HTRI設計實例-最實用的初學者入門教材

1、HTRI設計實例-最實用的初學者入門教材目錄第1章前言錯誤！未定義書簽。課題研究背景及意義錯誤!未定義書簽換熱器簡介錯誤！未定義書簽換熱器分類錯誤！未定義書簽管殼式換熱器的結構和使用特點錯誤！未定義書簽第2章冷凝器設計錯誤！未定義書簽。冷凝器選型錯誤!未定義書簽飽和蒸汽冷凝錯誤!未定義書簽含不凝氣的冷凝冷卻過程錯誤!未定義書簽管殼式冷凝器類型的選擇錯誤!未定義書簽換熱器合理壓降的選擇錯誤!未定義書簽工藝條件經(jīng)驗溫度的選擇錯誤!未定義書簽管長錯誤!未定義書簽管徑與管壁錯誤!未定義書簽折流板圓缺高度錯誤!未定義書簽折流板間距錯誤!未定義書簽密封條錯誤!未定義書簽HTRI設計判據(jù)錯誤!未定義書簽管殼

2、側流速(velocity)錯誤!未定義書簽設計余量(overdesign)錯誤!未定義書簽熱阻(thermalresistanee)錯誤!未定義書簽流型(flowfraction)錯.誤!未定義書簽Windowanderossflow錯.誤!未定義書簽常見warningmessage及解決方法錯誤!未定義書簽HTRI設計實例(計算)錯誤!未定義書簽飽和蒸汽的冷凝錯誤!未定義書簽含有不凝氣的氣體冷凝錯誤!未定義書簽油氣冷凝冷卻錯誤!未定義書簽第3章結論錯誤!未定義書簽。飽和蒸汽冷凝冷凝器數(shù)據(jù)錯誤!未定義書簽飽和蒸汽冷凝器工藝數(shù)據(jù)錯誤!未定義書簽含不凝氣的蒸汽冷凝冷凝器數(shù)據(jù)錯誤!未定義書簽含不凝氣

3、的蒸汽冷凝器結構數(shù)據(jù)錯誤!未定義書簽含不凝氣的蒸汽冷凝器工藝數(shù)據(jù)錯誤!未定義書簽油氣冷凝冷卻冷凝器數(shù)據(jù)錯誤!未定義書簽油氣冷凝冷卻冷凝器結構數(shù)據(jù)錯誤!未定義書簽油氣冷凝冷卻冷凝器工藝數(shù)據(jù)錯誤!未定義書簽致謝錯誤!未定義書簽。參考文獻錯誤!未定義書簽。第1章前言課題研究背景及意義我國的能源現(xiàn)狀存在著兩個突出的問題。第一，能源結構不合理。相比國外而言，我國能源效率利用率低，單位產(chǎn)品能耗高于世界同級水平。第二，由于我國人口眾多，雖然國內(nèi)能源儲量較大，但人均水平處于世界人均水平較低地位。因此,設計出一種能夠大幅節(jié)能的設備具有重大的戰(zhàn)略意義1-4。換熱器是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設備，其性能對能量

4、利用效率、產(chǎn)品質量、工藝系統(tǒng)的可靠性與經(jīng)濟型起著重要的作用，有時甚至起決定作用。在石油、化工、能源等高能消耗工廠中，換熱器數(shù)量占工廠總設備數(shù)目的40%左右，設備投資占全部投資的30%40%左右，海水淡化工藝裝置基本全有換熱器組成5。近年來，利用換熱器對高低溫熱能回收帶來了巨大的經(jīng)濟效益。管殼式換熱器由于結構穩(wěn)定、操作彈性大、技術成熟、適用面廣、使用材料范圍廣等優(yōu)點，是最為常用的熱交換設備之一。近年來，一些新型強化換熱器的出現(xiàn)促進了管殼式換熱器的發(fā)展。隨著換熱器設計方法和傳熱技術的發(fā)展，管殼式換熱器有了較大的改進和發(fā)展。在換熱器結構上，折流擋板由單弓形發(fā)展到雙弓形、圓環(huán)形、螺旋形等來強化殼側流體

5、的流動以增強傳熱。管程數(shù)有單程變化為雙程、四程甚至六程等，從而增加了管程流速，減少結垢。6在設計方法上，國際上有1962年成立的美國換熱研究公司HTRI和1968年英國成立的傳熱與流體流動服務公司（HTFS現(xiàn)為ASPENEDR,其軟件能較為快捷準確的模擬出換熱器的換熱效果。國內(nèi)的中國寰球工程公司和洛陽石油化工總公司等制定了相應的設計規(guī)范和技術標準，推動了我國換熱技術的發(fā)展，對換熱器的研究和設計作出了巨大的貢獻7。對設計的換熱器通常有一些基本的要求：首先需要滿足石油、化工等生產(chǎn)工藝的換熱要求，保證所設計的設備能在指定的情況下完成換熱任務，正常工作；其次還需要保證換熱器能夠長時間的運行而不發(fā)生故障

6、；再次，設計的換熱器應盡可能結構緊湊、設備占用體積小、便于維修等特點。最后，換熱器的熱量泄露少，阻力小，比較經(jīng)濟等。HTRI軟件作為國際上最為常用的換熱器計算軟件之一，在國內(nèi)也有很大的應用市場。然而，在HTRI相關教程上十分稀少。為了幫助學習者能夠更快的了解相關計算，特編寫此論文。換熱器簡介換熱器分類換熱器作為傳熱設備隨處可見，在工業(yè)中得到大量的使用，特別在耗能用量十分大的石油、化工等領域。隨著人類文明的進步，節(jié)能技術發(fā)展，所涉及的換熱器越來越多。對處在不同介質、工況、溫度、壓力下的換熱器，結構和形式有著很大的不同。其具體分類如下8-13：1. 按傳熱原理分類直接接觸式換熱器兩種介質接觸，直接

