第六章 换热器设计

1、ASPEN PLUS在化工过程设计中的应用在化工过程设计中的应用第六章第六章 换热器的设计与模拟换热器的设计与模拟内容内容C6.1 Heater换热器换热器/冷却器冷却器C6.2 HeatX两股物流的换热器两股物流的换热器C6.3 换热器设计计算示例换热器设计计算示例模型模型说明说明目的目的用于用于Heater加热器或冷却器加热器或冷却器确定出口物流的热和确定出口物流的热和相态条件相态条件加热器、冷却器、冷凝加热器、冷却器、冷凝器等器等HeatX两股物流的换热器两股物流的换热器在两个物流之间换热在两个物流之间换热两股物流的换热器。当两股物流的换热器。当知道几何尺寸时，核算知道几何尺寸时，核算管

2、壳式换热器管壳式换热器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传热模型分类传热模型分类传热模型分类传热模型分类6.1 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、压力和相态： 加热器 冷却器 阀门（仅改变压力，不涉及阻力） 泵（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

3、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( Flash specifications) （1）温度 Temperature （2）压力 Pressure （3）温度改变 Temperature change （4）蒸汽分率 Vapor fraction （5）过热度 Degrees of superheating （6）过冷度 Degrees of subcooling （7）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 ( Valid Phase )

4、（1）蒸汽（2）液体（3）固体（4）汽液（5）汽液液（6）液游离水（7）汽液游离水6.2 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折流板壳程（Segmental Baffle Shell）C棍式折流板壳程（Rod Baffle Shell）C裸管/低翅片管（Bare/Low-finned Tubes)计算两股物流之间的热量交换。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 Calculation流动方式 Flow arrangement换热器设定 Exch

5、anger specificationHeatX 的设定从规定(Specification) 表单着手，有三组设定参数：HeatX计算类型计算类型(1)计算栏目中有三个选项： 1、简捷计算 Short-cut 2、详细计算 Detailed 3、Hetran 精确计算 Hetran Rigorous 输出Hetran软件(换热器设计专用软件)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： 1、设计 Design 2、核算 Rating 3、模拟 Simulation 两组选项按下述方式配合使用：6.2.1 HeatX简捷计算简捷计算C简捷计算只能与设计或模拟选项配合。简捷计算不考虑

6、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。C使用设计选项时，需设定热(冷)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。C使用模拟选项时，需设定换热面积，模块计算两股物流的出口状态。HeatX流动方式流动方式(2)流动方式设定包括：1、热流体(Hot fluid)流动空间： 壳程 (Shell) /管程 (Tube)2、流动方向(Flow direction)： 逆流 (Countercurrent) 并流 (Co-current) 多管程流动 (Multiple passes)HeatX流动方式流动方式(2)1、逆流 Countercurrent2、

7、并流 CocurrentHeatX 换热器设定换热器设定(3)热物流出口温度 (Hot stream outlet temperature)热物流出口温降 (Hot stream outlet temperature decrease)热物流出口温差 (Hot stream outlet temperature approach)热物流出口过冷度 (Hot stream outlet degrees subcooling)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(3)热物流出口温差热物流出口

8、温差 HeatX 换热器设定换热器设定(3)冷物流出口温度 (Cold stream outlet temperature)冷物流出口温升 (Cold stream outlet temperature increase)冷物流出口温差 (Cold stream outlet temperature approach)冷物流出口过热度 (Cold stream outlet degrees superheat)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(3)冷物流出口温差冷物流出口温差 HeatX 换热器设定换热器

9、设定(3)传热面积 (Heat transfer area)热负荷 (Exchanger duty)几何条件 (Geometry) 在详细计算时采用。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：1、常数 Constant 由用户指定校正系数，可查手册。2、几何结构 Geometry 由软件根据换热器结构和流动情况计算。3、用户子程序 User-subr4、计算值 Calculated 流动方向为多管程流动时采用。HeatX 压降压降压降 ( Pressure Drop )分别指

10、定热侧和冷侧的出口压力 ( Outlet pressure ) 指定值 0，代表出口的绝对压力值 指定值 0，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 ( U methods )常数 (Constant)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幂函数 (Power law expression) U=Uref (Flow/Flowref)exponent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(Thermal results)，其下包括五张表单： 概况 Summary

11、 衡算 Balance 换热器详情 Exchanger details 压降/速度 Pre drop/velocities 分区 ZonesHeatX结果查看结果查看(1)概况(Summary)表单给出了冷、热物流的进、出口温度、压力、蒸汽分率(Vapor fraction)，以及换热器的热负荷(Heat duty)。HeatX结果查看结果查看(3)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(Dirty)条件下的平均传热系数(Avg. heat transfer coefficient)、校正后的对数平均温差(LMTD corr

