同一介質(zhì)作冷、熱媒流程的優(yōu)化探討

賴文珊

（廣州拉斯卡工程咨詢有限公司，廣東廣州 510305）

在化工與醫(yī)藥工程生產(chǎn)過(guò)程中，有些單元操作如反應(yīng)、結(jié)晶等，需要頻繁切換熱媒導(dǎo)熱液與冷媒導(dǎo)熱液對(duì)物料進(jìn)行加熱和冷卻。

比較常規(guī)的做法是向工藝設(shè)備輪流通入冷、熱媒（一般為冷凍鹽水、蒸汽等一級(jí)能源），使工藝設(shè)備里的物料降溫或升溫。在冷、熱媒切換前，需要先用氣體（如壓縮空氣）吹掃，將已使用的熱媒或冷媒回收或直接排放，再加入新需要的冷媒或熱媒。常規(guī)設(shè)計(jì)通過(guò)公用工程集中供冷、供熱，可充分利用能量，效率高、成本低，冷熱切換時(shí)間短；但冷、熱媒往往不是同一種物質(zhì)，冷熱切換需用氣體吹掃，操作過(guò)程中易導(dǎo)致冷熱媒交叉污染，造成浪費(fèi)。

針對(duì)常規(guī)流程的問(wèn)題，近年出現(xiàn)一些新的設(shè)計(jì)[1，2]，即冷、熱媒均采用同一種導(dǎo)熱液，如乙二醇、導(dǎo)熱油等等。我公司在設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目時(shí)，也采用同一種導(dǎo)熱液作冷、熱媒，對(duì)工藝物料進(jìn)行加熱和冷卻。這種溫度控制流程完全避免了一級(jí)能源冷、熱媒交叉污染的問(wèn)題，冷熱交換無(wú)需氣體吹掃?？墒?，現(xiàn)有的流程在一級(jí)能源的利用上有待改善，本文就這方面的優(yōu)化作探討。

1 現(xiàn)有同一介質(zhì)作冷、熱媒流程的問(wèn)題討論

1.1 現(xiàn)有流程的工作原理

我公司現(xiàn)有的同一介質(zhì)作冷、熱媒的溫度控制流程為二級(jí)循環(huán)換熱系統(tǒng)，由加熱器、冷卻器、循環(huán)泵、膨脹罐、循環(huán)管路、控制閥及控制儀表、導(dǎo)熱液組成。流程內(nèi)部的導(dǎo)熱液通過(guò)一級(jí)能源獲得加熱和冷卻，被輸送到工藝設(shè)備的夾套或盤(pán)管，與工藝物料換熱。其工作原理示意圖詳見(jiàn)圖1。

工藝設(shè)備h需加熱時(shí)，循環(huán)回路（包括工藝設(shè)備的夾套或盤(pán)管）中充滿導(dǎo)熱液，將三通控制閥c連通加熱器d的方向，開(kāi)啟循環(huán)泵b，同時(shí)打開(kāi)調(diào)節(jié)閥f通入蒸汽加熱導(dǎo)熱液，向工藝設(shè)備h輸入熱導(dǎo)熱液；當(dāng)要冷卻時(shí)，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥f停止提供蒸汽，三通控制閥c轉(zhuǎn)向連通冷卻器e的方向，同時(shí)開(kāi)啟調(diào)節(jié)閥g通入冷凍鹽水冷卻導(dǎo)熱液，向工藝設(shè)備h輸入冷導(dǎo)熱液。

1.2 現(xiàn)有流程存在的問(wèn)題

在圖1的流程中， 冷、熱媒均采用同一種導(dǎo)熱液。雖然避免了一級(jí)能源冷、熱媒交叉污染的問(wèn)題；但對(duì)一級(jí)能源的利用不佳；主要表現(xiàn)在每當(dāng)進(jìn)行冷熱切換時(shí)，需要消耗額外的能量，而且要求一級(jí)能源供應(yīng)量過(guò)大。下面以加熱-冷卻的流程為例進(jìn)行說(shuō)明。

