1н)= (0,5·2 + 1·2)·(130-80)=150 кВт
//
///
180 кВт
100 кВт
Изображение горячих потоков на t - Q диаграмме и построение композитной линии
/
t, C
0
Q, кВт
10 кВт

4
3
54 кВт
232 кВт
Q =G4·C4·(t4k-t3k)= 1·1,8·(120-100)= 36 кВт
Q = G4·C4·(t3k-t4k)= 1·1,8·(60-30) =54 кВт
Q =(G3·C3 + G4C4)·(T3k-T3н)= (2·2 + 1·1,8)·(100-60)=232
/
///
//
162 кВт
160 кВт
Изображение холодных потоков t - Q диаграмме и построение композитной линии
Q, кВт
t, C
0
10 кВт

Q = 6 кВт
х
Q =274 кВт
восст
Q = 48 кВт
г
Pinch
t = 70 C
P
г
t = 60 C
P
х
t, C
Q, кВт
0
10 кВт

Потоки над Pinch и под Pinch рассматриваются отдельно.
3 золотых правила Pinch-технологии:
Нельзя устанавливать холодильники в системе над Pinch.
Нельзя устанавливать нагреватели в системе под Pinch.
Нельзя передавать тепло через Pinch.

180 С
0
130 С
0
100 С
0
120 С
0
80 C
0
70 С
0
60 С
0
60 С
0
Q =100
Q =120
Q =160
Q =108
1
2
3
4
100 кВт
40 кВт
100 кВт
120 кВт
120 кВт
8 кВт
1
2
3
4
1,0
2,0
4,0
1,8
Q =60
2
Q =54
4
2
4
2,0
1,8
54 кВт
54 кВт
6 кВт
пар
пар
вода
70 С
0
60 С
0
40 С
0
30 С
0
Над
Под
G ·c

Совмещаем сеть теплообменников над и под Pinch в одну

60
0
80
0
40
0
180
0
0
30
100
0
130
6
1
2
4
3
54
40
хол.вода
70
43
0
0
0
0
0
0
8
пар
120
пар
50
60
115
120
100
115
0

Табличный способ определения места положения Pinch, а также горячего и холодного потребления.

t, C
0
Q, кВт

1
2
3
4
5
175
125
105
75
65
35
1
1,2,4
1,2,3,4
2,3,4
2,4
1
2
3
4
t, C
0

х
г
х
г

-50
-24
84
38
-6
0
74
50
-10
-48
-42
175
125
105
75
65
35
48
98
122
38
0
6
Q
Q
Pinch
гор
хол
t = 65 + (Δt )/2= 70 C
t = 65 - (Δt )/2= 60 C
0
0
г
х
min
min
р
р

Тепло, которое отдают горячие потоки определяются по формуле:
Qi=Gi∙ci∙(tн i – tк i)
Тепло, которое потребляют холодные потоки вычисляется по формуле:
Qi=Gi∙ci∙(tк i – tн i)