12、ected) 和对数平均温差校正因子(LMTD correction factor)等有用的信息。HeatX结果查看结果查看(5)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、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。6.2.2 HeatX详细计算详细计算详细计算只能与核算或模拟选项配合。详细计算可根据给定的换热器几何结构和流动情况计算实际的换热面积、传热系数、对数平均温度校正因子和压降。使用核算选项时，模块根据设定的换热要求计算需要的换热面积。使用模拟选项时，模块根据实际的

13、换热面积计算两股物流的出口状态。HeatX模型设定模型设定计算类型 Calculation流动方式 Flow arrangement换热器设定 Exchanger specificationHeatX 的设定从规定(Specification) 表单着手，有三组设定参数：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：1、常数 Constant 由用户指定校正系数，可查手册。2、几何结构 Geometry 由软件根据换热器结构和流动情况计算。3、用户子程序 User-subr4、计

14、算值 Calculated 流动方向为多管程流动时采用。HeatX详细计算详细计算压降 ( Pressure Drop )分别指定热侧和冷侧的出口压力 ( Outlet pressure ) 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 ( U methods )常数 ( Constant )相态法 ( Phase specific values ) 幂函数 ( Power law expression )换热器几何结构 ( Exchanger Geometry )传热膜系数 ( Film coefficients ) 详细

15、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算热流体侧和冷流体侧的传热膜系数(Film coefficients)；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因子(Fouling factor)计算出总传热系数U。HeatX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。从数据浏览器左侧的目录树中选择几何(Geometry)项目，然后在右侧的壳程(Shell)、管程(Tubes)、管翅(Tube fins)、折流挡板(Baffles)和管嘴(Nozzles)表单中输入相应的数据。几何项目HeatX详细计算详细计算壳程(Shell)表

16、单中包含以下参数：壳程类型 TEMA shell type管程数 No. of tube passes换热器方位 Exchanger orientation密封圈数 Number of sealing strip pairs管程流向 Direction of tubeside flow壳内径 Inside shell diameter壳/管束间隙 Shell to bundle clearance壳程参数壳程参数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

17、细计算管程(Tubes)表单中包含以下参数：选择管类型 Select tube type 裸管 Bare tube 翅片管 Finned tube管程布置 Tube layout 总管数 Total number 管长 Length 排列模式 Pattern 中心距 Pitch 材料 Material 导热系数 Conductivity管程参数管程参数HeatX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程参数还有管尺寸(Tube size)，可用两种方式输入：实际尺寸 Actual内径 Inner diameter外径 Outer diameter 厚度 Tube t

18、hickness 三选二公称尺寸 Nominal 直径 Diameter BWG规格 Birmingham wire gaugeHeatX详细计算详细计算管翅结构管翅结构对于翅片管，还需从管翅(Tube fins)表单中输入以下参数：翅片高度 Fin height 翅片高度 / 翅片根部平均直径Fin height /Fin root mean diameter翅片间距 Fin spacing:每单位长度的翅片数 / 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：1、

19、圆缺档板 Segmental baffle2、棍式挡板 Rod baffle从挡板(Baffles)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Segmental BaffleSegmental Baffle圆缺挡板圆缺挡板HeatX详细计算详细计算段挡板需输入以下参数：所有壳程中的挡板总数 No. of baffles, all passes挡板切割率 Baffle cut (fraction of shell diameter)管板到第一挡板的间距 Tubesheet to 1st baffle spacing挡板间距 Baffle to baffle spac

20、ing管板到最后一块挡板的间距 Last baffle to Tubesheet spacing壳壁/挡板间隙 Shell-baffle clearance管壁/挡板间隙 Tube-baffle clearance圆缺挡板圆缺挡板HeatX详细计算详细计算棍式挡板棍式挡板HeatX详细计算详细计算杆挡板需输入以下参数：所有壳程中的挡板总数 No. of baffles, all passes圆环内径 Inside diameter of ring圆环外径 Outside diameter of ring支撑杆直径 Support rod diameter每块挡板的支撑杆总长 Total len

21、gth of support rods per baffle棍式挡板棍式挡板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Nozzle表单中输入以下参数：输入壳程管嘴直径 Enter shell side nozzle diameters 进口管嘴直径 Inet nozzle diameter 出口管嘴直径 Outlet nozzle diameter输入管程管嘴直径 Enter tube side nozzle diameters 进口管嘴直径 Inlet nozzle diameter 出口管嘴直径 Outlet nozzle diameterHeatX详细计算详细计算HeatX最重要的是热参数结果(Thermal results)，其下包括五张表单： 概况 Summary 衡算 Balance 换热器详情 Exchanger details 压降/速度 Pre dr