工程科学与技术，国际期刊21（2018）70完整文章换热器和换热网络的经济性E. Kayabasia，H.p.，H.库尔特湾a土耳其Karabuk，Karabuk大学，机械工程系，工程学院b土耳其科尼亚内梅廷埃尔巴坎大学工程和建筑学院机械工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年10月9日收到2018年1月28日修订2018年2月13日接受2018年2月21日在线提供保留字：经济模拟换热器换热网络A B S T R A C T推导了效率系数e与费用系数f之间的关系，建立了一个经济性模拟模型，对各种流型的换热器和换热器网络进行了模拟计算，并对换热器的经济性进行了分析。第一次在Cr=0的条件下，平行流、逆流、错流和所有HE的e值根据f、NTU（传递单元数）和最小热容（Cmin）推导得出。利用经济计算得到的e值建立了水电厂经济模拟模型。 通过静态模拟得到了包括出口温度和入口温度在内的流场矢量。在经济模拟模型中使用。然后，进行了案例研究与逆流在样品HEN中随机测定的HE和e值。利用经济学模拟模型，根据冷、热流性质，通过线性方程组的方法，不需要复杂的过程、迭代、软件和特殊硬件，就可以很容易地计算出一个热交换网络中所有热交换器的使用（N）、费用（P）和节省（E©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍能源是所有国家维持工业、农业、运输和家庭所需能源供应的一个基本参数[1，2]。不断增加的工业设施和快速的技术进步导致了巨大的能源需求，而不是减少能源[3，4]。此外，日益增加的能源依赖出现了诸如环境污染、全球变暖、能源成本增加和能源使用效率低下等问题[3，5]。因此，一些发展中国家在满足能源需求和供应之间的能源缺口方面遇到了麻烦[6]。在世界范围内，80%的总热能生产是由使用化石燃料的发电厂完成的，而26%的这种能源没有被利用，也没有被释放到大气中[1，7，8]。此外，33%的一次能源使用由生产工业构成[9]。因此，对于使用热能操作的工业设施，在利用热回收装置的情况下，废能中存在重要的能量源[2，10，11]。在几乎所有的动力和化学工程设施中，热交换器在两种或多种流体之间传递热量以回收废热*通讯作者。电子邮件地址：erhankayabasi@karabuk.edu.tr（E.Kayabasi）。由Karabuk大学负责进行同行审查作为一个子单元[12，13]。通过这种方式，为设施创造了二次能源。这种二次能源确保了一次能源消耗和一次能源成本的显著降低。此外，HE直接提高热力系统的总效率并减少环境影响，减少热力系统中设备的尺寸和数量[14，15]。HE用于不同的领域，如加热、制冷、空调系统、石化工艺、再加热炉、污水处理等[10，14，16]。在这种情况下，近四十年来，HEN进行了广泛的研究，以提高总效率并最大限度地减少费用[17]。为此，进行了几项研究，以进行高等教育的成本和e优化。Sadeghzadeh等人[18]，将遗传和粒子群算法用于技术经济最优的管壳式换热器设计。他们定义了一个成本函数，包括基于热传递表面积（AR）和克服压降的功耗的HE成本。Manassaldi等人[19]开发了一种数学模型，通过最小化风机消耗的AR和功率，以最小化包括AR和运行成本在内的总费用的标准来实现风冷式HE的最佳设计。Asadi等人[17]研究了一种布谷鸟搜索算法，用于壳管式换热器的优化。选择年度总成本作为目标函数。 通过分析两个案例来评估这种方法的有效性。案例研究https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.02.0062215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch0HBCBE. Kayabasi，H. Kurt/Engineering Science and Technology，an International Journal 21（2018）70-7671结果表明，与粒子群优化算法（PSO）和遗传算法（GA）相比，年运行费用分别降低了77%和48%。