第六章 換熱器設(shè)計

1、ASPEN PLUS在化工過程設(shè)計中的應(yīng)用在化工過程設(shè)計中的應(yīng)用第六章第六章 換熱器的設(shè)計與模擬換熱器的設(shè)計與模擬內(nèi)容內(nèi)容C6.1 Heater換熱器換熱器/冷卻器冷卻器C6.2 HeatX兩股物流的換熱器兩股物流的換熱器C6.3 換熱器設(shè)計計算示例換熱器設(shè)計計算示例模型模型說明說明目的目的用于用于Heater加熱器或冷卻器加熱器或冷卻器確定出口物流的熱和確定出口物流的熱和相態(tài)條件相態(tài)條件加熱器、冷卻器、冷凝加熱器、冷卻器、冷凝器等器等HeatX兩股物流的換熱器兩股物流的換熱器在兩個物流之間換熱在兩個物流之間換熱兩股物流的換熱器。當(dāng)兩股物流的換熱器。當(dāng)知道幾何尺寸時，核算知道幾何尺寸時，核算管

2、殼式換熱器管殼式換熱器MHeatX多股物流的換熱器在多股物流之間換熱多股熱流和冷流換熱器，兩股物流的換熱器，LNG換熱器Hetran管殼式換熱器提供B-JAC Hetran管殼式換熱器程序界面管殼式換熱器，包括釜式再沸器Aerotran空冷換熱器提供B-JAC Aerotran空冷換熱器程序界面錯流式換熱器包括空氣冷卻器傳熱模型分類傳熱模型分類傳熱模型分類傳熱模型分類6.1 Heater 模型模型Heater 模型用于模擬以下單元，改變單股物流的溫度、壓力和相態(tài)： 加熱器 冷卻器 閥門（僅改變壓力，不涉及阻力） 泵（僅改變壓力，不涉及功率） 壓縮機(jī)（僅改變壓力，不涉及功率）Heater 連接連

3、接Heater 模型的連接圖如下：Heater 模型參數(shù)模型參數(shù)Heater模型有兩組模型設(shè)定參數(shù)：模型有兩組模型設(shè)定參數(shù)：1、閃蒸規(guī)定( Flash specifications) （1）溫度 Temperature （2）壓力 Pressure （3）溫度改變 Temperature change （4）蒸汽分率 Vapor fraction （5）過熱度 Degrees of superheating （6）過冷度 Degrees of subcooling （7）熱負(fù)荷 Heat duty從中任選兩項從中任選兩項Heater 模型參數(shù)模型參數(shù)2、有效相態(tài) ( Valid Phase )

4、（1）蒸汽（2）液體（3）固體（4）汽液（5）汽液液（6）液游離水（7）汽液游離水6.2 HeatX 模型模型 HeatX 模型用于模擬下述結(jié)構(gòu)的管-殼式換熱器：C逆流/并流（Countercurrent / Cocurrent)C折流板殼程（Segmental Baffle Shell）C棍式折流板殼程（Rod Baffle Shell）C裸管/低翅片管（Bare/Low-finned Tubes)計算兩股物流之間的熱量交換。HeatX連接連接HeatX 模型的連接圖如下：HeatX模型設(shè)定模型設(shè)定計算類型 Calculation流動方式 Flow arrangement換熱器設(shè)定 Exch

5、anger specificationHeatX 的設(shè)定從規(guī)定(Specification) 表單著手，有三組設(shè)定參數(shù)：HeatX計算類型計算類型(1)計算欄目中有三個選項： 1、簡捷計算 Short-cut 2、詳細(xì)計算 Detailed 3、Hetran 精確計算 Hetran Rigorous 輸出Hetran軟件(換熱器設(shè)計專用軟件)的輸入文件供其精確計算。下部的下拉式選擇框中也有三個選項： 1、設(shè)計 Design 2、核算 Rating 3、模擬 Simulation 兩組選項按下述方式配合使用：6.2.1 HeatX簡捷計算簡捷計算C簡捷計算只能與設(shè)計或模擬選項配合。簡捷計算不考慮