某工藝設(shè)備要求加熱時(shí)，導(dǎo)熱液進(jìn)出夾套或盤(pán)管的溫度分別為T(mén)1=55 ℃、T2= 53 ℃，加熱時(shí)間為t1；要求冷卻時(shí)，導(dǎo)熱液進(jìn)出夾套或盤(pán)管的溫度分別為T(mén)3= -15 ℃、T4= -13 ℃，冷卻時(shí)間為t2。冷熱切換過(guò)渡期，為完成加熱或冷卻導(dǎo)熱液所需的一次循環(huán)時(shí)間為t，且t1、t2均大于t。

設(shè)導(dǎo)熱液的體積流量（即單位時(shí)間內(nèi)流動(dòng)的導(dǎo)熱液體積）為v，c和ρ分別為導(dǎo)熱液的比熱容和密度，忽略c和ρ隨溫度的變化及導(dǎo)熱液與一級(jí)能源的換熱損失。加熱時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)熱液交換的能量為Q = cρv | T2- T1| = 2cρv，加熱期間消耗一級(jí)能源的能量Q' = Qt1= 2cρvt1；冷卻時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)熱液交換的能量Q = cρv | T4- T3| = 2cρv，冷卻期間需要消耗一級(jí)能源的能量為Q' = Qt2= 2cρvt2。

圖1 現(xiàn)有同一介質(zhì)作冷、熱媒的溫度控制流程的工作原理Fig.1 Principle of current temperature control process applying one heating and cooling medium

在加熱轉(zhuǎn)冷卻的過(guò)渡期間，導(dǎo)熱液冷卻前的溫度為加熱后的溫度T2= 53 ℃，與冷卻要求的進(jìn)口溫度T3= -15 ℃相差68 ℃。為滿足導(dǎo)熱液進(jìn)口溫度T3= - 15 ℃，單位時(shí)間內(nèi)一級(jí)能源需要提供能量Q = cρv | T2- T3| = 68cρv，可見(jiàn)在過(guò)渡期單位時(shí)間內(nèi)需要一級(jí)能源提供的能量是冷卻期間的34倍，即過(guò)渡期會(huì)造成一級(jí)能源產(chǎn)生相當(dāng)高的使用峰值。設(shè)循環(huán)回路中的導(dǎo)熱液總體積為V，有t = V / v，則過(guò)渡期間額外消耗一級(jí)能源的能量Q' = t | T2- T4| cρv = （V / v） | T2- T4| cρv = | T2- T4| cρV 。若加熱轉(zhuǎn)冷卻N次，則額外消耗的一級(jí)能源的總能量Q" = NQ' = N | T2- T4| cρV。

冷卻 - 加熱的流程同樣存在上述問(wèn)題。

2 同一介質(zhì)作冷、熱媒流程的優(yōu)化探討

針對(duì)圖1溫度控制流程存在的問(wèn)題，現(xiàn)探討對(duì)其改進(jìn)優(yōu)化，增設(shè)熱媒儲(chǔ)罐和冷媒儲(chǔ)罐，同時(shí)兼作膨脹罐，通過(guò)兩個(gè)三通控制閥實(shí)現(xiàn)冷熱切換。優(yōu)化流程最大特點(diǎn)是，即使反復(fù)進(jìn)行冷熱切換，仍能保存和重新利用導(dǎo)熱液換熱后的剩余能量，避免一級(jí)能源在冷熱切換期間產(chǎn)生使用峰值和額外的能量消耗。

優(yōu)化的溫度控制流程仍為二級(jí)循環(huán)換熱系統(tǒng)，由加熱器、冷卻器、循環(huán)泵、熱媒儲(chǔ)罐、冷媒儲(chǔ)罐、循環(huán)管路、控制閥及控制儀表、導(dǎo)熱液組成，與工藝設(shè)備的夾套或盤(pán)管相接。優(yōu)化流程通過(guò)外部的一級(jí)能源獲得加熱和冷卻，再與工藝設(shè)備進(jìn)行熱交換。其工作原理示意圖詳見(jiàn)圖2。