Teke等人[7]，研究了一种确定最佳热效率的方法，该方法考虑了技术和经济参数，如单位面积成本（ na ）、寿命、燃料的低热值、总传热系数（U ）、运行时间（TB）、流动的热容（Cp该模型提供了最大的E和确定最佳的HE与最小的AR。Selbas等人[20]从经济角度出发，采用遗传算法开发了一种管壳式换热器的新设计方法，用于优化设计。在他们的研究中，设计变量被选择为外管直径、管布置、管通道数量、挡板间距和挡板切割。Ponce-Ortega等人[21]，研究了一种简单的算法，用于多程1-2壳管式换热器串联的设计和经济优化他们使用的FT设计方法和不等式约束，确保可行的和实用的HE。Caputo等人[22]，提出了一种壳管式换热器的优化设计方法他们使用遗传算法来最小化设备的总成本，包括资本投资和与泵送相关的折扣年能量支出之和。Orozaliev等人[23]提出了一种设计优化的自动化方法，其目标是由于参数对HE效率的复杂影响而实现最大效率。对100%的高等教育进行了投资评估，无需任何复杂的工艺、迭代软件和特殊的硬件，就冷流和热流性质而言2. 材料和方法利用热能的设施，通过烟道气发挥废能。为了降低能源生产成本，提高设备效率，降低烟气冷却成本，余热回收作为二次能源是最好的方法。首先，通过使用能量生产成本、冷却成本和操作成本计算设备中有和没有HE的条件下的设备的总体节省。然后，导出了节约系数（e）与e之间的关系式，并对并联、逆流、错流和所有换热器（Cr=0）导出了这一关系式。本文将已有的经济计算公式和热力计算公式转化为线性方程组的形式，建立了由多台换热器组成的换热网络的经济模拟模型。如图1所示，需要热能的设施的总成本包括热过程所需能量的生产成本（nh）、防止热污染的烟气冷却成本（nc）和设施的运行成本（KB）。在热回收之前，这样的设施的总成本计算如等式2所（1）[12]。整个系统（热交换器、风扇、泵、管道）的运行成本，ing）。然后制定了具体的方法来形成成本K 千分之一吉尔夫·T·Q吉尔夫·T·Qð1Þ功能，特别是对于。然而，他们都没有考虑到HE和HEN对燃料消耗、加热和冷却成本的经济贡献。此外，当考虑到在一个设施中存在许多HE时，没有从经济方面研究所有HE的模拟在这项研究中，e和费用系数（f）在此基础上，首次建立了经济模拟模型，对各种流量布置的总经济效率进行了模拟。首先，用f、NTU和最小Cp导出了平行流、逆流、错流和所有换热器在Cr=0条件下的E值。其次，推导了热力计算与经济计算之间的关系。从静态模拟模型[24]中获得经济模拟所需的入口和出口温度。最后，通过实例验证了仿真模型的有效性.流动类型选择为逆流在经济模拟中，通过线性方程组的方法，可以方便地计算出网络中所有HE的N、P和E其中，KB是运行成本，nh是能量生产成本，nc是冷却成本，TB是年运行持续时间，Qh是加热量，Qc是冷却量。应用热回收后，总成本降低，根据投资和回收热量的数量，将有一个节省。总成本KR和热交换器建立后节省的E在方程中给出。（2）Eq.（3）[12]。KR¼KBvhTB Qh-QRvcTB Qc-QRvaARz 2E¼TB Q Rvhvc-vaARz 3式中，na为单位传热面积费用，AR为换热器总传热面积，z为折旧系数。第一部分TB QRvhvc表示总利润，第二部分vAAR z表示换热器建立后的总费用。命名法HHC0BHAR：所需传热面积（m2）Ti：入口温度（°C）Cr：热容比（kJ/K）TI：入口温度矢量（°C）C_h：热流热容（kW/K）致：出口温度（°C）C_c：冷流热容（kW/K）Qh：供热量（kWh）Cmin：最小热容量（kW/K）Qc：制冷量（kWh）Cmax：最大热容量（kW/K）Ti：热流入口温度（°C）e：无干扰节约系数致：热流出口温度（°C）E：节省（€/a）TB：运行时间（h）E：单位矩阵Ti：入口温度冷流（°C）我：输入矩阵致：出口温度冷流（°C）K：高等教育前总费用（欧元/a）CU：总传热系数（W/m2 K）KB：运营成本（€/a）z：折旧系数（1/a）KR：热回收后的成本（€/a）vh：能源生产成本（€/kWh）编号：数量的热交换器va：单位面积成本（€/kWh）编号：使用（€/a）vc：冷却成本（€/kWh）阿：输出矩阵j：成本矩阵P：价格（€/a）编号：摩擦系数史：结构矩阵C-¼ðÞ2Cr18HCrC;;¼Cr-e-NTUð第72E. Kayabasi，H.