南京工业大学ASPEN学习第五章换热器设计

1、万辉化工学院第五章第五章 ASPEN PLUSASPEN PLUS的换热器模型的换热器模型化工软件应用化工软件应用第五章第五章 换热器的设计与模拟换热器的设计与模拟 C5.1 ASPEN PLUS的换热器模型 模型模型说明说明目的目的用于用于Heater加热器或冷却器确定出口物流的热和相态条件加热器、冷却器、冷凝器等HeatX两股物流的换热器在两个物流之间换热两股物流的换热器。当知道几何尺寸时，核算管壳式换热器MHeatX多股物流的换热器在多股物流之间换热多股热流和冷流换热器，两股物流的换热器，LNG换热器Hetran管壳式换热器提供B-JAC Hetran管壳式换热器程序界面管壳式换热器，包

2、括釜式再沸器Aerotran空冷换热器提供B-JAC Aerotran空冷换热器程序界面错流式换热器包括空气冷却器ASPEN PLUS的换热器模型的换热器模型C Heater加热器或冷却器，可执行简单的能量守恒计算，仅需要一个过程流股C HeatX两股物流的换热器，在严格计算时使用，可以计算能量守恒、压降、换热器面积等。需要两个流股(冷、热流体)。C MheatX多股物流的换热器C Hetran管壳式换热器，使用B-JAC Hetran换热器程序的换热器算法，如果没有B-JAC程序，就不能使用该模块。C Aerotran空冷换热器，使用B-JAC程序的另一模块C HXFlux热通量换热器，用于

3、计算采用对流传热的热接收器与热源之间的热传递。C HTRIXISTASPEN与HTRI的接口。Heater 模型模型Heater 模型用于模拟以下单元，改变单股物流的温度、压力模型用于模拟以下单元，改变单股物流的温度、压力和相态和相态：加热器加热器冷却器冷却器阀门（仅改变压力，不涉及阻力）阀门（仅改变压力，不涉及阻力）泵（仅改变压力，不涉及功率）泵（仅改变压力，不涉及功率）压缩机（仅改变压力，不涉及功率压缩机（仅改变压力，不涉及功率）Heater 连接连接Heater 模型的连接图如下：Heater 模型参数模型参数Heater模型有两组模型设定参数：模型有两组模型设定参数：1、闪蒸规定、闪蒸

4、规定( Flash specifications) （1）温度）温度 Temperature （2）压力）压力 Pressure （3）温度改变）温度改变 Temperature change （4）蒸汽分率）蒸汽分率 Vapor fraction （5）过热度）过热度 Degrees of superheating （6）过冷度）过冷度 Degrees of subcooling （7）热负荷）热负荷 Heat duty从中任选两项从中任选两项Heater 模型参数模型参数2、有效相态、有效相态 ( Valid Phase )（1）蒸汽）蒸汽（2）液体）液体（3）固体）固体（4）汽）汽液液（

5、5）汽）汽液液液液（6）液）液游离水游离水（7）汽）汽液液游离水游离水HeatX 模型模型 HeatX 模型用于模拟下述结构的管-壳式换热器：C逆流/并流（Countercurrent / Cocurrent)C弓形折流板壳程（Segmental Baffle Shell）C圆盘型折流板壳程（Rod Baffle Shell）C光管/低翅片管（Bare/Low-finned Tubes)HeatX 连接连接HeatX 模型的连接图如下：HeatX模型设定模型设定计算类型计算类型 Calculation流动方式流动方式 Flow arrangement换热器设定换热器设定 Exchanger s

6、pecificationHeatX 的设定从规定的设定从规定(Specification) 表单着手，有三组设表单着手，有三组设定参数：定参数：HeatX计算类型计算类型计算栏目中有三个选项：计算栏目中有三个选项： 1、简捷计算、简捷计算 Short-cut 2、详、详细计算细计算 Detailed 3、Hetran 精确计算精确计算 Hetran Rigorous 输出输出Hetran软件软件(换热器设计专用软件换热器设计专用软件)的输入文件供其精确计算。的输入文件供其精确计算。下部的下拉式选择框中也有三个选项：下部的下拉式选择框中也有三个选项： 1、设计、设计 Design 2、核算、核算

7、 Rating 3、模拟、模拟 Simulation两组选两组选项按下述方式配合使用：项按下述方式配合使用：HeatX简捷计算简捷计算简捷计算简捷计算只能与只能与设计设计或或模拟模拟选项配合。选项配合。简捷计算简捷计算不考虑换热器不考虑换热器几何结构对传热和压降的影响，人为给定传热系数和压降的数值。几何结构对传热和压降的影响，人为给定传热系数和压降的数值。 使用使用设计设计选项时，需设定热选项时，需设定热(冷冷)物流的出口状态或换热负荷，物流的出口状态或换热负荷，模块计算达到指定换热要求所需的换热面积。模块计算达到指定换热要求所需的换热面积。 使用使用模拟模拟选项时，需设定换热面积，模块计算两