7、傳遞能量，實現(xiàn)傳熱。傳熱量直接受接觸面積影響。常用為氣體與液體的傳熱。此類換熱器主要以塔設備為主體，很難區(qū)分與塔器的關系，常歸為塔式設備。a) 蓄能式換熱器用量極少。熱介質先加熱熱容較大的物質，待所加熱物質到達一定的溫度后，冷介質以熱固體為換熱媒介得以升溫，從而達到換熱的目的。b) 管板式換熱器此類換熱器占總量的99%以上。熱物流通過某種導熱系數(shù)較大的介質將能量傳遞到冷物流的換熱器。此類換熱器通常成為管殼式、板式、板翅式或板殼式換熱器。2. 按傳熱種類分類a) 無相變傳熱分為加熱器和冷卻器。b) 有相變傳熱一般分為再沸器和冷凝器。再沸器又包括釜式再沸器、虹吸式再沸器、廢熱鍋爐等。3. 管殼式換

8、熱器分類a) 固定管板式換熱器固定管板式換熱器兩端管板通過焊接的形式固定在殼體上。換熱管則采用脹接、焊接等方法與管板聯(lián)結。對于此類換熱器，殼側一般不清掃。故一般對含有污垢或者腐蝕性介質安排走管程側。此類換熱器是最為常用的類型，最為經(jīng)濟。因此在設計換熱器時首選固定管板式換熱器。b) 浮頭式換熱器當殼程側與管程側有較大的溫差或較高的壓力時，常采用此類換熱器。同時，由于管束可以抽出殼體之外，便于機械清掃。因此，浮頭式換熱器也適用于管、殼程介質污垢系數(shù)較大，即管殼程都需要進行機械清理的場合。c) U型管式換熱器管束膨脹可以通過U型管的彎曲部分變形來吸收，不受殼體的約束。還可以進行機械清洗，結構比較簡單

9、。因而造價比浮頭式換熱器低。但是管程清洗較為困難，一般工藝設計讓清潔流體走管程。d) 填料函式換熱器e) 釜式再沸器管殼式換熱器的結構和使用特點換熱器作為節(jié)能設備之一，在國民經(jīng)濟中有著十分重要的作用。換熱器的結構決定了換熱器的性能。設計者合理的結構設計能夠發(fā)揮換熱器的某種性能。不同的換熱環(huán)境有著不同的換熱結構。設計者想要設計一個高效、節(jié)能的換熱器就必須了解換熱器的結構特點。管殼式換熱器雖然種類繁多，但通?？梢詫⑵洳鸱譃榍胺忸^、殼體、后封頭。不同結構的部件用不同的英文字母表示。故換熱器可以用三個字母來表示。例如BES等等。相對GB151-1999TEMA標準相比而言，少了I、Q0殼體。TEMA分

10、類及代號如圖1-1所示：1-1主要部件及代號1?浮頭式換熱器表1-1換熱器的主要部件（與圖1-2到圖1-5對應）序號名稱序號名稱序號名稱11人蓋21吊耳41封頭管箱（部件）2平蓋管箱（部件）22放氣口42分程隔板3接管法蘭23凸型封頭43耳式支座（部件）4管箱法蘭24浮頭法蘭44膨脹節(jié)（部件）5固定管板25浮頭墊片45中間擋板6殼體法蘭26球冠形封頭46U形換熱管7防沖版27浮動管板47內(nèi)導流筒8儀表借接口28浮頭蓋（部件）48縱向隔板9補強圈29夕卜頭蓋（部件）49填料10殼體（部件）30排液口50填料函11折流板31鉤圈51填料壓蓋12旁路擋板32接管52浮動管板裙13拉桿33活動鞍座（部

11、件）53部分剪切環(huán)14定距管34換熱管54活套法蘭15支持板35擋管55偏心錐克16雙頭螺柱或螺栓36管束（部件）56堰板1737固定鞍座（部件）57液面計接口18外頭蓋墊片38滑道58套劃、19外頭蓋側法蘭39管箱墊片59圓筒20外頭蓋法蘭40管箱圓筒（部件）60管箱側墊片圖1-2AES、BES浮頭式換熱器由伸縮緩解，從根本上避浮頭式換熱器最大的特點是管束可抽由，對由于溫差造成的應力能夠通過自免了溫差應力的產(chǎn)生。具優(yōu)點是：1）管束抽由方便，便于清洗管、殼程2 ) 適 用于殼體與管子金屬溫差超過30C時或者冷熱流體的極限溫差超過110C的條件，不會造成因膨脹造成的泄露。3)殼側能夠進行機械清理

