同一介质作冷、热媒流程的优化探讨

赖文珊

（广州拉斯卡工程咨询有限公司，广东广州 510305）

在化工与医药工程生产过程中，有些单元操作如反应、结晶等，需要频繁切换热媒导热液与冷媒导热液对物料进行加热和冷却。

比较常规的做法是向工艺设备轮流通入冷、热媒（一般为冷冻盐水、蒸汽等一级能源），使工艺设备里的物料降温或升温。在冷、热媒切换前，需要先用气体（如压缩空气）吹扫，将已使用的热媒或冷媒回收或直接排放，再加入新需要的冷媒或热媒。常规设计通过公用工程集中供冷、供热，可充分利用能量，效率高、成本低，冷热切换时间短；但冷、热媒往往不是同一种物质，冷热切换需用气体吹扫，操作过程中易导致冷热媒交叉污染，造成浪费。

针对常规流程的问题，近年出现一些新的设计[1，2]，即冷、热媒均采用同一种导热液，如乙二醇、导热油等等。我公司在设计工程项目时，也采用同一种导热液作冷、热媒，对工艺物料进行加热和冷却。这种温度控制流程完全避免了一级能源冷、热媒交叉污染的问题，冷热交换无需气体吹扫。可是，现有的流程在一级能源的利用上有待改善，本文就这方面的优化作探讨。

1 现有同一介质作冷、热媒流程的问题讨论

1.1 现有流程的工作原理

我公司现有的同一介质作冷、热媒的温度控制流程为二级循环换热系统，由加热器、冷却器、循环泵、膨胀罐、循环管路、控制阀及控制仪表、导热液组成。流程内部的导热液通过一级能源获得加热和冷却，被输送到工艺设备的夹套或盘管，与工艺物料换热。其工作原理示意图详见图1。

工艺设备h需加热时，循环回路（包括工艺设备的夹套或盘管）中充满导热液，将三通控制阀c连通加热器d的方向，开启循环泵b，同时打开调节阀f通入蒸汽加热导热液，向工艺设备h输入热导热液；当要冷却时，关闭调节阀f停止提供蒸汽，三通控制阀c转向连通冷却器e的方向，同时开启调节阀g通入冷冻盐水冷却导热液，向工艺设备h输入冷导热液。

1.2 现有流程存在的问题

在图1的流程中， 冷、热媒均采用同一种导热液。虽然避免了一级能源冷、热媒交叉污染的问题；但对一级能源的利用不佳；主要表现在每当进行冷热切换时，需要消耗额外的能量，而且要求一级能源供应量过大。下面以加热-冷却的流程为例进行说明。

某工艺设备要求加热时，导热液进出夹套或盘管的温度分别为T1=55 ℃、T2= 53 ℃，加热时间为t1；要求冷却时，导热液进出夹套或盘管的温度分别为T3= -15 ℃、T4= -13 ℃，冷却时间为t2。冷热切换过渡期，为完成加热或冷却导热液所需的一次循环时间为t，且t1、t2均大于t。

设导热液的体积流量（即单位时间内流动的导热液体积）为v，c和ρ分别为导热液的比热容和密度，忽略c和ρ随温度的变化及导热液与一级能源的换热损失。加热时，单位时间内导热液交换的能量为Q = cρv | T2- T1| = 2cρv，加热期间消耗一级能源的能量Q' = Qt1= 2cρvt1；冷却时，单位时间内导热液交换的能量Q = cρv | T4- T3| = 2cρv，冷却期间需要消耗一级能源的能量为Q' = Qt2= 2cρvt2。

图1 现有同一介质作冷、热媒的温度控制流程的工作原理Fig.1 Principle of current temperature control process applying one heating and cooling medium

在加热转冷却的过渡期间，导热液冷却前的温度为加热后的温度T2= 53 ℃，与冷却要求的进口温度T3= -15 ℃相差68 ℃。为满足导热液进口温度T3= - 15 ℃，单位时间内一级能源需要提供能量Q = cρv | T2- T3| = 68cρv，可见在过渡期单位时间内需要一级能源提供的能量是冷却期间的34倍，即过渡期会造成一级能源产生相当高的使用峰值。设循环回路中的导热液总体积为V，有t = V / v，则过渡期间额外消耗一级能源的能量Q' = t | T2- T4| cρv = （V / v） | T2- T4| cρv = | T2- T4| cρV 。若加热转冷却N次，则额外消耗的一级能源的总能量Q" = NQ' = N | T2- T4| cρV。

冷却 - 加热的流程同样存在上述问题。

2 同一介质作冷、热媒流程的优化探讨

针对图1温度控制流程存在的问题，现探讨对其改进优化，增设热媒储罐和冷媒储罐，同时兼作膨胀罐，通过两个三通控制阀实现冷热切换。优化流程最大特点是，即使反复进行冷热切换，仍能保存和重新利用导热液换热后的剩余能量，避免一级能源在冷热切换期间产生使用峰值和额外的能量消耗。

