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Heini Krämer
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1 Diss. ETH No THE CONSIDERATION OF DYNAMICS AND CONTROL IN THE DESIGN OF HEAT EXCHANGER NETWORKS A dissertation submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH for the degree of Doctor of Technical Sciences presented by KURT ALFONS REIMANN Dipl. Masch.-lng. ETH born February 3, 1952 citizen of Oberhof, AG accepted on the recommendation of Prof. Max Steiner, examiner Prof. Dr. Peter Suter, co-examiner 1986 Published as EIR-Bericht Nr. 577 by the Swiss Federal Institute for Reactor Research, Wiirenlingen

FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH for the degree of Doctor of Technical Sciences presented by KURT ALFONS REIMANN Dipl. Masch.

2 xiii Abstract The heat exchanger network method is a way of abstracting the en thalpy and heat flows from the blueprints of a planned or existing processing plant. It enables a systematic design of a plant-wide heat recovery system which is optimal with regard to energy costs, capital costs and operational requirements. A heat exchanger network is a representation of all heat transfer relations between hot process streams (i.e. those which have to be cooled down, e.g. products of distillation) and cold process streams (i.e. those which have to be heated up, e.g. feeds to distillation) within a plant. During the past ten years, the optimal design of heat exchanger networks (i.e. the optimal arrangement of heat transfer relations within a plant) has developed into a field of research of its own. Most of the research in this field has concentrated on the steady-state performance of heat exchanger networks on both fixed and variable operating conditions (in the latter case the term "resilience" is fre quently used). In this work, networks are investigated with respect to their dynamic performance. The intention is to find guidelines for a "design for controllability", which complement the existing steadystate design methods. Both, static methods ("interaction analysis") and dynamic methods ("process reaction curve analysis") from control theory have been used to explore the new field of heat exchanger network dynamics. As a major tool, an interactive, portable computer program for network simulation and controllability assessment has been developed (it is available as a design tool within the frame of the International Energy Agency). Based on the well-understood global parameters: effectiveness and NTU, which follow from the network design, some straightforward methods covering the following topics are presented:

A heat exchanger network is a representation of all heat transfer relations between hot process streams (i.e. those which have to be cooled down, e.g. products of distillation) and cold process streams (i.

3 - "paths" - locations - influence XIV for control and disturbance signal transfer across the net work, of control bypasses around heat exchangers, and their capacity of emitting control signals or absorbing disturbances, of the equipment besides the heat exchangers (which can be regarded as "surrounding" the network, thus forming an "associated" network). It has been found that networks which are designed according to the "pinch-based" method have a potential for good controllability. It is shown how, using the freedoms given in the "pinch-based" design and the above-mentioned methods, that potential is put into effect.

network, thus forming an "associated" network).

4 XV Kurzfassung Anlagen der thermischen Verfahrenstechnik (z.b. Olraffinerien, Anlagen der Grundstoffchemie, Zellstoffwerke, Farbereien, aber auch Fernheiznetze) sind gekennzeichnet durch Stoffstrome, denen Energie zugefuhrt wird, urn sie aufzuheizen, und solche, denen Energie entzogen wird, urn sie abzukuhlen. Abzukuhlende Stoffstrome konnen ihre Energie mittels Warmeubertragern *) in geeigneten Temperaturbereichen an aufzuheizende Strome abgeben. Dadurch wird diese Energie "ruckgewonnen". Eine Darstellung aller Warmeubertragungs-Verbindungen zwischen den Stoffstromen einer Aniage nennt man Warmeubertrager- Netz. Obwohl solche Netze abstrakte Gebilde sind, die nur einen Teilaspekt der Aniage wiedergeben, konnen sie separat entworfen werden. Da in ihnen alle Enthalpie- und Warmeflusse der Aniage zusammengefabt sind, stellen sie bei Neu- und Umbauprojekten ein wirksames Instrument zur Planung einer rationellen Energieverwendung dar. Es gibt Methoden zur Unterstutzung des Entwurfs von Warmeubertrager-Netzen fur vorgegebene, stationare Betriebsbedingungen. Sie beruhen auf der Tatsache, da6 fur einen Satz von aufzuheizenden und abzukuhlenden Stoffstromen mit gegebenen Anfangs- und Endtemperaturen das theoretische Minimum der von ausen zuzufuhrenden Energie bestimmt werden kann (aufgrund des 1. und 2. Hauptsatzes der Thermodynamik). Dank ihrer Einfachheit weit verbreitet ist die "pinch-based design" Methode. Sie wird erganzt durch Methoden, die die Optimalitat des Netzes fur ein ganzes Spektrum sich andernder Betriebsbedingungen zu gewahrleisten suchen (ein Schlusselbegriff in diesem Zusammenhang ist "resilience"). Ein Gesichtspunkt unter vielen (z.b. Kosten, Sicherheit, Raumverha'ltnisse), der beim Entwurf eines Warmeubertrager-Netzes berucksichtigt werden mub, ist die Regelbarkeit. Es ist bekannt, das durch Entscheide in einem fruheren Entwurfsstadium, lange vor der Festlegung konkreter Regelkreise, das dynamische Verhalten einer Aniage *) ein Begriff, der gema'g VDI-Richtlinien den gebrauchlichen, "Warmeaustauscher", ablosen soil.