库尔特/工程科学与技术，国际期刊21（2018）70根据等式（11）如果e成为最大，则设施的节省将是最大的。当e的导数等于零时，有效性将最大，如等式所示（10）Eq.（十一）、德德埃dNTU-2012年12月12 日DedNTU¼n13用这种方法，导出了e-NTU和e-f之间的关系式，如方程（1）所示.（12）Eq. （十三）、根据等式（12）Eq. 当e对NTU的导数等于f时，设施的节省将是最大的。3. 关于经济参数的有效性推导在本节中，根据f、NTU和Cmin导出了平行流、逆流和交叉流换热器的e值。当量（13）适用于所有类型的换热器。3.1. 平行流换热器Fig. 1. 使用热能的示例设施的操作模式。为了推导出与平行流换热器的经济参数相关的e，我们必须将从平行流换热器的热力计算中获得的e代入方程式（1）中。（十一）、在Eq。（三）、热回收率的另一个方程可以写成Eq. （4）[25]。Q_ReCminTh;i-Tc;i4其中e是热交换器的效率，Cmin是流体的低热容量，Th，i和Tc，i分别是热流体和冷流体替换Eq。（4）在Eq.（3）、E vhvc TBeCmin Th;i-Tc;i-vAARz 5得出当总节约量除以最大可能节约量时，得到无因次节约系数eE1e½-NTU1Cr]e¼1°Cr14 ° C因此，Eq.对于平行流HE，获得公式（15）e-NTU1Crn15我们可以从Eq中看到。（15）式中，e-NTU1Cr等于1-e1Cr。将1-e1Cr代入等式（十五）、e1-n161升Cr当量（16）衍生。由此，我们得到了平行流HE的经济参数e3.2. 逆流式换热器evvh c;替换Eq。（3）在Eq. （6）将方程乘以总传热系数（U）（7）和（8）。效率（e）可在逆流HE的热计算中获得，方程为：（17）. 替换Eq。（17）在Eq.（11），[1-e½-NTU（1-C）]eevaAR z U7e¼1-Cre½-NTU1-Cr]17¼ ð -ðvhþvcÞTB CminðTh;i-Tc;iÞÞUð ÞeeU-vaz ARUe¼1°Cr-q1-Cr24CrnUvhvcTBUTh;i-Tc;iCmin当量（18）得到。因此，我们获得了逆流HEs的e由方程式（8）表达式AR UC分钟和vAzð9Þ在经济参数方面3.3. 交叉流换热器效率（e）可在横流HE的热计算中获得，（19）对于Cmin未混合的条件，v分别表示换热器NTU和无量纲费用系数（f）[12]。通过在方程中代入NTU和f，使无量纲节约系数变得简单。（10），如等式中所示。（十一）、电子邮件：info@ntun.com.cnCmax混合[25]。e1/4。1-e-Cr1-e-NTU19替换Eq。（19）在Eq.（11），方程。（20）得到。e1.1个月20Þ0vs20TB20e20Cmin20VA20n2AR2z2SHC10e2min10Cmin2h1;iTh2ic1;iTc2i0Cc0- 1个¼E. Kayabasi，H. Kurt/Engineering Science and Technology，an International Journal 21（2018）70-7673效率（e）可在横流HE的热计算中获得，（21），对于Cmin混合和Cmax未混合的条件[25]，当Eq. 将公式（29）转换为线性方程组以计算HEN或多于一个HE的P， （30）是派生的。.-1 1-e-CrNTUe¼1-eCr替换Eq。（21）在Eq.（11），方程。（22）得到。ð21ÞPva100VA2n1AR10z10n2AR2z2ð29Þe1ne-CrNTUð22Þ因此，为了计算和监测所有人的总体节省，设备中的热交换器，方程"第26、27和29条被取代。因此，我们得到了在经济参数方面的两种条件下的横流HEs的e在Eq.（5），然后得到经济模型，由方程式（30）.3.4. 所有热交换器（Cr=0）Evs10TB10e10Cmin10ΣΣDT1ΣDT2效率（e）可以在热计算中获得，HEs（Cr =0），等式（23）[25]。---2019年1月30日e¼1 -e-NTU23当量（24）通过替换Eq.（23）在Eq.（十一）、e¼ 1-n24因此，我们得到了所有换热器（Cr=0）的经济参数。方程中的横流HE方程。