12、，能用于結垢比較嚴重的場合。但也存在一定的缺點：1) 小浮頭容易發(fā)生泄露。2) 結構相對復雜，造價相對較高。2.U型管式換熱器圖1-3BIUU形管式換熱器U形管式換熱器最大的特點是采用U形管式換熱器，管子兩端固定在同一管板上，因管束可以自由伸縮，故對熱膨脹的適應能力較強，多用于高溫高壓和管殼壁之間傳熱溫差較大的工況。其優(yōu)點是：1) 管束可抽出進行機械清洗。2) 殼體與管束不受溫差的限制。3) 管束可抽出進行機械清洗。缺點是：1) 最外排管子U形彎曲段因為無支撐，可能因跨度大而造成流動誘發(fā)振動問題。2) 不可更換單根管子。3) 填料函式換熱器圖1-4AFP填料函式換熱器圖1-5AJW填料函式分流

13、式換熱器填料函式換熱器最大的特點是管束可抽出，殼體與管束間可自由滑動，從而吸收因溫差而引起的熱膨脹。其優(yōu)點是：1) 可用于高溫差的工藝流體換熱。2) 管束可抽出，能進行機械清洗，能適用于結垢比較嚴重和管束腐蝕嚴重的場合。缺點是：密封處易泄漏，不適于有毒、易揮發(fā)及貴重介質的場合第2章冷凝器設計冷凝器選型因為本章主要介紹管殼式冷凝器，所以選型問題也僅限于管殼式冷凝器。10對冷凝器的選型，應根據(jù)實際情況進行分析，針對膜式冷凝的特點，結合正確的工藝計算，選擇出適當?shù)睦淠鳌︼柡蜌怏w冷凝和含不凝氣的氣體分別加以說明。飽和蒸汽冷凝壓降、清掃等方面分配比較合理，故一般情況下選擇臥式殼程冷凝器。1. 當冷凝

14、工藝流體量和冷凝器的型號相同時，臥式冷凝器的傳熱系數(shù)比立式冷凝器的傳熱系數(shù)的（L/D）倍。2. 殼程冷凝時，飽和蒸汽的壓力降比管程的小。3. 當用水做冷凝介質時，冷卻水走管內(nèi)有利于清洗產(chǎn)生的水垢，并且容易保證較高的流速，從而產(chǎn)生較大的傳熱系數(shù)。對于飽和蒸汽冷凝，在特殊的情況下才不優(yōu)先考慮臥式殼程冷凝。1. 當被冷凝的介質壓力較高或嚴重腐蝕管材時，在管程冷凝比較合適，這樣殼體可使用普通鋼材，能夠減少設備投資。一般是指立式管程冷凝。2. 對冷凝傳熱系數(shù)較高的物料（水蒸汽、氨氣等），可以選擇立式冷凝器。雖然冷凝膜傳熱系數(shù)比但如果冷卻水沿管子內(nèi)壁成膜狀流下，由于這樣水的膜傳熱系數(shù)比水充滿時的膜傳熱系數(shù)

15、大，從而提高了總膜傳熱系數(shù)。常用的立式氨冷器就是典型的例子。含不凝氣的冷凝冷卻過程1. 低壓通常采用臥式殼程冷凝器。如果采用立式殼程冷凝器，在死角累計的不凝氣不易排出。同時冷凝液沿管壁流到折流版后，又在折流板的邊緣落到下層折板上。這樣凝液就不能很好的與管子接觸，也就得不到充分的冷卻。2. 中壓近年來趨向采用立式管程冷凝，因為：1） 凝液呈降膜形狀向下流動，對凝液的過冷有利。2） 中壓狀況氣速較高，使凝液的液膜厚度薄，從而氣膜的熱阻低。氣速高時不凝氣也不易在冷凝器里積聚。3) 在立式塔頂冷凝器中，氣體與凝液始終充分接觸，所以傳熱系數(shù)比臥式高。4) 壓力降較低。對立式冷凝器，當冷凝介質走殼程時，通

16、過改變折流板間距能夠獲得較高的膜傳熱系數(shù)。如果立式冷凝器的管殼程分配能夠保證完全逆流(單管程、單殼程)，凝液過冷效果就更好，可凝氣的損失也越少。3.高壓近來多采用臥式冷凝器，在設計時主要考慮采取合適的流速以免液體與氣體分層。安裝注意事項1. 臥式冷凝器為了便于凝液的排出，安裝時保持大約1%的坡度(角度小，對傳熱的影響忽略不計)。同時折流擋板的切口保持與豎直，以利于排除凝液和不凝氣。2. 立式冷凝器為保證較大的傳熱系數(shù)，避免因氣節(jié)式的兩相流動引起的操作不穩(wěn)定，管內(nèi)流體流動時需自上而下。冷凝器設計依據(jù)管殼式冷凝器類型的選擇1. 封頭前封頭的類型對換熱器影響因素壓降和熱傳遞沒有影響，但后封頭的型式會

17、對壓降和傳熱產(chǎn)生影響。1) 一般前封頭選擇“B”。2)對水冷卻器，當管側需要定期清洗時且管側設計壓力小于10bar(g)時前封頭選擇“A”型。3) “M'型后封頭一般為固定管板式換熱器的選擇，“S”型后封頭為浮頭式換熱器選擇4)對高壓下操作的換熱器，前封頭一般選擇"D'型。2. 殼體1) “E型較為經(jīng)濟，是選擇殼體時的首選類型。2) “F”型當換熱器內(nèi)存在溫度交叉或者需要多個換熱器串并聯(lián)時，可選擇此類型殼體。管程數(shù)必須為偶數(shù)。J213) “J”型當“E”型殼體壓降不能滿足要求時選擇此類型殼體。分為和J12兩種類型。即兩個進口一個由口和兩個由口一個進口。換熱器合理壓降的