优化的温度控制流程仍为二级循环换热系统，由加热器、冷却器、循环泵、热媒储罐、冷媒储罐、循环管路、控制阀及控制仪表、导热液组成，与工艺设备的夹套或盘管相接。优化流程通过外部的一级能源获得加热和冷却，再与工艺设备进行热交换。其工作原理示意图详见图2。

下面以加热-冷却-加热的流程为例，说明该流程的工作原理。初始使用时，循环回路充满导热液，同时热媒储罐i的导热液储存至低液位，冷媒储罐j的导热液储存至高液位（储罐内的导热液体积应大于循环回路体积）。

图2 同一介质作冷、热媒的温度控制流程优化后的工作原理Fig.2 Principle of optimizaed temperature control process applying one heating and cooling medium

2.1 加热程序

准备加热时，分别开启三通控制阀c1和c2的A1、B1方向，循环泵b启动，打开蒸汽调节阀f，导热液经加热器d换热后，从三通控制阀c1的A1方向流到循环泵b，被输送到工艺设备h换热，再从三通控制阀c2的B1方向回流，流到加热器d重新加热，如此循环，持续为工艺设备h供热。此过程中，热媒储罐i可充当膨胀罐，安装在高位。

2.2 加热程序转为冷却程序

当达到加热要求后，需要冷却时，关闭蒸汽调节阀f，将三通控制阀c1从A1方向切换至A2方向，同时打开冷冻盐水调节阀g，三通控制阀c2仍保持B1方向开启。导热液自冷媒储罐j流出进入冷却器e冷却后，从三通控制阀c1的A2方向流到循环泵b，被输送到工艺设备h换热。循环回路内原有的热导热液从三通控制阀c2的B1方向回流至热媒储罐i中储存。待冷媒储罐j液位达到设定低位时，即可将三通控制阀c2从B1方向切换成B2方向。此时，热导热液已基本回流至热媒储罐i中。

2.3 冷却程序

经过加热程序向冷却程序的转换后，三通控制阀c1在A2方向，三通控制阀c2在B2方向，进入冷却程序。循环回路中的导热液经冷却器e冷却后，从三通控制阀c1的A2方向流到循环泵b，被输送到工艺设备h换热，再从三通控制阀c2的B2方向回流，进入冷却器e重新冷却，如此循环，持续为工艺设备h供冷。冷媒储罐j可随时向循环回路补充导热液，安装在高位。

2.4 冷却程序转为加热程序

当达到冷却要求后，需要加热时，关闭冷冻盐水调节阀g，将三通控制阀c1从A2方向切换至A1方向，同时打开蒸汽调节阀f，三通控制阀c2仍保持B2方向开启。原已加热的导热液重新自热媒储罐i流出进入加热器d升温，再从三通控制阀c1的A1方向流到循环泵b，被输送到工艺设备h换热。循环回路内原有的冷导热液从三通控制阀c2的B2方向回流至冷媒储罐j中储存。待热媒储罐i液位达到设定低位时，即可将三通控制阀c2从B2方向切换成B1方向。此时，冷导热液已基本回流至冷媒储罐j中，重新进入上述 “2.1 加热程序”。

2.5 流程优化的关键和优点

流程优化的关键在于冷、热导热液换热后剩余冷、热量的保存和重新利用。 通过三通控制阀的方向切换，可实现加热程序和冷却程序的转换。三通控制阀c1的A1和A2 的方向切换，是冷热切换的开始；而三通控制阀c2的B1和B2的方向切换，是冷热切换完成的标志。在冷热切换过程中，冷、热导热液均同时流动，已使用的导热液能最大限度地回流至对应储罐，将剩余能量保存，待下次相应循环开始时重新利用，这便大大改善图1流程对一级能源利用状况。与原有流程相比，改进优化后的流程具有以下优点：

第一，节约了能源，避免一级能源的额外消耗，提高其有效利用率。每次冷热切换可节约一级能源的能量 Q' = | T2- T4| cρV。

第二，冷热切换期间一级能源需求平稳，避免产生使用峰值，相应公用工程系统可采用较小管径的输送管路；同时可减少相应换热器的换热面积，采用较小尺寸的换热器。

第三，由于每次冷热切换可直接利用上一次相应循环回收的导热液，节省了导热液加热或冷却所需要的时间。

3 结论

本文探讨优化的同一介质作冷、热媒的温度控制流程，与现有流程一样，可选用对工艺设备腐蚀性小的导热液，能完全避免常规设计易出现的不同冷、热媒交叉污染的现象发生，冷热切换时无需气体吹扫。流程优化后，冷热切换通过三通控制阀即可实现，最大优点是能及时保存和利用导热液换热剩余的冷量和热量，提高一级能源的利用率。在冷热切换期间，使一级能源需求平稳，避免产生使用峰值。对于冷、热媒温差大及冷热切换频繁的工艺单元，节能效果尤其显著。

[1] 王志敏. 乙二醇溶液制冷制热系统的设计与应用[J]. 医药工程设计，2003，24（2）：28-31.

[2] 常嘉琳，唐培亮. 乙二醇水溶液作为冷/热媒的应用[J]. 制冷与空调，2013，13（5）：84-87.