（20）式的计算结果不仅与无因次费用系数f和热容比Cr有关，还与NTU有关。因此，在交叉流HE（Cmin未混合和Cmax混合）中，当出口温度已知时，即，相对于热计算计算e时方程式中获得的横流HE方程式（22）式的计算结果不仅与无因次费用系数f和热容比Cr有关，还与NTU有关。 然而，它没有数值或迭代的解决方案，当量（22），因为解中的大多数结果由虚数组成。4. 经济模拟模型在计算节能的设施中，每个HE必须一起考虑，无论它们是否连接到HEN。然而，在单独进行经济计算的情况下，它阻止了节省的比较和容易地监控设施的所有节省量。在这里，为了在一个步骤中容易地监控所有设备的节省，需要一个经济模拟模型。仅一个换热器的经济使用（N）的第一部分，如方程式所示。（3）可以单独写成Eq。（25）.N<$TB QRvhvc25当Eq.（25）转换为线性方程系统以计算HEN或多于一个HE的N，Eq.（26）是衍生的。其中，n定义加热和冷却成本之和（n+n），DT定义热流和冷流入口之间的温差（Th， i-Tc，i）。当量（30）对于设施中的几个热交换器是实用的，无论它们是否连接到HEN。 有效性（e）值，输入温度的流动而其它模拟分量必须手工写入方程。然而，对于HEN Eq. （30）必须修改。 为此，Eq。 （4）写在Eq。 （三十一）和等式（32），Q_R¼C_h=Th;i=Th;o=31Q_R¼C_cTc;o-Tc;i32此外，为了计算HEN的出口温度，等式（33）可以使用[24]，To¼E-e·S-1·e·I·TI 33为了计算HEN的入口温度，等式 [24]可以使用[24]。Ti¼S·ToI·TI 34式中，T0是出口温度矢量，E是单位矩阵，e是效率矩阵，S是结构矩阵，定义了HEN的冷热流体之间的流匹配，I输入矩阵定义了输入入口流的坐标，TI定义系统的入口温度矢量，Ti定义网络中HE的入口温度矢量[24]。在建立HE的经济模拟时，HENs，热流体和冷流体之间的流匹配定义为：结构矩阵S，这对模型的完整性很重要这里，S矩阵由四个子矩阵组成，分别代表热流体路径、冷流体路径和确定匹配点。 在SNvh1vc10电话：+86-510 -8888888传真：+86-510 - 8888888矩阵，路径数也表示流体流量比，即261/40vh2/2vc20TB2QR2ð因为 数字可以用于0之间的任何值，1[24]。仅一个热交换器的蒸发热量在方程中给出。（四）、当Eq. 将公式（4）转换为线性方程组以计算HEN或多于一个HE的热回收，公式（4）（28）推导将T_0向量代入经济模型，得到了一个新的HEN经济模拟模型，如式（1）所示。（35）Eq. （36）。e00美元-TEvs10TB10Ch0 10DT1S2;-;10001 11R10ΣΣz1Σ仅一个HE的费用（P）在方程的第二部分中给出。（3）如下。-0VA20n2AR2z2ð35ÞPjARz 28TB CFDT-aARz 36¼--一种Q_R¼ð27Þ0v的0TB2DT274E. Kayabasi，H.库尔特/工程科学与技术，国际期刊21（2018）70其中j是成本矩阵，定义了加热和冷却成本的总和，TB是持续时间矩阵，定义了HE的操作持续时间，C是热容矩阵，F是分别获得热流和冷流的入口和温差的校正矩阵。5. 案例研究对具有不同技术指标的平行流、逆流和错流换热器进行了经济性模拟，并进行了比较。5.1. 并联、逆流、错流和全热交换器的经济计算在经济计算中，通过使用方程“1”中的方程计算平均流量HE的AR、f、e、e和NTU值。第9、10、11、16、26条，取代表1. 经济计算的结果是给定在表2.对于这些样本HE，使用相同技术参数的e和e的变化规格见表1。在图中显示。2和35.2. 换热网络在本节中，对HEN样本进行经济模拟，以监测所有HE的E如果网络的出口温度是已知的，我们可以从静态模拟开始，这是因为有效性是已知的然后进行经济模拟. 如果存在一个最大储蓄预期，我们应该在继续静态模拟之后，从经济模拟开始推导最优e在本案例研究中，考虑了第一种情况。第一，填充Eq。进行图4中的样本网络的静态模拟，以获得HE的出口和入口温度。初始数据取自表3。图4中给出的网络由三个热流和两个冷流组成。热流的温度值假定为120 °C、200 °C和150 °C并且对于热流1、热流2、热流3、冷流1、冷流3和冷流4，冷流的温度值被假定为20 °C和30 °C。