18、選擇較高的壓降會有較大的流速，能導致較少的設備投資，但運行費用增高。小壓降與此相反。所以，要在設備投資與運行投資之間進行經(jīng)濟分析。下表列由常用換熱器的壓降值以供參考。表2-1管殼式換熱器的合理壓降操作情況操作壓力合理的壓力降減壓操作P=0100Kpa（絕）P/10低壓操作P=070Kpa（表）P/2P=701000Kpa（表）35Kpa中壓操作（包括用泵）P=10003000Kpa（表）35180Kpa較圖壓操作P=30008000Kpa（表）70250Kpa工藝條件經(jīng)驗溫度的選擇1 .為避免結垢，冷卻水的由口溫度一般低于60C。低溫端溫差在5c之外，高溫端溫差應大于20To對工藝流體的換熱，

19、低溫端溫差一般高于20Co2 .采用多管程、單殼程，以水為冷卻劑時，為防止產(chǎn)生溫度交叉，冷卻水的由口溫度一般低于工藝物流的由口溫度。管長長的碳鋼管，長的銅合金管通常在國內(nèi)不能夠生產(chǎn)。6m長的管子比較普遍。在相同傳熱面積時，長管較好。原因如下：1 .減少管程數(shù)，2 .減少壓力，3 .每平方傳熱面的價格低。由于國內(nèi)不能夠生產(chǎn)太長的管子，國內(nèi)一般選用46m 的管子。在冷凝器中 選用長管子會增大設備從而增加設備的占地面積。設計換熱器時，首先選用勺管徑，這樣更方便清洗。放置平臺的鋼結構面積進而增加費用。對浮頭式冷凝器會增加管子的抽由空間，管徑與管壁管徑越小換熱器越緊湊，造價也就越低。但小管徑會導致大壓降

20、。因此，在19mmt徑來保證滿足允許壓降。當設計易結垢的流體換熱時，可選用25mm表2-2常用國內(nèi)換熱管的規(guī)格材料鋼管標準外徑mmx厚度mm碳鋼GB8163-8719x2碳鋼GB8163-8725x2碳鋼GB8163-8725x不銹鋼GB2270-8019x2不銹鋼GB2270-8025x2折流板圓缺高度單弓形圓缺型折流板的建議開口高度為直徑的1045%雙弓形折流板的建議開口高度為直徑的1525%折流板間距折流板間距影響到殼程流體的流速和流動狀態(tài)，從而對傳熱速率產(chǎn)生一定的影響。最小的折流板間距為殼體直徑的1/5且不小于50mm建議的最大折流板間距為殼體直徑的1/2。密圭寸條也稱旁路擋板，主要防

21、止bundle-shell的泄露流。一般成對設置。建議按照下面的數(shù)量進行設置。DN小于500mm寸，設置一對；DN在5001000mm寸，設置兩對；DN大于1000mm時,設置三對較為適宜。對固定管板式和U型管式換熱器因為間隙不大，不必使用密封條。對有相變14的設備，由于密圭寸條會影響氣液相的分離，不建議使用密圭寸條HTRI設計判據(jù)HTRI共三個計算模塊。分別包括核算、模擬、設計。其中，設計（design）模式需要較少的工藝條件，軟件根據(jù)提供的條件進行計算，初步得到其他缺少的幾何結構，熱傳遞系數(shù)和壓力降等。校核（rating）模式輸入工藝條件和相關的幾何參數(shù)，計算熱負荷并通過不斷的優(yōu)化設計，得

22、到最優(yōu)化的合理結果。設計模式和校核模式是最常用的計算模式，對經(jīng)驗豐富的設計人員，可以直接進行校核計算。模擬計算是驗證換熱器熱負荷是否滿足要求。HTRI程序可以設計殼體類型、殼體直徑、管長、管間距、折流板間距、折流板類型、管徑、管心距。15-16管殼側流速（velocity）為防止結垢等不正?，F(xiàn)象，管殼側需要保證有一定的流速范圍。常用流速如F表所示:表2-3管殼式換熱器中常用的流速范圍類別管材最低流速最高流速適宜流速（m/s）凝結水鋼管(m/s)(m/s)河水（干凈的）鋼管循環(huán)水（處理鋼管的）海水含銅銀的管海水鋁銅管設計余量(overdesign)對單相系統(tǒng)設計余量為 05%兩相系統(tǒng)5103左右

23、。對于管殼式換熱器2030%也是允許的，為了適應以后工藝條件變化熱阻(thermal resista nee)流體的種類一般流體易結垢流體氣體管程>30流速m/s殼程>15表2-4水的流速表（管內(nèi)）般污垢熱阻所占比例不宜超過50%流型(flowfraction)在HTRI設計結果report中，報告右下角給出了5種流體所占分率。為保證換熱器又較好的傳熱效率，建議B>,Ev,A最好小于，但不得大于。C一般小于，F(xiàn)接近0。若B流太小，E流太大，可增加折流板間距進行調整。對C流，增加密封帶(sealingstrips)或調節(jié)折流板數(shù)(crosspasses)值。若F值過大，可調整管

24、子的排列方式解決。2-1不同流型分布流路 A: tube-to-baffle flow,leakage flow路；流路 B: main cross flow 錯流流路；流路 C: bundle-to-shell flow,bypass flow路；流路 E: baffle-to-shell flow,leakage flow路；-折流板管孔和管子之間的泄漏流管束外圍和殼內(nèi)壁之間的旁流流-折流板與殼內(nèi)壁之間的泄漏流流路F:TubefieldPassPartition,BypassStream管程分程隔板處的中間穿流流路。Windowandcrossflow對單弓形折流板，crossflow與w