denen Energie entzogen wird, urn sie abzukuhlen. Abzukuhlende Stoffstrome konnen ihre Energie mittels Warmeubertragern *) in geeigneten Temperaturbereichen an aufzuheizende Strome abgeben.

5 - sowohl xvi stark beeinflubt wird. Davon hangen aber Regelbarkeit und letztlich Anlagensicherheit und Produktequalitat ab. Die Folgen von Fehlentscheiden in einem fruhen Entwurfsstadium lassen sich spa'ter, beim konkreten Entwurf des Regelsystems, oft nur noch mit grobem Aufwand korrigieren. Es wurde nach Richtlinien gesucht, die dem Planer Hinweise geben, auf was er beim Entwurf von Warmeubertrager-Netzen achten mub, urn ein regelfreundliches Betriebsverhalten der Aniage zu erzielen. Da das spezielle Gebiet des transienten Verhaltens solcher Netze bis anhin praktisch nicht erforscht war, wurde versucht, mit bewahrten Methoden aus der Regelungstheorie statischen ("interaction analysis") als auch dynamischen ("process reaction curve analysis") - einen ersten Uberblick zu gewinnen. Als Arbeitsinstrument wurde ein interaktives, portables Rechnerprogramm zur Simulation und Regelbarkeitsabschatzung von Warmeuber trager-netzen entwickelt. Im Rahmen einer lea-programmbibliothek wird es den Teilnehmern am IEA "Heat Transfer"-Programm als Ent wurfshilfsmittel zur Verfugung stehen. Die gefundenen Entwurfsrichtlinien, die nicht den Charakter von Rezepten haben, beruhen auf den Signal-Ubertragungseigenschaften der einzelnen Warmeubertrager, welche sich aus dem bekannten Globalparameter e (Wirkungsgrad, "effectiveness") auf einfache Weise ergeben. Sie geben Hinweise, wie sich sowohl unerwunschte Storungen als auch erwtinschte Reglerwirkungen durch das Netz hindurch fortpflanzen. Damit lassen sich gunstige Regeleingriffstellen sowie geeignete "Pfade" fur die Bildung von Regelkreisen finden. AuBerdem konnen die maximalen Reglerwirkungen von BypaB-Regelungen bestimmt werden. Angesichts des entscheidenden Einflusses von StellgroBenbeschrankungen auf die Regelgiite kommt diesem Punkt grobe Bedeutung bei der Wahl der Reglereingriffstellen zu. Ein ursprunglich vermuteter Zusammenhang zwischen einem weiteren bekannten Globalparameter, des NTU ("number of transfer units") und dem Regelbarkeitsindex der "reaction curve analysis", t / t.., konnte dagegen aufgrund der durchgefuhrten Simulationsexperimente nicht bestatigt werden.

Es wurde nach Richtlinien gesucht, die dem Planer Hinweise geben, auf was er beim Entwurf von Warmeubertrager-Netzen achten mub, urn ein regelfreundliches Betriebsverhalten der Aniage zu erzielen.

6 XVII Als wichtiges Resultat la'bt sich aussagen, dab Netze, die nach der "pinch-based" Methode entworfen wurden, grundsatzlich gunstige Vor aussetzungen fur die Installation wirksamer Regelkreise bieten. Dem Planer werden Hinweise gegeben, wie er durch Ausnutzung der Freiheiten, die ihm diese Methode einraumt, das Netz so gestalten kann, dab von diesen gunstigen Voraussetzungen auch Gebrauch gemacht wird.

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