6、換熱器幾何結(jié)構(gòu)對傳熱和壓降的影響，人為給定傳熱系數(shù)和壓降的數(shù)值。C使用設(shè)計選項時，需設(shè)定熱(冷)物流的出口狀態(tài)或換熱負(fù)荷，模塊計算達(dá)到指定換熱要求所需的換熱面積。C使用模擬選項時，需設(shè)定換熱面積，模塊計算兩股物流的出口狀態(tài)。HeatX流動方式流動方式(2)流動方式設(shè)定包括：1、熱流體(Hot fluid)流動空間： 殼程 (Shell) /管程 (Tube)2、流動方向(Flow direction)： 逆流 (Countercurrent) 并流 (Co-current) 多管程流動 (Multiple passes)HeatX流動方式流動方式(2)1、逆流 Countercurrent2、

7、并流 CocurrentHeatX 換熱器設(shè)定換熱器設(shè)定(3)熱物流出口溫度 (Hot stream outlet temperature)熱物流出口溫降 (Hot stream outlet temperature decrease)熱物流出口溫差 (Hot stream outlet temperature approach)熱物流出口過冷度 (Hot stream outlet degrees subcooling)熱物流出口蒸汽分率 (Hot stream outlet vapor fraction)共共有有13個個選選項項HeatX 換熱器設(shè)定換熱器設(shè)定(3)熱物流出口溫差熱物流出口

8、溫差 HeatX 換熱器設(shè)定換熱器設(shè)定(3)冷物流出口溫度 (Cold stream outlet temperature)冷物流出口溫升 (Cold stream outlet temperature increase)冷物流出口溫差 (Cold stream outlet temperature approach)冷物流出口過熱度 (Cold stream outlet degrees superheat)冷物流出口蒸汽分率 (Cold stream outlet vapor fraction)HeatX 換熱器設(shè)定換熱器設(shè)定(3)冷物流出口溫差冷物流出口溫差 HeatX 換熱器設(shè)定換熱器

9、設(shè)定(3)傳熱面積 (Heat transfer area)熱負(fù)荷 (Exchanger duty)幾何條件 (Geometry) 在詳細(xì)計算時采用。HeatX LMTD校正校正由于換熱器內(nèi)的流動并非理想的并流或逆流，因此有效傳熱推動力需在對數(shù)平均溫差(LMTD)的基礎(chǔ)上進(jìn)行校正。校正因子的計算方法有四個選項：1、常數(shù) Constant 由用戶指定校正系數(shù)，可查手冊。2、幾何結(jié)構(gòu) Geometry 由軟件根據(jù)換熱器結(jié)構(gòu)和流動情況計算。3、用戶子程序 User-subr4、計算值 Calculated 流動方向為多管程流動時采用。HeatX 壓降壓降壓降 ( Pressure Drop )分別指

10、定熱側(cè)和冷側(cè)的出口壓力 ( Outlet pressure ) 指定值 0，代表出口的絕對壓力值 指定值 0，代表出口相對于進(jìn)口的壓力降低值HeatX總傳熱系數(shù)方法總傳熱系數(shù)方法 總傳熱系數(shù)方法 ( U methods )常數(shù) (Constant)相態(tài)法 (Phase specific values) 分別指定冷熱兩側(cè)不同相態(tài)組合下的傳熱系數(shù)冪函數(shù) (Power law expression) U=Uref (Flow/Flowref)exponent相態(tài)法相態(tài)法HeatX結(jié)果查看結(jié)果查看HeatX最重要的是熱參數(shù)結(jié)果(Thermal results)，其下包括五張表單： 概況 Summary

11、 衡算 Balance 換熱器詳情 Exchanger details 壓降/速度 Pre drop/velocities 分區(qū) ZonesHeatX結(jié)果查看結(jié)果查看(1)概況(Summary)表單給出了冷、熱物流的進(jìn)、出口溫度、壓力、蒸汽分率(Vapor fraction)，以及換熱器的熱負(fù)荷(Heat duty)。HeatX結(jié)果查看結(jié)果查看(3)對于簡捷算法，換熱器詳情表單給出了需要的換熱器面積(Required exchanger area) 、結(jié)垢(Dirty)條件下的平均傳熱系數(shù)(Avg. heat transfer coefficient)、校正后的對數(shù)平均溫差(LMTD corr