25、indow中較大值與較小值的比值在之間，最好接近1；對NTIWbaffle，window/crossflow在23之間。不滿足要求可以調節(jié)bafflecut，但最大值不超過45%，最好在1735%。常見warningmessage及解決方法1. Thephysicalpropertiesofthehot(cold)fluidhavebeenextrapolatedbeyondthevalidtemperaturerange.checkcaculatedvalues.熱(冷)流體物性插值得到的溫度超過了可用的溫度范圍，檢查計算值?？梢栽龃笏O的溫度范圍或者改物性包HTRI為VMGThermo如果

26、工藝設計已定，也可忽略此問題。因為物性推算本來就是插值法得來，軟件只是提醒一下超出溫度范圍，對結果影響不大。2. Aninternaltemperaturecrossexistsintheexchanger.theprogramhandlesthereverseheatflowproperlyinthecalculations,butyoumaywanttoconsiderchangingtheterminalprocessconditionstoavoidtheinternaltemperaturecross.換熱器內(nèi)存在溫度交叉，軟件在計算中適當?shù)母淖兞肆黧w的狀況。但是你也許會考慮改變工藝

27、條件來避免這樣的問題。當管程數(shù)為1時不會存在溫度交叉問題，但是對于多管程換熱器出現(xiàn)此類問題時說明流體工藝流體不合適，試著增加傳熱溫差或者更改流量等條件。不可忽略。3. Thedesignlogichasmodifiedtheuserspecifiedvalueforbafflespacing(etc.)軟件設計修改了用戶指定的折流擋板間距等數(shù)據(jù)。在校核過程中根據(jù)REPOR里的內(nèi)容進行修正即可解決。不可忽略。4. TheB-streamflowfractionisverythedesign.B流所占分率太小，檢查設計內(nèi)容。此時說明其他泄露流太大，可增大折流板間距增加B流；添加密封帶減少C流以增加

28、B流；調整管子的排列方式減少F流。5. Theinletbafflespacingislessthantherecommendedminimumtheconditionmayleadtoproblemswhentheexchangerisbuilt.進口處折流板間距比建議的最小折流板間距小，重新檢查設計，這種情況在換熱器的建造時會產(chǎn)生很多問題。試著增大折流板間距。不可忽略。6. Shellexitvelocityexceedscriticalvelocity,indicatingaprobabilityoffluidelasticinstabilityandflow-inducedvibrat

29、iondamage.Ifpresent,fluidelasticinstabilitycanleadtolargeamplitudevibrationandtubedamage.殼側出口流速超過了臨界速度，暗示著流動不穩(wěn)定和流體振動造成損害的可能性。如果這種現(xiàn)象存在的話，可能會導致巨大的管振幅和管振動。試著改變殼體類型為J12或者增大殼體出口管徑。不可忽略。7. Theinletunsupportedspanlength（inletbafflespacing+centralbafflespacing）exceedstheTEMAmaximumunsupportedspanlength.進口處無

30、支撐板間距長度（進口處折流板間距加上中心折流板間距）超過了TEMA最大的無支撐板間距長度。試著減少折流板間距。一般來說換熱器的折流板間距都是等距的。不可忽略。8. Thevaporspecificheatofthehotfluidiscalculalatedintheareaofthecriticallinearinterpolationofthevaporspecificheatandthesensibleheatdutymaybeinaccurateinthisthevaporspecificheatand/ortheheatreleasecurveforthiscase.熱流體的氣相比熱

31、在臨界溫度點計算。在這個范圍利用線性插值法得到的氣相比熱和熱負荷可能不準確。在這種情況下指定氣相潛熱或熱流體曲線數(shù)據(jù)?？珊雎?。9. Adifferentialflashisrecommendedfortwo-tubepassintubecondensationunlessaU-tubebundleisusedbecauseofpotentialphaseseparationintheheader.在兩管程管內(nèi)冷凝過程建議使用微分法計算。除非使用U型管。因為在封頭處可能存在潛在的氣相分離。在hot/coldfluidproperties>flashtype中更改計算類型即可。不可忽略。HT

32、RI設計實例（計算）飽和蒸汽的冷凝設計任務和設計條件設計一冷凝器，用以冷凝來自氣提塔的氨蒸氣，并選定冷凝器的操作壓力。露點下氨的流量為h,冷卻水的入口溫度為C。確定設計方案為避免因溫差過小引起的水量過大，這里選擇冷卻水升溫5c10。同時為保證氨的由口溫度比冷卻水的由口溫度高5°C,查氨的莫利爾圖得，氨在時的凝點是°Q所以選擇氨的操作壓力是。因冷熱兩股流體的溫差較小，冷卻水、氨的污垢系數(shù)接近為0,這里選擇固定管板式換熱器較為經(jīng)濟。對飽和純組分蒸汽冷凝，選擇立式殼程冷凝器能達到更好的換熱效果，因此選擇立式，熱流體走殼程，冷流體走管程。軟件計算步驟（本文以為例）1 .打開HTR,