8、股物流的出口选项时，需设定换热面积，模块计算两股物流的出口状态。状态。HeatX的简捷法核算与严格法核算比较的简捷法核算与严格法核算比较 C用Setup Specifications页上的Calculation Type（核算类型）字段来规定简捷法或严格法核算。 C简捷法核算不需要换热器结构或几何尺寸数据。 C对于严格法核算模型，可以用换热器几何尺寸去估算：A 膜系数（Film coefficients）A 压降（Pressure drops）A 对数平均温差校正因子（Log-mean temperature difference correction factor）HeatX流动方式流动方式

9、流动方式设定包括：流动方式设定包括：1、热流体、热流体(Hot fluid)流动空间：流动空间： 壳程壳程 (Shell) /管程管程 (Tube)2、流动方向、流动方向(Flow direction)： 逆流逆流 (Countercurrent) 并流并流 (Co-current) 多管程流动多管程流动 (Multiple passes)HeatX流动方式流动方式1、逆流、逆流 Countercurrent2、并流、并流 CocurrentHeatX 换热器设定换热器设定热物流出口温度热物流出口温度 (Hot stream outlet temperature)热物流出口温降热物流出口温降

10、(Hot stream outlet temperature decrease)热物流出口温差热物流出口温差 (Hot stream outlet temperature approach)热物流出口过冷度热物流出口过冷度 (Hot stream outlet degrees subcooling)热物流出口蒸汽分率热物流出口蒸汽分率 (Hot stream outlet vapor fraction)共共有有13个个选选项项HeatX 换热器设定换热器设定冷物流出口温度冷物流出口温度 (Cold stream outlet temperature)冷物流出口温升冷物流出口温升 (Cold s

11、tream outlet temperature increase)冷物流出口温差冷物流出口温差 (Cold stream outlet temperature approach)冷物流出口过热度冷物流出口过热度 (Cold stream outlet degrees superheat)冷物流出口蒸汽分率冷物流出口蒸汽分率 (Cold stream outlet vapor fraction)HeatX 换热器设定换热器设定传热面积传热面积 (Heat transfer area)热负荷热负荷 (Exchanger duty)几何条件几何条件 (Geometry) 在详细计算时采用。在详细计

12、算时采用。HeatX 换热器设定换热器设定热物流出口温差热物流出口温差 HeatX 换热器设定换热器设定冷物流出口温差冷物流出口温差 HeatX LMTD校正校正由于换热器内的流动并非理想的并流或逆流，因此有效传热推动力需在对数由于换热器内的流动并非理想的并流或逆流，因此有效传热推动力需在对数平均温差平均温差(LMTD)的基础上进行校正。校正因子的计算方法有四个选项的基础上进行校正。校正因子的计算方法有四个选项：1、常数、常数 Constant 由用户指定校正系数，可查手册。由用户指定校正系数，可查手册。2、几何结构、几何结构 Geometry 由软件根据换热器结构和流动情况计算。由软件根据换

13、热器结构和流动情况计算。3、用户子程序、用户子程序 User-subr4、计算值、计算值 Calculated 流动方向为多管程流动时采用。流动方向为多管程流动时采用。HeatX 压降压降压降压降 ( Pressure Drop )分别指定热侧和冷侧的出口压力分别指定热侧和冷侧的出口压力 ( Outlet pressure ) 指定值指定值 0，代表出口的绝对压力值，代表出口的绝对压力值 指定值指定值 0，代表出口相对于进口的压力降低值，代表出口相对于进口的压力降低值HeatX总传热系数方法总传热系数方法 总传热系数方法总传热系数方法 ( U methods )常数常数 (Constant)相

14、态法相态法 (Phase specific values) 分别指定冷热两侧不同相态组合下的传热系数分别指定冷热两侧不同相态组合下的传热系数幂函数幂函数 (Power law expression) U=Uref (Flow/Flowref)exponentHeatX总传热系数方法总传热系数方法相态法相态法HeatX结果查看结果查看HeatX最重要的是热参数结果最重要的是热参数结果(Thermal results)，其下包括五张表，其下包括五张表单：单： 概况概况 Summary 衡算衡算 Balance 换热器详情换热器详情 Exchanger details 压降压降/速度速度 Pre d