12、ected) 和對數(shù)平均溫差校正因子(LMTD correction factor)等有用的信息。HeatX結(jié)果查看結(jié)果查看(5)分區(qū)表單給出了換熱器內(nèi)根據(jù)冷、熱流體相態(tài)對傳熱面積分區(qū)計算的情況；包括各區(qū)域的熱流體溫度、冷流體溫度、對數(shù)平均溫差、傳熱系數(shù)、熱負(fù)荷和傳熱面積信息；我們可根據(jù)此信息分析換熱方案是否合理以及改進(jìn)設(shè)計方案的方向。6.2.2 HeatX詳細(xì)計算詳細(xì)計算詳細(xì)計算只能與核算或模擬選項配合。詳細(xì)計算可根據(jù)給定的換熱器幾何結(jié)構(gòu)和流動情況計算實際的換熱面積、傳熱系數(shù)、對數(shù)平均溫度校正因子和壓降。使用核算選項時，模塊根據(jù)設(shè)定的換熱要求計算需要的換熱面積。使用模擬選項時，模塊根據(jù)實際的

13、換熱面積計算兩股物流的出口狀態(tài)。HeatX模型設(shè)定模型設(shè)定計算類型 Calculation流動方式 Flow arrangement換熱器設(shè)定 Exchanger specificationHeatX 的設(shè)定從規(guī)定(Specification) 表單著手，有三組設(shè)定參數(shù)：HeatX LMTD校正校正由于換熱器內(nèi)的流動并非理想的并流或逆流，因此有效傳熱推動力需在對數(shù)平均溫差(LMTD)的基礎(chǔ)上進(jìn)行校正。校正因子的計算方法有四個選項：1、常數(shù) Constant 由用戶指定校正系數(shù)，可查手冊。2、幾何結(jié)構(gòu) Geometry 由軟件根據(jù)換熱器結(jié)構(gòu)和流動情況計算。3、用戶子程序 User-subr4、計

14、算值 Calculated 流動方向為多管程流動時采用。HeatX詳細(xì)計算詳細(xì)計算壓降 ( Pressure Drop )分別指定熱側(cè)和冷側(cè)的出口壓力 ( Outlet pressure ) 根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)計算 ( Calculated from geometry )HeatX詳細(xì)計算詳細(xì)計算總傳熱系數(shù)方法 ( U methods )常數(shù) ( Constant )相態(tài)法 ( Phase specific values ) 冪函數(shù) ( Power law expression )換熱器幾何結(jié)構(gòu) ( Exchanger Geometry )傳熱膜系數(shù) ( Film coefficients ) 詳細(xì)

15、計算采用后兩種方法HeatX詳細(xì)計算詳細(xì)計算膜系數(shù)法：根據(jù)換熱器的幾何結(jié)構(gòu)和流動情況分別計算熱流體側(cè)和冷流體側(cè)的傳熱膜系數(shù)(Film coefficients)；根據(jù)管壁材料和厚度計算傳導(dǎo)熱阻，再結(jié)合給定的污垢熱阻因子(Fouling factor)計算出總傳熱系數(shù)U。HeatX詳細(xì)計算詳細(xì)計算詳細(xì)計算時需輸入換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。從數(shù)據(jù)瀏覽器左側(cè)的目錄樹中選擇幾何(Geometry)項目，然后在右側(cè)的殼程(Shell)、管程(Tubes)、管翅(Tube fins)、折流擋板(Baffles)和管嘴(Nozzles)表單中輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)。幾何項目HeatX詳細(xì)計算詳細(xì)計算殼程(Shell)表

16、單中包含以下參數(shù)：殼程類型 TEMA shell type管程數(shù) No. of tube passes換熱器方位 Exchanger orientation密封圈數(shù) Number of sealing strip pairs管程流向 Direction of tubeside flow殼內(nèi)徑 Inside shell diameter殼/管束間隙 Shell to bundle clearance殼程參數(shù)殼程參數(shù)殼程類型包含六種結(jié)構(gòu)供選用：殼程類型包含六種結(jié)構(gòu)供選用：HeatX詳細(xì)計算詳細(xì)計算殼程類型包含六種結(jié)構(gòu)供選用：殼程類型包含六種結(jié)構(gòu)供選用：HeatX詳細(xì)計算詳細(xì)計算HeatX詳細(xì)計算詳