33、在File菜單下選擇“NewShellandTubeExchanger”界面。這個界面由三部分組成，樹形欄，可以點擊選擇要輸入的項；輸入面板，可以在相應的框里輸入具體的數(shù)據(jù)，最下面一欄可以在Input、Report、Gragh等界面間切換。如圖2-2所示。2 .設定Case單位制，選擇SI。換熱器幾何參數(shù)設定Casemode中Casemode共三個選項Rating:校核計算模式，具備了足夠的換熱器尺寸與工藝物流條件之后，災此種模式下計算換熱器的壓力降和熱負荷，得到Report,校核所設計的換熱器是否符合標準Simulation:模擬計算模式，此種模式考察換熱器能否滿足規(guī)定的熱負荷。Design

34、:設計計算模式，當初始條件較少時，選用此種模式可以得到換熱器的初步結構參數(shù)結果。通常是先通過設計計算，得到換熱器的初始尺寸，然后進行校核計算，經(jīng)過多次校核，得到最終的設計結果圖2-2數(shù)據(jù)輸入總界面Exchangerconfiguration對于冷凝器，選擇默認的genericshellandtubeProcessconditionsweight fraction冷熱流體流量，溫度，壓力等根據(jù)題目所給輸入。壓降一般由甲方指定，但是當不指定時，可選用著經(jīng)驗數(shù)值，見節(jié)。需要指明的是對于vapor，1代表全氣體，0代表全液體。污垢熱阻在資料書中查詢10,14。ShellgeometryTEMAtype

35、：對于此次設計的氨冷凝器，首先選擇BEM類型進行初步設計。ID:在設計計算模式中不用輸入，待計算后得到初步的設計結果。由校核計算輸入,Hotfluid:熱流體走殼程還是管程。選擇shellside，殼程。BafflegeometryType:折流板類型，折流板具有各自不同的優(yōu)缺點。下面列出常用的折流板圖2-3單弓形折流板圖2-4窗口側無排管折流板(singlebaffle)(NTIWbaffle)圖2-5雙弓形折流板(Dobblebaffle)其中，單弓形折流板最為經(jīng)濟。單弓形(NTIV)在振動存在的時候改用此類折流板。雙弓形折流板用于在單弓形折流板壓降較大時的情況。還有一些特殊類型的折流板，

36、讀者可根據(jù)需要自行選用。圖2-6桿型折流板圖2-7螺旋形折流板(RODbaffle)(Helicalbaffle)圖2-8雙螺旋型折流板(DoubleHelix)圖2-9全網(wǎng)格折流板圖2-10魔方型折流板(EMbaffle,FullGrid)(Square-OneBaffle)這里選擇單弓形折流擋板，一般來說，單弓形折流板最為經(jīng)濟16。Orientation:折流擋板圓缺方向，水平裝配可對流體造成較強的擾動，從而增加傳熱系數(shù)，在無相變的換熱中較為常用。垂直裝配則更適合在臥式冷凝器中，這種排列方法有利于排除冷凝器中的不凝氣和冷卻液。TubegeometryType:選擇默認的光滑管plain。P

37、itch選擇管徑的倍(常用)或者倍，wallthickness根據(jù)標準選用，這里選擇2mm在使用HTRI軟件設計過程中，只需要填寫紅框內(nèi)數(shù)據(jù)即可。填寫完畢后，界面如圖2-11所示：圖2-11數(shù)據(jù)填寫完成inputsummary界面HH流體物性輸入單擊樹形欄“HotFluidProperties”或“ColdFluidProperties”會由現(xiàn)圖2-12物性輸入選擇界面：物性對于設計結果具有很大的影響。在輸入物性時有一些輸入原則。Physicalpropertyinputoption,三個選項分另U代表：女口果知道組成，貝U選取第二項componentbycomponent。如果知道物性，則選

38、取第一項Mixturepropertiesviagrid。如果知道組成，又希望自己輸入一些物性，則選取第三項Componentandgridproperties°HeatReleaseInputMethod,對應熱量有關物性的輸入：第一項是用戶自己進行規(guī)定Userspecified。第二項是規(guī)定露點及泡點Specifieddew/bubblepoint。第三項程序自己計算programcalculated。對于本例題，選擇左邊第二項componentbycomponent,右邊第三項programcalculated。流體名稱為ammoniaCompositionunits選擇默認的

39、moles即可。Flashtype選擇默認的integral積分法，計算結果提示使用differential微分法時再修改。圖2-12物性輸入選擇界面雙擊樹形欄的HotFluidProperties,看到component圖標上有紅框標識,說明這一項還需數(shù)據(jù)輸入。點擊打開，由現(xiàn)圖2-13所示界面。圖2-13熱流體物性輸入界面在package中，默認的安裝物性包有一HTR、VMGThermo用戶可以根據(jù)需要自行使用所需要的物性包。其中，VMGTherm的assay可以用來分析油品數(shù)據(jù),將在油品例題中闡述。按照同樣的方法輸入冷流體物性。|圖2-14冷流體物性輸入界面在HTRI物性包中水有兩種，包括

40、water(IAPWS997)和water(previousHTRI)。一般選擇前者，即water(IAPWS997),IAPWS弋表TheInternationalAssociationforthePropertiesofWaterandSteam。注意：在樹形欄control一項method中，condensation選項，選擇純組分purecomponent為yes計算，否則，HTRI會按照含有不凝氣計算，使熱傳遞系數(shù)計算不正確，從而影響結果。此時樹形欄中各項已經(jīng)沒有紅色方框，說明輸入已經(jīng)完畢。點擊運行按鈕計算，由現(xiàn)report窗口，見表2-5o表2-5初步設計結果一對RuntimeMe