下面以加熱-冷卻-加熱的流程為例，說(shuō)明該流程的工作原理。初始使用時(shí)，循環(huán)回路充滿導(dǎo)熱液，同時(shí)熱媒儲(chǔ)罐i的導(dǎo)熱液儲(chǔ)存至低液位，冷媒儲(chǔ)罐j的導(dǎo)熱液儲(chǔ)存至高液位（儲(chǔ)罐內(nèi)的導(dǎo)熱液體積應(yīng)大于循環(huán)回路體積）。

圖2 同一介質(zhì)作冷、熱媒的溫度控制流程優(yōu)化后的工作原理Fig.2 Principle of optimizaed temperature control process applying one heating and cooling medium

2.1 加熱程序

準(zhǔn)備加熱時(shí)，分別開(kāi)啟三通控制閥c1和c2的A1、B1方向，循環(huán)泵b啟動(dòng)，打開(kāi)蒸汽調(diào)節(jié)閥f，導(dǎo)熱液經(jīng)加熱器d換熱后，從三通控制閥c1的A1方向流到循環(huán)泵b，被輸送到工藝設(shè)備h換熱，再?gòu)娜刂崎yc2的B1方向回流，流到加熱器d重新加熱，如此循環(huán)，持續(xù)為工藝設(shè)備h供熱。此過(guò)程中，熱媒儲(chǔ)罐i可充當(dāng)膨脹罐，安裝在高位。

2.2 加熱程序轉(zhuǎn)為冷卻程序

當(dāng)達(dá)到加熱要求后，需要冷卻時(shí)，關(guān)閉蒸汽調(diào)節(jié)閥f，將三通控制閥c1從A1方向切換至A2方向，同時(shí)打開(kāi)冷凍鹽水調(diào)節(jié)閥g，三通控制閥c2仍保持B1方向開(kāi)啟。導(dǎo)熱液自冷媒儲(chǔ)罐j流出進(jìn)入冷卻器e冷卻后，從三通控制閥c1的A2方向流到循環(huán)泵b，被輸送到工藝設(shè)備h換熱。循環(huán)回路內(nèi)原有的熱導(dǎo)熱液從三通控制閥c2的B1方向回流至熱媒儲(chǔ)罐i中儲(chǔ)存。待冷媒儲(chǔ)罐j液位達(dá)到設(shè)定低位時(shí)，即可將三通控制閥c2從B1方向切換成B2方向。此時(shí)，熱導(dǎo)熱液已基本回流至熱媒儲(chǔ)罐i中。

2.3 冷卻程序

經(jīng)過(guò)加熱程序向冷卻程序的轉(zhuǎn)換后，三通控制閥c1在A2方向，三通控制閥c2在B2方向，進(jìn)入冷卻程序。循環(huán)回路中的導(dǎo)熱液經(jīng)冷卻器e冷卻后，從三通控制閥c1的A2方向流到循環(huán)泵b，被輸送到工藝設(shè)備h換熱，再?gòu)娜刂崎yc2的B2方向回流，進(jìn)入冷卻器e重新冷卻，如此循環(huán)，持續(xù)為工藝設(shè)備h供冷。冷媒儲(chǔ)罐j可隨時(shí)向循環(huán)回路補(bǔ)充導(dǎo)熱液，安裝在高位。

