化工设计-ASPEN软件：第三章传热单元模拟

传热单元模拟SimulationDesignofThermalProcesses传热单元模拟加热器

Heater换热器

HeatXAspenPlus的传热单元共有7种模型，AspenPlus内部用的有4种，其余3种是与其它软件的接口模块。本章介绍两种模型：加热器

Heater你可以用Heater模型表示：加热器

冷却器

阀

泵（不需要有关功的结果）

压缩机（不需要有关功的结果）加热器

Heater加热器

Heater你也可以用Heater模型设定物流的热力学条件。当你规定了出口条件时，Heater可确定一股或多股入口物流混合物的热和相状况。加热器

Heater

的连接加热器Heater的输入规定1、闪蒸规定(Flashspecifications)（1）温度Temperature（2）压力Pressure（3）温度改变Temperaturechange（4）蒸汽分率Vaporfraction（5）过热度Degreesofsuperheating（6）过冷度Degreesofsubcooling

（7）热负荷Heatduty加热器Heater的输入规定计算压降相关参数加热器Heater的输入规定压降计算相关参数K定义加热器Heater的输入规定2、有效相态(ValidPhase)（1）蒸汽 （2）液体（3）固体 （4）汽—液（5）汽—液—液 （6）液—游离水（7）汽—液—游离水加热器Heater的输入规定加热器Heater—应用示例(1)

温度20℃、压力0.41MPa、流量4000kg/hr

的软水在锅炉中加热成为0.39MPa的饱和水蒸气进入蒸汽总管。求所需的锅炉供热量。

加热器Heater—应用示例(2)

流量为1000kg/hr（0.4MPa）的饱和水蒸汽用蒸汽过热器加热到过热度100℃（0.39MPa），求过热蒸汽温度和所需供热量。

加热器Heater—应用示例(3)

流量为1000kg/hr、压力为0.11MPa、含乙醇70%w、水30%w的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽/液比（摩尔）=1/3。求冷凝器热负荷。

加热器Heater的物性计算

利用Heater模块可以很方便地计算混合物在给定热力学状态下的各种物性数据，如泡点、露点、饱和蒸汽压、密度、热容等等：只需将给定组成的物流导入Heater模块，根据给定的热力学状态设定Heater的模型参数，并在总Setup的ReportOptions中设定相应的输出参数选项即可。加热器Heater—应用示例(5)求压力为0.2MPa，含甲醇30%wt、乙醇20%wt、正丙醇20%wt、水30%wt的混合物的泡点和露点。

换热器HeatX模型HeatX

模型用来模拟各种各样的管壳式换热器，类型包括：换热器HeatX模型逆流/并流（Countercurrent/Cocurrent)折流板壳程（SegmentalBaffleShell)棍式挡板壳程（RodBaffleShell)裸管/低翅片管（Bare/Low-finnedTubes)换热器HeatX模型

HeatX

模型可完成具有单相和两相物流的传热系数和压降估算的全部区域分析。对严格的传热系数和压降计算必须提供换热器的几何尺寸。如果换热器的几何尺寸不知道或不重要，HeatX

模型可完成简单的核算，例如仅完成能量和物料平衡计算。换热器HeatX模型

HeatX

模型有估算显热核沸腾和冷凝液膜系数的关联式。

HeatX

模型不能：1完成设计计算2完成机械振动分析3估算污垢系数换热器HeatX连接换热器HeatX的参数规定计算类型Calculation流动方式Flowarrangement换热器设定

ExchangerspecificationHeatX

的设定从规定(Specification)表单着手，有三组设定参数：换热器HeatX的参数规定换热器HeatX的参数规定2006版界面换热器HeatX的参数规定计算栏目中有三个选项：1、简捷计算Short-cut2、详细计算Detailed3、Hetran

精确计算HetranRigorous

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。换热器HeatX的参数规定换热器HeatX的参数规定2006版新增需专用软件对接换热器HeatX的参数规定在Type下拉式选择框中也有三个选项：1、设计Design2、核算Rating3、模拟Simulation计算栏目（Calculation）和计算类型(Type)两组选项按下述方式配合使用：换热器HeatX的参数规定1、简捷计算(shortcut)

