吳 偉， 葉 楓

（新疆大學化學化工學院，新疆 烏魯木齊 830046）

當今社會,能源的節(jié)約、回收、合理利用，日益被人們關(guān)注，節(jié)能減排已成為我國的基本國策。在各生產(chǎn)行業(yè)中，化工行業(yè)是耗能大戶，是我國實行節(jié)能減排的重中之重，而熱交換是化工生產(chǎn)中的基本過程，所以換熱網(wǎng)絡(luò)是能量循環(huán)利用的重要子過程[1-3],因此，對換熱網(wǎng)絡(luò)進行分析、調(diào)優(yōu)就顯得非常重要。

換熱網(wǎng)絡(luò)分析、優(yōu)化的方法有很多，其中以linnhoff等為代表的夾點技術(shù)[4,5]最能反映問題的實質(zhì)，并在實際應(yīng)用中取得令人滿意的結(jié)果。夾點技術(shù)的困難在于對于實際工藝過程，需要匹配換熱的工藝物流可能非常多，此時夾點的求取就會非常繁瑣、運算量很大、計算需要大量時間，而采取夾點技術(shù)的工程應(yīng)用軟件如Aspen pinch、Hextran等專業(yè)性較強、上手困難、且技術(shù)授權(quán)費用不菲、不易推廣[6]，因此開發(fā)出界面友好、操作簡單、免費的夾點技術(shù)軟件是十分必要地。

本文將Visual Basic 6.0圖形化界面與access數(shù)據(jù)庫結(jié)合，利用VB開發(fā)出用戶操作界面，后臺調(diào)用access數(shù)據(jù)庫處理數(shù)據(jù)，得出換熱網(wǎng)絡(luò)夾點位置、最小公用工程用量，繪制出總組合曲線，并對實例進行夾點分析、取得滿意結(jié)果。

1 問題表格法

問題表格法是最常用的夾點技術(shù)應(yīng)用方法，它的求解步驟如下：

第1步：按照熱交換最小傳熱溫差△Tmin將熱、冷物流進出口溫度轉(zhuǎn)換為虛擬溫度，轉(zhuǎn)換方式為熱物流進出口溫度減去△Tmin值的一半，冷物流進出口溫度加上△Tmin值的一半。之后將轉(zhuǎn)換后的溫度降序排列成k+1行，從而形成k個溫度區(qū)間 ，每一區(qū)間都是1個子網(wǎng)絡(luò)。

第2步：依次對每1子網(wǎng)用下列公式進行處理。

其中:Dk—第k個子網(wǎng)的赤字(Defict),表示該處滿足熱平衡需要外部提供的熱量。

Dk>0—需要外界提供熱量；

Dk<0—該子網(wǎng)有剩余熱量可輸出。

Ik—提供給第k個子網(wǎng)的熱量，I1=0；

Ik+1—提供給第k+1個子網(wǎng)的熱量;

Ok—第k個子網(wǎng)向外排出熱量；

∑Cpcold和∑Cphot分別代表第k個子網(wǎng)中冷、熱物流的熱容流率之和；

K—子網(wǎng)總數(shù);

（Tk-Tk+1）—第k個子網(wǎng)的溫度間隔。

第 3步：找到子網(wǎng)中 Ok最小的值，取絕對值后即為最小公用工程加熱量。然后令I(lǐng)1等于最小公用工程加熱量，用公式（2）、公式（3）再次對每一子網(wǎng)進行計算，此時子網(wǎng)中Ik為0的區(qū)間和Ok為0的區(qū)間相交的溫度即為夾點溫度，OK的值為最小公用工程冷卻量[7]。

2 編程設(shè)計

本軟件采用“問題表格法”來確定換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點位置，需要用戶輸入冷熱物流的進出口溫度、熱容流率和最小傳熱溫差△Tmin，之后軟件會根據(jù)輸入信息自動劃分子網(wǎng)、確定夾點溫度、最小公用工程用量、繪制總組合曲線。

2.1 軟件的整體設(shè)計

本軟件通過VB開發(fā)出可視化前臺用戶界面，結(jié)合access2000數(shù)據(jù)庫后臺運算來實現(xiàn)其功能。

其軟件工作流程如圖1所示，軟件開始運行后，會在軟件所在路徑（即存放軟件的文件夾）下建立名為hen.db的access 2000數(shù)據(jù)庫文件;待用戶在前臺界面輸入完信息后，信息交互給access數(shù)據(jù)庫，軟件通過執(zhí)行SQL語言調(diào)用access數(shù)據(jù)庫來進行后臺運算得到計算結(jié)果；最后access數(shù)據(jù)庫會將結(jié)果輸出到用戶界面向用戶反饋。軟件運行結(jié)束后，會自動刪除hen.db文件。