41、ssage里的警告內(nèi)容暫時不用考慮，即得到了設計的初步結果。為考察初步的設計結果是否合理，將設計模式改為Rating校核模式，在校核模式計算過程中所缺少的參數(shù)可以暫用report中的數(shù)據(jù)。3 .換熱器的校核設計：將Casemode改為校核模式，根據(jù)初步設計的結果輸入紅色方框的內(nèi)容。圖2-15校核設計數(shù)據(jù)輸入框參考固定管板式換熱器標準，將換熱器殼徑輸入為300mm折流擋板間距bafflespacing輸入為150mm點運行按鈕。得到表2-6結果。2。且L/D太大結果分析17-20:查看表2-6,因Tubeside流速太小(參考第節(jié))，改管程為L/D建議在510范圍。根據(jù)標準，選擇管長改為，殼徑改

42、為273mm為增加B-FLOW,減少E-FLOW將bafflespacing改為250mmlayoutangle改為60。運行，得到表2-7結果。查看表2-7，為減小window流速，將bafflecut改為32%為減少F-FLOW在clearances中的passlanesealdevice中，將numberofrods設置為10。為減少A-FLOW在clearances中的diameralclearances中設置tube-to-baffle為，為減少E-FLOV,在clearances中的diameralclearances中設置為。運行。得至4表2-8結果。表2-6校核設計結果一表2-

43、7校核設計結果二表2-8校核設計結果三在finalresult中，有一項指標的考察較為重要，即壓力降。見表2-9。發(fā)現(xiàn)殼側進口管壓降較大,為。超過了建議范圍的壓降30%通過觀察殼側入口管尺寸為52mm所以增加其至62mm競側進口管壓降符合要求，見表2-10。表2-9換熱器內(nèi)壓降分布一CrossWindowEndsNozzleShellTubeInletMOMENTUMOutlet表2-10換熱器內(nèi)壓降分布二CrossWindowEndsNozzleShellTubeInlet計算結束。注意，因為本題目的runtimemessage中的警告可以忽略，所以在上述講述過程中沒有涉及,在其他題目中應該

44、根據(jù)此項的內(nèi)容進行相關調整。Runtimemessage是進行調整的依據(jù)。HTRI與EDF計算結果對比通過比較HTRI的設計結果，給定相同的設計參數(shù)設計由的換熱器不盡相同。表2-11EDR與HTRI參數(shù)比較結構參數(shù)工藝參數(shù)EDRHTRI型號BEM氨氣進口溫度42C42C方向豎直出口溫度CC克徑/mm273殼程流速管長/mm4500管程流速管徑/mm殼側壓降管子數(shù)86設計裕量19管壁厚/mm殼側膜系數(shù)管間距/mm管側膜系數(shù)管程數(shù)2A布管方式60°B板間距/mm250C續(xù)表2-11工藝參數(shù)EDR結構參數(shù)HTRI折流板類型單弓形折流板方向豎直F弓缺/%40在相同的結構參數(shù)之下：與HTRI的

45、殼程流速相差較大，可能原因是兩個軟件的流速計算方法不同殼側流速較大導致了壓降較高，殼側膜系數(shù)較高。與HTRI進由口溫度設計有差異，原因在于兩個軟件所使用的物性數(shù)據(jù)包不同，因此物流的物性有差異。各部件間距不同。4 .結構參數(shù)相同，殼側各流股基本相同，差異原因在于兩個軟件系統(tǒng)默認的設計裕量較大，當流速一致的情況下，兩者的設計裕量基本相同。結論：EDR與HTRI使用相同參數(shù)進行設計，由于其內(nèi)部計算方法不同，得到的結果有所差異，不過設計校核之后的冷凝器各項參數(shù)均符合要求。含有不凝氣的氣體冷凝設計任務和設計條件對含有不凝氣的換熱器設計，在物性輸入時應注意相態(tài)的選擇。對不凝氣，其phase選擇為vapor

46、,即沒有相變。由一臺燒類氣體壓縮機排生的混合氣為h的干燒氣體，所帶入的水分為ho混合氣由壓縮機進入冷凝器的溫度為C,壓力為，要求冷卻到40C,干氣體的分子量是。干燒氣體組成（摩爾分率）：乙怏，氫氣，甲烷，一氧化碳。確定設計方案首先設定冷卻水的進口溫度為C,為避免冷卻水用量過大，選擇冷卻水的溫升為5C。對本例題冷熱兩股流體的極限溫差并未超過110C,選擇固定管板式換熱器較為經(jīng)濟。對低壓操作，采用臥式殼程冷凝。首先，查得對燒類氣體污垢熱阻為I?C/kcal。軟件計算步驟1.打開HTRI,新建管殼式換熱器模塊，輸入幾何數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)圖2-16數(shù)據(jù)輸入完畢界面流體物性輸入給工藝流體的數(shù)據(jù)計對含不凝氣的

47、物流的數(shù)據(jù)輸入，在選擇時應注意相態(tài)問題。首先根據(jù)題目所算當包含水蒸氣時摩爾組成表2-12物流各組分組成組分乙怏氫氣甲烷一氧化碳水蒸氣摩爾流量kmol/h摩爾組成在物性輸入欄里輸入相關數(shù)據(jù)圖2-17熱流體物性輸入界面一在phase里面，見圖2-18。Mixed代表流體有相變，Vapor或Liquid代表沒有相變。在輸入混合物的時候注意輸入混合物的組成。這也是含有不凝氣計算時與其他情況的不同點。同樣的方法，輸入冷流體的物性。圖2-18熱流體物性輸入界面二圖2-19冷流體物性輸入界面一圖2-20冷流體物性輸入界面二含有冷凝相變，在Control-Methods-Condensation里面輸入冷凝組