简捷计算只能与设计(Design)或模拟(simulation)选项配合。简捷计算不考虑换热器的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。

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。换热器HeatX的参数规定2、详细计算(detailed)

详细计算只能与核算(Rating)或模拟(Simulation)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，模块根据实际的换热面积计算两股物流的出口状态。换热器HeatX的参数规定流动方式设定包括：1、热流体(Hotfluid)流动空间：壳程(Shell)/管程(Tube)2、流动方向(Flowdirection)：

逆流(Countercurrent)

并流(Co-current)

多管程流动(Multiplepasses)热流体流动空间换热器HeatX的参数规定换热器HeatX的参数规定流动方向换热器HeatX的参数规定热物流出口温度(Hotstreamoutlettemperature)热物流出口温降(Hotstreamoutlettemperaturedecrease)热物料出口温差

(与冷物料的温差)

(Hotstreamoutlettemperatureapproach)热物流出口过冷度(Hotstreamoutletdegreessubcooling)热物流出口蒸汽分率(Hotstreamoutletvaporfraction)ExchangerSpecificatong

换热器设定:换热器HeatX的参数规定换热器HeatX的参数规定6.冷物流出口温度(Coldstreamoutlettemperature)7.冷物流出口温升(Coldstreamoutlettemperatureincrease)8.冷物料出口温差(Coldstreamoutlettemperatureapproach)9.冷物流出口过热度(Coldstreamoutletdegreessuperheat)10.冷物流出口蒸汽分率(Coldstreamoutletvaporfraction)ExchangerSpecificatong

换热器设定:换热器HeatX的参数规定换热器HeatX的参数规定11热负荷(Exchangerduty)12热/冷出口温差(Hot/coldoutlettemperatureapproach)ExchangerSpecification换热器设定:换热器HeatX的参数规定换热器HeatX的参数规定

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(LogMeanTemperatureDiffrence)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（shortcut不能采用）

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。换热器HeatX的参数规定换热器HeatX的参数规定

压降(PressureDrop)分别指定热侧和冷侧的出口压力(Outletpressure)

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换热器HeatX的参数规定HeatX——

详细计算

压降计算(PressureDrop)分别指定热侧和冷侧的出口压力

(Outletpressure)

根据几何结构计算

(Calculatedfromgeometry)换热器HeatX的参数规定换热器HeatX的参数规定HeatX——

详细计算换热器HeatX的参数规定计算总传热系数方法(Umethods):常数(Constant)相态法(Phasespecificvalues)

分别指定冷热两侧不同相态组合下的传热系数幂函数(Powerlawexpression)U=Uref(Flow/Flowref)^exponent传热系数的幂率表达式看成物流流率的函数换热器HeatX的参数规定换热器HeatX的参数规定HeatX——

详细计算

总传热系数方法(Umethods)换热器几何结构(ExchangerGeometry)传热膜系数(Filmcoefficients)

换热器HeatX的参数规定HeatX——

详细计算传热膜系数在简捷法核算模型中HeatX

模型不计算膜系数。在严格法核算模型中如果你在传热系数计算方法中使用膜系数或换热器几何尺寸HeatX

计算传热系数使用hc

=冷流膜系数hh=热流膜系数要选择一个选项计算膜系数,可在FilmCoefficients页上设定换热器HeatX的参数规定HeatX——

详细计算换热器HeatX的参数规定HeatX——

详细计算实际上膜系数法是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(Filmcoefficients)，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(Foulingfactor)计算出总传热系数U。换热器HeatX的参数规定HeatX——

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(Tubefins)、挡板(Baffles)和管嘴(Nozzles)表单中输入相应的数据。换热器HeatX的参数规定HeatX——