15、rop/velocities 分区分区 ZonesHeatX结果查看结果查看概况表单给出了冷、热物流的进、出口温度、压概况表单给出了冷、热物流的进、出口温度、压力、蒸汽分率力、蒸汽分率(Vapor fraction)，以及换热器的热负荷，以及换热器的热负荷(Heat duty)。HeatX结果查看结果查看对于简捷算法，换热器详情表单给出了需要的换热器面积对于简捷算法，换热器详情表单给出了需要的换热器面积(Required exchanger area) 、结垢、结垢(Dirty)条件下的平均传热系数条件下的平均传热系数(Avg. heat transfer coefficient)、校正后的对

16、数平均温差、校正后的对数平均温差(LMTD corrected) 和对数平均温差校正因子和对数平均温差校正因子(LMTD correction factor)等有等有用的信息。用的信息。HeatX结果查看结果查看分区表单给出了换热器内根据冷、热流体相态对传热面分区表单给出了换热器内根据冷、热流体相态对传热面积分区计算的情况，包括各区域的热流体温度、冷流体温度、积分区计算的情况，包括各区域的热流体温度、冷流体温度、对数平均温差、传热系数、热负荷和传热面积信息。我们可根对数平均温差、传热系数、热负荷和传热面积信息。我们可根据此信息分析换热方案是否合理以及改进设计方案的方向。据此信息分析换热方案是否

17、合理以及改进设计方案的方向。HeatXHeatX具有有效值的选项具有有效值的选项 变量变量计算方法计算方法在简捷法模型中可采用在简捷法模型中可采用在严格法模型中可采在严格法模型中可采用用LMTD Correction Factor（LMTD校正因子）常数几何尺寸用户子程序DefaultNoNoYesDefaultYesHeat Transfer Coefficient（传热系数）常数值特定相态的值幂率表达式膜系数换热器几何尺寸用户子程序YesDefaultYesNoNoNoYesYesYesYesDefaultYesFilm Coefficient（膜系数）常数值特定相态的值幂率表达式由几何尺

18、寸计算NoNoNoNoYesYesYesDefaultPressure Drop（压降）出口压力由几何尺寸计算DefaultNoYesDefaultHeatX详细计算详细计算详细计算详细计算只能与只能与核算或模拟核算或模拟选项配合。详细计算可选项配合。详细计算可根据根据给定的换热器几何结构和流动情况给定的换热器几何结构和流动情况计算实际的换热面积、传热计算实际的换热面积、传热系数、对数平均温度校正因子和压降。系数、对数平均温度校正因子和压降。使用使用核算核算选项时，模块根据设定的换热要求计算需要的选项时，模块根据设定的换热要求计算需要的换热面积换热面积。使用使用模拟模拟选项时，模块根据实际的换

19、热面积计算选项时，模块根据实际的换热面积计算两股物两股物流的出口状态流的出口状态。HeatX详细计算详细计算压降压降 ( Pressure Drop )分别指定热侧和冷侧的出口压力分别指定热侧和冷侧的出口压力 ( Outlet pressure ) 根据几何结构计算根据几何结构计算 ( Calculated from geometry )HeatX详细计算详细计算总传热系数方法总传热系数方法 ( U methods )常数常数 ( Constant )相态法相态法 ( Phase specific values ) 幂函数幂函数 ( Power law expression )换热器几换热器几

20、何结构何结构 ( Exchanger Geometry )传热膜系数传热膜系数 ( Film coefficients ) 详细计算采用后两种方法详细计算采用后两种方法HeatX详细计算详细计算膜系数法根据换热器的几何结构和流动情况分别计膜系数法根据换热器的几何结构和流动情况分别计算热流体侧和冷流体侧的传热膜系数算热流体侧和冷流体侧的传热膜系数(Film coefficients)，根，根据管壁材料和厚度计算传导热阻，再结合给定的污垢热阻据管壁材料和厚度计算传导热阻，再结合给定的污垢热阻因子因子(Fouling factor)计算出总传热系数计算出总传热系数U。HeatX详细计算详细计算 在简

21、捷法核算模型中，在简捷法核算模型中，HeatX模型不计算模型不计算膜系数，在严格法核算模型中，如果在传热膜系数，在严格法核算模型中，如果在传热系数计算方法中使用膜系数或换热器几何尺系数计算方法中使用膜系数或换热器几何尺寸，寸，HeatX计算传热系数，使用：计算传热系数，使用：hc = 冷流膜系数冷流膜系数hh = 热流膜系数热流膜系数 hchhU111HeatX详细计算详细计算详细计算时需输入换热器的几何结构参数。从数据详细计算时需输入换热器的几何结构参数。从数据浏览器左侧的目录树中选择浏览器左侧的目录树中选择几何几何(Geometry)项目，项目，然后在右然后在右侧的侧的壳程壳程(Shell