17、細(xì)計算管程(Tubes)表單中包含以下參數(shù)：選擇管類型 Select tube type 裸管 Bare tube 翅片管 Finned tube管程布置 Tube layout 總管數(shù) Total number 管長 Length 排列模式 Pattern 中心距 Pitch 材料 Material 導(dǎo)熱系數(shù) Conductivity管程參數(shù)管程參數(shù)HeatX詳細(xì)計算詳細(xì)計算列管排列模式列管排列模式HeatX詳細(xì)計算詳細(xì)計算管程參數(shù)還有管尺寸(Tube size)，可用兩種方式輸入：實際尺寸 Actual內(nèi)徑 Inner diameter外徑 Outer diameter 厚度 Tube t

18、hickness 三選二公稱尺寸 Nominal 直徑 Diameter BWG規(guī)格 Birmingham wire gaugeHeatX詳細(xì)計算詳細(xì)計算管翅結(jié)構(gòu)管翅結(jié)構(gòu)對于翅片管，還需從管翅(Tube fins)表單中輸入以下參數(shù)：翅片高度 Fin height 翅片高度 / 翅片根部平均直徑Fin height /Fin root mean diameter翅片間距 Fin spacing:每單位長度的翅片數(shù) / 翅片厚度Number of fins per unit length /Fin thicknessHeatX詳細(xì)計算詳細(xì)計算HeatX詳細(xì)計算詳細(xì)計算有兩種擋板結(jié)構(gòu)可供選用：1、

19、圓缺檔板 Segmental baffle2、棍式擋板 Rod baffle從擋板(Baffles)表單中進(jìn)行選擇并輸入有關(guān)參數(shù)。擋板結(jié)構(gòu)擋板結(jié)構(gòu)HeatX詳細(xì)計算詳細(xì)計算Segmental BaffleSegmental Baffle圓缺擋板圓缺擋板HeatX詳細(xì)計算詳細(xì)計算段擋板需輸入以下參數(shù)：所有殼程中的擋板總數(shù) No. of baffles, all passes擋板切割率 Baffle cut (fraction of shell diameter)管板到第一擋板的間距 Tubesheet to 1st baffle spacing擋板間距 Baffle to baffle spac

20、ing管板到最后一塊擋板的間距 Last baffle to Tubesheet spacing殼壁/擋板間隙 Shell-baffle clearance管壁/擋板間隙 Tube-baffle clearance圓缺擋板圓缺擋板HeatX詳細(xì)計算詳細(xì)計算棍式擋板棍式擋板HeatX詳細(xì)計算詳細(xì)計算桿擋板需輸入以下參數(shù)：所有殼程中的擋板總數(shù) No. of baffles, all passes圓環(huán)內(nèi)徑 Inside diameter of ring圓環(huán)外徑 Outside diameter of ring支撐桿直徑 Support rod diameter每塊擋板的支撐桿總長 Total len

21、gth of support rods per baffle棍式擋板棍式擋板HeatX詳細(xì)計算詳細(xì)計算管嘴管嘴管嘴即換熱器的物料進(jìn)出接口，需從Nozzle表單中輸入以下參數(shù)：輸入殼程管嘴直徑 Enter shell side nozzle diameters 進(jìn)口管嘴直徑 Inet nozzle diameter 出口管嘴直徑 Outlet nozzle diameter輸入管程管嘴直徑 Enter tube side nozzle diameters 進(jìn)口管嘴直徑 Inlet nozzle diameter 出口管嘴直徑 Outlet nozzle diameterHeatX詳細(xì)計算詳細(xì)計算HeatX最重要的是熱參數(shù)結(jié)果(Thermal results)，其下包括五張表單： 概況 Summary 衡算 Balance 換熱器詳情 Exchanger details 壓降/速度 Pre dr