详细计算换热器HeatX的参数规定壳程(Shell)表单中包含以下参数：壳程类型TEMAshelltype管程数No.oftubepasses换热器方位Exchangerorientation密封条数Numberofsealingstrippairs管程流向Directionoftubesideflow壳内径Insideshelldiameter壳/管束间隙ShelltobundleclearanceHeatX——详细计算换热器HeatX的参数规定HeatX——详细计算换热器HeatX的参数规定HeatX——详细计算壳程类型包含六种结构供选用：换热器HeatX的参数规定HeatX——详细计算2006版新增串联壳程数并联壳程数换热器HeatX的参数规定HeatX——详细计算换热器HeatX的参数规定HeatX——详细计算换热器HeatX的参数规定OuterTubeLimit管束外层的最大直径ShellDiameter壳体直径ShelltoBundleClearance壳层到管束的环形面积换热器HeatX的参数规定管程(Tubes)表单中包含以下参数：选择管类型Selecttubetype裸管Baretube翅片管Finnedtube管程布置Tubelayout总管数Totalnumber管长Length排列模式Pattern中心距Pitch材料Material导热系数ConductivityHeatX——详细计算换热器HeatX的参数规定管程(Tubes)表单换热器HeatX的参数规定管程(Tubes)表单选定材料后，材料的导热系数可以不输入，有默认值。换热器HeatX的参数规定换热器HeatX的参数规定实际尺寸Actual内径Innerdiameter外径Outerdiameter厚度Tubethickness

三选二公称尺寸Nominal

直径DiameterBWG规格

Birminghamwiregauge换热器HeatX的参数规定换热器HeatX的参数规定

对于翅片管，还需从管翅(Tubefins)表单中输入以下参数：翅片高度Finheight翅片高度/翅片根部平均直径Finheight/Finrootmeandiameter翅片间距Finspacing:每单位长度的翅片数/翅片厚度Numberoffinsperunitlength/Finthickness换热器HeatX的参数规定翅片管参数说明换热器HeatX的参数规定翅片管参数输入表单换热器HeatX的参数规定挡板结构有两种挡板结构可供选用：1、圆缺(弓、弧)挡板Segmentalbaffle2、棍式挡板Rodbaffle从挡板(Baffles)表单中进行选择并输入有关参数。换热器HeatX的参数规定换热器HeatX的参数规定圆缺挡板需输入以下参数：所有壳程中的挡板总数No.ofbaffles,allpasses挡板切割分率Bafflecut(fractionofshelldiameter)管板到第一挡板的间距Tubesheetto1stbafflespacing挡板间距Baffletobafflespacing壳壁/挡板间隙Shell-baffleclearance管壁/挡板间隙Tube-baffleclearance换热器HeatX的参数规定上述二项不输入时，系统有默认计算值。壳与挡板间隙3.175mm，管与挡板间隙0.3968mm。换热器HeatX的参数规定RodBaffle棍式挡板换热器HeatX的参数规定棍式挡板需输入以下参数：所有壳程中的挡板总数No.ofbaffles,allpasses圆环内径

Insidediameterofring圆环外径

Outsidediameterofring支撑棍直径

Supportroddiameter每块挡板的支撑棍总长

Totallengthofsupportrodsperbaffle

换热器HeatX的参数规定棍式挡板参数输入表单：换热器HeatX的参数规定

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Entershellsidenozzlediameters进口管嘴直径

Inetnozzlediameter出口管嘴直径Outletnozzlediameter输入管程管嘴直径Entertubesidenozzlediameters进口管嘴直径

Inletnozzlediameter出口管嘴直径OutletnozzlediameterHeatX——管嘴（Nozzle）参数换热器HeatX的参数规定换热器HeatX计算结果查看

HeatX最重要的是热参数结果(Thermalresults)，其下包括五张表单：概况Summary

衡算Balance

换热器详情Exchangerdetails

压降/速度Predrop/velocities

分区Zones换热器HeatX计算结果查看UxA换热器HeatX计算结果查看Thermalresultssummary概况表单给出了冷、热物流的进、出口温度、压力、蒸汽分率(Vaporfraction)，以及换热器的热负荷(Heatduty)。换热器HeatX计算结果查看换热器HeatX计算结果查看ExchangerDetails换热器详情表单给出了需要的换热器面积(Requiredexchangerarea)、实际的换热器面积(Actualexchangerarea)、清洁(Clean)和结垢(Dirty)条