22、)、管程、管程(Tubes)、管翅、管翅(Tube fins)、折流挡板、折流挡板(Baffles)和管嘴和管嘴(Nozzles)表单中输入相应的数据。表单中输入相应的数据。HeatX详细计算详细计算壳程壳程(Shell)表单中包含以下参数：表单中包含以下参数：壳程类型壳程类型 TEMA shell type管程数管程数 No. of tube passes换热器方位换热器方位 Exchanger orientation密封圈数密封圈数 Number of sealing strip pairs管程流向管程流向 Direction of tubeside flow壳内径壳内径 Inside s

23、hell diameter壳壳/管束间隙管束间隙 Shell to bundle clearance壳程参数壳程参数HeatX详细计算详细计算壳程类型包含六种结构供选用：壳程类型包含六种结构供选用：HeatX详细计算详细计算HeatX详细计算详细计算管程管程(Tubes)表单中包含以下参数：表单中包含以下参数：选择管类型选择管类型 Select tube type 裸管裸管 Bare tube 翅片管翅片管 Finned tube管程布置管程布置 Tube layout 总管数总管数 Total number 管长管长 Length 排列模式排列模式 Pattern 中心距中心距 Pitch

24、材料材料 Material 导热系数导热系数 Conductivity管程参数管程参数HeatX详细计算详细计算管程参数还有管尺寸管程参数还有管尺寸(Tube size)，可用两种方式输入：，可用两种方式输入：实际尺寸实际尺寸 Actual内径内径 Inner diameter外径外径 Outer diameter 厚度厚度 Tube thickness 三选二三选二公称尺寸公称尺寸 Nominal 直径直径 Diameter BWG规格规格 Birmingham wire gaugeHeatX详细计算详细计算列管排列模式列管排列模式HeatX详细计算详细计算管翅结构管翅结构对于翅片管，还需从

25、管翅对于翅片管，还需从管翅(Tube fins)表单中输入以下参数：表单中输入以下参数：翅片高度翅片高度 Fin height 翅片高度翅片高度 / 翅片根部平均直径翅片根部平均直径Fin height /Fin root mean diameter翅片间距翅片间距 Fin spacing:每单位长度的翅片数每单位长度的翅片数 / 翅片厚度翅片厚度Number of fins per unit length /Fin thicknessHeatX详细计算详细计算HeatX详细计算详细计算有两种挡板结构可供选用：有两种挡板结构可供选用： 1、段档板、段档板 Segmental baffle 2、

26、杆挡板、杆挡板 Rod baffle从从挡板挡板(Baffles)表单中进行选择并输入有关参数。表单中进行选择并输入有关参数。挡板结构挡板结构HeatX详细计算详细计算段挡板需输入以下参数：段挡板需输入以下参数：所有壳程中的挡板总数所有壳程中的挡板总数 No. of baffles, all passes挡板切割率挡板切割率 Baffle cut (fraction of shell diameter)管板到第一挡板的间距管板到第一挡板的间距 Tubesheet to 1st baffle spacing挡板间距挡板间距 Baffle to baffle spacing管板到最后一块挡板的间距

27、管板到最后一块挡板的间距 Last baffle to Tubesheet spacing壳壁壳壁/挡板间隙挡板间隙 Shell-baffle clearance管壁管壁/挡板间隙挡板间隙 Tube-baffle clearance段挡板段挡板HeatX详细计算详细计算Segmental BaffleSegmental BaffleHeatX详细计算详细计算杆挡板需输入以下参数：杆挡板需输入以下参数：所有壳程中的挡板总数所有壳程中的挡板总数 No. of baffles, all passes圆环内径圆环内径 Inside diameter of ring圆环外径圆环外径 Outside di

28、ameter of ring支撑杆直径支撑杆直径 Support rod diameter每块挡板的支撑杆总长每块挡板的支撑杆总长 Total length of support rods per baffle杆挡板杆挡板HeatX详细计算详细计算HeatX详细计算详细计算管嘴管嘴管嘴即换热器的物料进出接口，需从管嘴即换热器的物料进出接口，需从Nozzle表单中输入以下参数：表单中输入以下参数：输入壳程管嘴直径输入壳程管嘴直径 Enter shell side nozzle diameters 进口管嘴直径进口管嘴直径 Inet nozzle diameter 出口管嘴直径出口管嘴直径 Outlet nozzle diameter输入管程管嘴直径输入管程管嘴直径 Enter tube side nozzle diameters 进口管嘴直径进口管嘴直径 Inlet nozzle diameter 出口管嘴直径出口管嘴直径 Outlet nozzle diameterHeatX详细计算详细计算HeatX最重要的是最重要的是热参数结果热参数结果(Thermal results)，其下包括五张表，其下包括五张表单：单： 概况概况 Summary 衡算衡算 Balance 换热器详情换热器详情 Exchanger details 压降压降/速度速度 Pre d