第三講熱過程單元的仿真

第三講熱過程單元的仿真第一頁，共九十五頁，2022年，8月28日傳熱單元模型的分類加熱器

Heater換熱器

HeatX多物流換熱器MHeatX熱通量換熱器

HXFlux傳熱單元歸屬換熱器類(HeatExchangers)，共7種模型，AspenPlus內(nèi)部用的有4種，其余3種是與其它軟件的接口模塊：第二頁，共九十五頁，2022年，8月28日傳熱單元模型的分類(2)第三頁，共九十五頁，2022年，8月28日Heater

加熱器模型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（僅改變壓力，不涉及功率）第四頁，共九十五頁，2022年，8月28日Heater

加熱器模型（2）第五頁，共九十五頁，2022年，8月28日Heater——

連接Heater

模型的連接圖如下：第六頁，共九十五頁，2022年，8月28日1、閃蒸規(guī)定(Flashspecifications)

（1）溫度Temperature

（2）壓力Pressure

（3）溫度改變Temperaturechange

（4）蒸汽分率Vaporfraction

（5）過熱度Degreesofsuperheating

（6）過冷度Degreesofsubcooling

（7）熱負荷HeatdutyHeater

—模型參數(shù)Heater模型有兩組模型設定參數(shù)：從中任選兩項第七頁，共九十五頁，2022年，8月28日Heater

—模型參數(shù)（2）第八頁，共九十五頁，2022年，8月28日2、有效相態(tài)(ValidPhase)（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Heater

—模型參數(shù)（3）Heater模型有兩組模型設定參數(shù)：第九頁，共九十五頁，2022年，8月28日Heater

—模型參數(shù)（4）第十頁，共九十五頁，2022年，8月28日

溫度20℃、壓力0.41MPa、流量4000kg/hr

的軟水在鍋爐中加熱成為0.39MPa的飽和水蒸氣進入生蒸汽總管。求所需的鍋爐供熱量。

Heater—

應用示例(1)第十一頁，共九十五頁，2022年，8月28日

流量為1000kg/hr（0.4MPa）的飽和水蒸汽用蒸汽過熱器加熱到過熱度100℃（0.39MPa），求過熱蒸汽溫度和所需供熱量。

Heater—

應用示例(2)第十二頁，共九十五頁，2022年，8月28日

流量為1000kg/hr、壓力為0.11MPa、含乙醇70%w、水30%w的飽和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽/液比（摩爾）=1/3。求冷凝器熱負荷。

Heater—

應用示例(3)第十三頁，共九十五頁，2022年，8月28日

案例研究(CaseStudy)是ASPENPlus提供的模型分析工具(ModelAnalysisTools)之一。當需要對多個不同的工況條件的結(jié)果進行比較時，尤其是不同工況有多個且數(shù)目不等的參數(shù)需要改變時，案例研究工具提供了非常方便的手段:一次輸入所有工況的參數(shù)值，通過批處理運行方式計算出全部結(jié)果，自動輸出到結(jié)果文件中。CaseStudy—

案例研究第十四頁，共九十五頁，2022年，8月28日CaseStudy—

案例研究（2）第十五頁，共九十五頁，2022年，8月28日CaseStudy—

參數(shù)定義

首先在改變(Vary)表單中定義不同案例中需要改變的變量：使用變量序號(Variablenumber)下拉框中的新建(new)選項增添新的變量；使用調(diào)節(jié)變量(Manipulatedvariable)欄中的一組下拉框設定每一個變量的定義。第十六頁，共九十五頁，2022年，8月28日CaseStudy—參數(shù)定義（2）第十七頁，共九十五頁，2022年，8月28日CaseStudy—

參數(shù)賦值

然后在規(guī)定(Specification)表單中定義不同案例中調(diào)節(jié)變量的值：使用案例序號(Casenumber)下拉框中的新建(new)選項增添新的案例；在調(diào)節(jié)變量值(Valuesofmanipulatedvariable)表的單元格中按順序輸入相應案例里每一個調(diào)節(jié)變量的給定值。第十八頁，共九十五頁，2022年，8月28日CaseStudy—

參數(shù)賦值（2）第十九頁，共九十五頁，2022年，8月28日CaseStudy—

批處理運行

完成案例定義后，從窗口的級聯(lián)式菜單中選擇“運行→批處理→提交”命令

Run→Batch→Submit并在彈出的對話框中設定運行代號(RunID)，運行結(jié)果輸出文件將采用運行代號作為文件名。第二十頁，共九十五頁，2022年，8月28日CaseStudy—批處理運行（2）第二十一頁，共九十五頁，2022年，8月28日CaseStudy—批處理運行（3）第二十二頁，共九十五頁，2022年，8月28日CaseStudy—

結(jié)果查看

案例研究的模擬結(jié)果采用文件輸出，不能直接從圖形用戶界面中查看。運行完成后，會在工作目錄下自動生成輸入(*.inp)、狀態(tài)(*.sta)、簡匯(*.sum)和輸出(*.out)四個文本文件，結(jié)果數(shù)據(jù)在*.out文件中，可用文本編輯軟件打開查看和編輯。第二十三頁，共九十五頁，2022年，8月28日