2，分别。在本案例研究中，通过考虑逆流来计算所有HE的R 。图二、样本HE的有效性变更图3.第三章。保存样本HE的系数变化为了模拟HEN，我们应该将这些向量代入等式：（36）利用简单的数学软件求解方程组。经济模拟的汇总表见表4。表1HE样品的技术性能规范H C表2经济计算的结果。H CCmin[kW/K]Cmax [kW/K]vH[€/kWh]vc[€/kWh]va[€/m2]z[1/h]Ti[°C]Ti[°C]TB[h]U [kW/m2 K]2100.040.014000.11201040000.2流类型ARneeNTUToToQR节省[m2][°C][°C][千瓦][€/a]平行39.170.009090.790.8253.91729.128.1181.634 766计数器53.250.009090.940.995.3211.231.8217.541 371横60.10.009090.920.976.0113.331.3213.340 263所有470.009090.950.994.70113221841 719E. Kayabasi，H. Kurt/Engineering Science and Technology，an International Journal 21（2018）70-7675见图4。 样品母鸡。表3HE的初始输入数据Nr.Ch[kW/K]Cc [kW/K]vH[€/kWh]vc[€/kWh]va[€/m2]z[1/h]TB[h]U [kW/m2 K]eAR[m2]HE 12100.040.014000.140000.10.7530.6HE 22100.040.014000.140000.10.6019.7HE 32100.040.014000.140000.10.6522.7HE 42100.040.014000.140000.10.7026.3HE 52100.040.014000.140000.10.5014.6HE 62100.040.014000.140000.10.358.9他72100.040.014000.140000.10.4010.6表4经济模拟汇总表Nr.热流入口[°C]热流出口[°C]冷流入口[°C]冷流出口[°C]使用[€/a][€/a]节省[€/a]HE 196.539.1203122 9571 22421 733HE 2109.262.531.440.818 65078817 862HE 320096.540.861.541 39190840 483HE 41207961.569.716 3801 05215 328HE 564473033.46 8115846 227HE 6150109.233.441.516 32435615 968他7796441.544.55 9974245 573将图4和表4结合起来考虑，样本网络中每个HE的经济贡献可以在一个表中清楚地观察到。6. 结论推导了效率系数和费用系数之间的关系，然后建立了一个经济模拟模型，用于模拟所有流量类型的HE，并监测设施中的节省。用f、NTU和Cmin导出了平行流、逆流、错流和所有换热器在Cr=0条件下的E值。e和e随温差的变化以曲线的形式给出。 2和3e从生态-在样本HE的经济模拟中使用了经济学计算。在交叉流热交换器中，当HE的出口温度已知时，即相对于热计算计算e，解是可能的，否则解仅通过迭代是可能的。考虑图中的结果。在图2和图3中，e随温差变化的差异与e随温度变化的差异几乎相同。此外，由于所需的能量减少，e总是随着e阿尔河因此，在推导出方程（1）中给出的（35）Eq.（36）第一次。对于三种流动类型，运行经济模拟模型，结果汇总于表4中。对于经济性模拟，出口温度和入口温度矢量，从另一静态模拟模型获得。对于样本网络中的换热器，流动类型被选择为逆流，并且换热器的e被随机地确定。因此，该装置中所有换热器的使用、费用和节省都可以通过线性方程组的方式容易地计算，而不需要任何复杂的过程。引用[1] R.王文，火力发电厂的能量、火用、火用经济性和经济性（4-E）分析，北京：中国科学技术出版社。Technol. 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