48、分數(shù)為圖2-21軟件計算其他選項此時樹形欄已經(jīng)沒有紅色方框，點擊運行按鈕，計算表2-13初步設計結果一計算出結果后，將涉及模式改為計算模式，所缺少的參數(shù)根據(jù)design模式得到的report輸入。對RuntimeMessage里的警告內(nèi)容暫時不用考慮。2.換熱器的校核設計將Casemode改為校核模式，根據(jù)初步設計的結果輸入紅色方框的內(nèi)容。參考固定管板式換熱器的標準，并注意到初步設計的Overdesign為%。所以選擇殼徑為400mm管長選為4m折流板間距為200mm點運行按鈕。計算。出現(xiàn)如圖2-14的警告。表2-14校核設計結果一警告查看runtimemessage表2-14里面內(nèi)容，提示設

49、計的換熱器殼側壓降太大，已經(jīng)超過了入口壓力。查看report里outputsummary里的結果，壓降為，超過了進口壓力。因此，選擇雙弓形折流擋板和J21殼徑以減少壓力損失。選擇，計算。得到設計結果，如表2-15所示。表2-15校核設計結果二查看runtimemessage問題一提示熱流體插值得到的物性不能達到有效的溫度范圍，檢查計算值。也就是說所設計的溫度范圍太窄，這是改變溫度范圍可以解決這個問題。但是溫度為工藝設定溫度，因此不可改變。本問題并不影響計算結果。因為計算結果是插值得來的。而物性隨溫度的曲線基本服從插值的規(guī)律。問題二說的就是殼側流速過大問題。為解決以上問題，參考計算殼側入口管徑為

50、204mm將入口管徑改為254mm。為增加管程流速,選擇雙管程。為使window/crossflow比值接近1。調節(jié)bafflespacing為150mm計算，運行。得到最終的設計結果，如表2-17o表2-17校核設計結果三計算結束。油氣冷凝冷卻設計任務和設計條件用冷卻水冷凝冷卻常壓塔頂汽油，汽油流量為h,汽油由塔溫度70C,要求冷卻至40C,冷卻水入口溫度18C,設計管殼式冷凝冷卻器，常頂汽油的物性如表2-18。20r密度為m。體積分率初微點10%30%50%70%90%95%干點溫度c3980102117129146169確定設計方案為避免溫差過大，選擇冷卻水溫升為5C。因冷熱兩股流體的極

51、限溫差較小，并且不需要機械清洗，選擇固定管板式換熱器。對常壓塔油品冷凝，選擇臥式殼程冷凝。軟件計算步驟首先，對于油品等混合類不知道具體組成的情況，首選利用PROII或者aspenplus模擬油品物性，然后導入到HTRI中計算。HTRI本身也可以計算，本例題將從外界導入和自身計算兩方面進行敘述。1.Aspen模擬數(shù)據(jù)導入計算打開aspenplus軟件，simulations選擇“generalwithmetricunits”,runtype選擇assaydataanalysis。建立新模塊，圖2-22。選擇setup-specification-global選框，輸入本次模擬的名稱。輸入為OIL

52、,其他選項選擇默認即可，圖2-23o隨后，開始輸入的虛擬組分。選擇component-specifications-selection,定義虛擬組分的componentID為H-FLOV,type選擇assay,圖2-24。點擊components-assay/blend，選擇剛才命名的H-FLOV組分，并點擊下側的edit,圖2-25根據(jù)題目為恩氏蒸播的數(shù)據(jù)曲線，選擇ASTMD86根據(jù)所給密度計算油品重度為。輸入ASTMD86數(shù)據(jù)圖2-26。一般來說，題目所給的數(shù)據(jù)越多，軟件計算的越為準確。尤其是輕端組分lightends。一般以C6為分界線。另外重度曲線、分子量等也可輸入。圖2-22asp

53、en模塊選擇對話框圖2-23全局設定圖2-25模擬編輯圖2-26數(shù)據(jù)輸入這時數(shù)據(jù)已經(jīng)輸入完畢，點擊next按鈕，運行。得到油品虛擬組分。可在里查看分害U結果。components-petrocharacterization-results圖2-27虛擬組分結果為能導入進HTRI進行計算，需要在aspenplug內(nèi)建立冷凝器模型,點擊setup-specifications-global里的runtype里選擇flowsheet，這時會由現(xiàn)流程模擬框。選擇換熱器模型為heater-heater,模塊命名為cooler，并建立流連接。圖2-28流程建立建立完成后開始輸入物性數(shù)據(jù)。首先需要選擇軟件計

54、算的物性方法。在properties-specifications-global里，processtype選擇commonbasemethod選擇UNIQUAC圖2-29確定物性隨后輸入流股數(shù)據(jù)。在streams-HI-input-specifications里輸入熱物流的進口數(shù)據(jù)。圖2-30熱流體數(shù)據(jù)點擊blocks-cooler-specification。輸入數(shù)據(jù)。Temperature由口溫度為40°Caporfraction為0。圖2-31設備數(shù)據(jù)輸入圖2-32模擬計算過程在導入HTRI之前，需要首先繪制冷熱物流曲線。點擊blocks-cooler-hcurves,新建一個曲線，名字按照默認即可。在接下來的setup里面，in