2.4 冷卻程序轉(zhuǎn)為加熱程序

當(dāng)達(dá)到冷卻要求后，需要加熱時(shí)，關(guān)閉冷凍鹽水調(diào)節(jié)閥g，將三通控制閥c1從A2方向切換至A1方向，同時(shí)打開(kāi)蒸汽調(diào)節(jié)閥f，三通控制閥c2仍保持B2方向開(kāi)啟。原已加熱的導(dǎo)熱液重新自熱媒儲(chǔ)罐i流出進(jìn)入加熱器d升溫，再?gòu)娜刂崎yc1的A1方向流到循環(huán)泵b，被輸送到工藝設(shè)備h換熱。循環(huán)回路內(nèi)原有的冷導(dǎo)熱液從三通控制閥c2的B2方向回流至冷媒儲(chǔ)罐j中儲(chǔ)存。待熱媒儲(chǔ)罐i液位達(dá)到設(shè)定低位時(shí)，即可將三通控制閥c2從B2方向切換成B1方向。此時(shí)，冷導(dǎo)熱液已基本回流至冷媒儲(chǔ)罐j中，重新進(jìn)入上述 “2.1 加熱程序”。

2.5 流程優(yōu)化的關(guān)鍵和優(yōu)點(diǎn)

流程優(yōu)化的關(guān)鍵在于冷、熱導(dǎo)熱液換熱后剩余冷、熱量的保存和重新利用。 通過(guò)三通控制閥的方向切換，可實(shí)現(xiàn)加熱程序和冷卻程序的轉(zhuǎn)換。三通控制閥c1的A1和A2 的方向切換，是冷熱切換的開(kāi)始；而三通控制閥c2的B1和B2的方向切換，是冷熱切換完成的標(biāo)志。在冷熱切換過(guò)程中，冷、熱導(dǎo)熱液均同時(shí)流動(dòng)，已使用的導(dǎo)熱液能最大限度地回流至對(duì)應(yīng)儲(chǔ)罐，將剩余能量保存，待下次相應(yīng)循環(huán)開(kāi)始時(shí)重新利用，這便大大改善圖1流程對(duì)一級(jí)能源利用狀況。與原有流程相比，改進(jìn)優(yōu)化后的流程具有以下優(yōu)點(diǎn)：

第一，節(jié)約了能源，避免一級(jí)能源的額外消耗，提高其有效利用率。每次冷熱切換可節(jié)約一級(jí)能源的能量 Q' = | T2- T4| cρV。

第二，冷熱切換期間一級(jí)能源需求平穩(wěn)，避免產(chǎn)生使用峰值，相應(yīng)公用工程系統(tǒng)可采用較小管徑的輸送管路；同時(shí)可減少相應(yīng)換熱器的換熱面積，采用較小尺寸的換熱器。

第三，由于每次冷熱切換可直接利用上一次相應(yīng)循環(huán)回收的導(dǎo)熱液，節(jié)省了導(dǎo)熱液加熱或冷卻所需要的時(shí)間。

3 結(jié)論

本文探討優(yōu)化的同一介質(zhì)作冷、熱媒的溫度控制流程，與現(xiàn)有流程一樣，可選用對(duì)工藝設(shè)備腐蝕性小的導(dǎo)熱液，能完全避免常規(guī)設(shè)計(jì)易出現(xiàn)的不同冷、熱媒交叉污染的現(xiàn)象發(fā)生，冷熱切換時(shí)無(wú)需氣體吹掃。流程優(yōu)化后，冷熱切換通過(guò)三通控制閥即可實(shí)現(xiàn)，最大優(yōu)點(diǎn)是能及時(shí)保存和利用導(dǎo)熱液換熱剩余的冷量和熱量，提高一級(jí)能源的利用率。在冷熱切換期間，使一級(jí)能源需求平穩(wěn)，避免產(chǎn)生使用峰值。對(duì)于冷、熱媒溫差大及冷熱切換頻繁的工藝單元，節(jié)能效果尤其顯著。

[1] 王志敏. 乙二醇溶液制冷制熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)，2003，24（2）：28-31.

[2] 常嘉琳，唐培亮. 乙二醇水溶液作為冷/熱媒的應(yīng)用[J]. 制冷與空調(diào)，2013，13（5）：84-87.