圖1 軟件工作流程Fig.1 software working process

2.2 VB前臺用戶界面

本軟件用戶界面分為兩屏，第1屏為歡迎界面，第2屏為操作界面。

用戶運行本軟件后首先彈出歡迎界面，該界面簡述了該軟件的功能、操作方法，點擊界面下方計算按鈕則進入操作界面。否則按退出按鈕退出軟件。

進入操作界面后，軟件會提示用戶逐步輸入熱冷流體數(shù)目、各流體進出口溫度和熱容流率、最小傳熱溫差。全部輸入完畢后，點擊計算按鈕，操作界面會出現(xiàn)結(jié)果顯示欄，將夾點溫度 、最小公用工程加熱量、最小公用工程冷卻量、總組合曲線反饋給用戶。

計算完畢后，可以點擊繼續(xù)計算按鈕計算新的數(shù)據(jù)或者點擊退出按鈕結(jié)束計算。

2.3 access數(shù)據(jù)庫后臺運行

當用戶點擊計算之后，后臺程序運行，將用戶輸入數(shù)據(jù)存儲到access 2000數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫按照“問題表格法”的求解方法處理數(shù)據(jù)，處理完成后，計算結(jié)果輸出到用戶界面，其后臺程序計算步驟如圖2。

2.4 VB與access數(shù)據(jù)交互

VB與access進行數(shù)據(jù)交互有多種方法，本程序采用的是ADO控件、DataGrid控件和MSChart控件來與access數(shù)據(jù)庫交互數(shù)據(jù)。其交互過程如下：

(1)用戶在交互界面輸入完冷熱流股數(shù)后，程序會同時在后臺建立該換熱網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫，并通過ADO控件進行鏈接。

(2)按照第2步提示，用戶將會在DataGrid表格控件中輸入物流信息。

(3)當用戶點擊計算后，程序通過SQL語言調(diào)用access數(shù)據(jù)庫，處理數(shù)據(jù)。

(4) MSChart控件在結(jié)果欄繪制總組合曲線。自此，程序運行結(jié)束。

圖2 后臺程序計算步驟Fig.2 background program working process

3 實例計算

下邊舉例來驗證本軟件的準確性。

某一工藝過程包含9股熱物流和兩股冷物流，指定冷熱物流間最小傳熱溫差為 30 ℃，詳細數(shù)據(jù)見表1。

表1 物流信息Table 1 stream information

運行程序，按照每步提示輸入物流信息后，界面如圖3所示。

圖3 用戶輸入界面Fig.3 User importing interface

點擊計算按鈕，程序自動運算，并顯示計算結(jié)果，其界面如圖4所示。總組合曲線反映了系統(tǒng)能量在各溫度區(qū)間的分布關(guān)系，其焓值為0對應(yīng)的溫度即為夾點溫度，該換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點溫度為225 ℃。225 ℃是虛擬溫度，實際熱物流的夾點溫度為 240℃，冷物流的夾點溫度為210 ℃，最小公用工程加熱量為：10 705.35 kW，最小公用工程冷卻量為：4 304.299 kW。

圖4 計算結(jié)果Fig.4 The results

4 結(jié) 論

(1) 本文以“問題表格法”為指導方法，通過VB+access混合編程得到的換熱網(wǎng)絡(luò)夾點技術(shù)軟件。經(jīng)過實例驗證，證明其計算結(jié)果準確可靠。

(2) 該軟件界面友好直觀，操作簡便、且軟件體積小，能方便快捷確定換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點溫度、最小公用工程用量，并能繪制出總組合曲線，是很有效的換熱網(wǎng)絡(luò)分析與優(yōu)化的輔助工具。

［1］馮宵.化工節(jié)能原理與技術(shù)[M].3版.北京:化學工業(yè)出版社,2009.

［2］楊杉杉,羅行,陳德珍,溫卿云.較大規(guī)模換熱網(wǎng)絡(luò)的一種綜合優(yōu)化方法[J].能源技術(shù),2007,28(1):19-27.

［3］Benoit Aleen,Myriam Savard-Goguen,Louis Gosselin.Optimizing heat exchanger networks with genetic algorithms for designing each heat exchanger including condensers[J].Apploed Thermal Engineering,2009,(29):3437-3444.

［4］Linnhoff, B.,E. Hindmarsh. The Pinch design method for heat exchanger networks[J]. Computers & Chemical Engineering, 1983,38:745.

［5］Linnhof, B. Pinch analysis-A state of the art overview[J]. Transactions of the Institution of Chemical Engineers, 1993, 71:503.

［6］牛秀明,陳宏剛.平衡級分離計算的電子表格[J].計算機與應(yīng)用化學,2008,25(5):558-560.

［7］姚平經(jīng).全過程系統(tǒng)能量優(yōu)化綜合[M].大連:大連理工大學出版社,1995.