流量為100kg/hr、壓力為0.2MPa、溫度為20℃的丙酮通過一電加熱器。當加熱功率分別為2kW、5kW、10kW和20kW時，求出口物流的狀態(tài)。

Heater—

應用示例(4)第二十四頁，共九十五頁，2022年，8月28日Heater

—物性計算

利用Heater模塊可以很方便地計算混合物在給定熱力學狀態(tài)下的各種物性數(shù)據(jù)，如泡點、露點、飽和蒸汽壓、密度、粘度、熱容、導熱系數(shù)等等：只需將給定組成的物流導入Heater模塊，根據(jù)給定的熱力學狀態(tài)設定Heater的模型參數(shù)，并在總Setup的ReportOptions中設定相應的輸出參數(shù)選項即可。第二十五頁，共九十五頁，2022年，8月28日

求壓力為0.2MPa，含甲醇30%w、乙醇20%w、正丙醇20%w、水30%w的混合物的泡點和露點。

Heater—

應用示例(5)第二十六頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX

換熱器模型逆流/并流（Countercurrent/Cocurrent)折流板殼程（SegmentalBaffleShell)棍式擋板殼程（RodBaffleShell)裸管/低翅片管（Bare/Low-finnedTubes)HeatX模型用于模擬下述結(jié)構(gòu)的管—殼式換熱器：計算兩股物流之間的熱量交換。第二十七頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX

換熱器模型（2）第二十八頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——

連接HeatX

模型的連接圖如下：第二十九頁，共九十五頁，2022年，8月28日計算類型

Calculation流動方式

Flowarrangement換熱器設定

ExchangerspecificationHeatX—模型設定HeatX

的設定從規(guī)定(Specification)表單著手，有三組設定參數(shù)：第三十頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX—模型設定（2）第三十一頁，共九十五頁，2022年，8月28日計算欄目中有三個選項：

1、簡捷計算Short-cut

2、詳細計算

Detailed

3、Hetran

精確計算HetranRigorous

輸出Hetran軟件(換熱器設計專用軟件)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、設計Design

2、核算

Rating

3、模擬

Simulation兩組選項按下述方式配合使用：HeatX—計算類型第三十二頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX—計算類型（2）第三十三頁，共九十五頁，2022年，8月28日簡捷計算只能與設計或模擬選項配合。簡捷計算不考慮換熱器幾何結(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。使用設計選項時，需設定熱(冷)物流的出口狀態(tài)或換熱負荷，模塊計算達到指定換熱要求所需的換熱面積。使用模擬選項時，需設定換熱面積，模塊計算兩股物流的出口狀態(tài)。HeatX—簡捷計算第三十四頁，共九十五頁，2022年，8月28日流動方式設定包括：1、熱流體(Hotfluid)流動空間：

殼程

(Shell)/管程

(Tube)2、流動方向(Flowdirection)：

逆流

(Countercurrent)

并流

(Co-current)

多管程流動

(Multiplepasses)HeatX—流動方式第三十五頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX—流動方式(2)第三十六頁，共九十五頁，2022年，8月28日1、逆流

CountercurrentHeatX—

流動方向2、并流

Cocurrent第三十七頁，共九十五頁，2022年，8月28日熱物流出口溫度(Hotstreamoutlettemperature)熱物流出口溫降(Hotstreamoutlettemperaturedecrease)熱物流出口溫差(Hotstreamoutlettemperatureapproach)熱物流出口過冷度(Hotstreamoutletdegreessubcooling)熱物流出口蒸汽分率(Hotstreamoutletvaporfraction)HeatX—

換熱器設定共有13個選項第三十八頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX—

熱物流出口溫差

第三十九頁，共九十五頁，2022年，8月28日冷物流出口溫度(Coldstreamoutlettemperature)冷物流出口溫升(Coldstreamoutlettemperatureincrease)冷物流出口溫差(Coldstreamoutlettemperatureapproach)冷物流出口過熱度(Coldstreamoutletdegreessuperheat)冷物流出口蒸汽分率(Coldstreamoutletvaporfraction)HeatX—

換熱器設定

(2)共有13個選項第四十頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX—

冷物流出口溫差

第四十一頁，共九十五頁，2022年，8月28日傳熱面積(Heattransferarea)熱負荷(Exchangerduty)幾何條件(Geometry)

在詳細計算時采用。HeatX—

換熱器設定(3)

共有13個選項第四十二頁，共九十五頁，2022年，8月28日

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)的基礎上進行校正。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—

LMTD校正第四十三頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX—

LMTD校正（2）第四十四頁，共九十五頁，2022年，8月28日

壓降

(PressureDrop)分別指定熱側(cè)和冷側(cè)的出口壓力

(Outletpressure)

指定值

>0，代表出口的絕對壓力值

指定值

≤

0，代表出口相對于進口的壓力降低值HeatX——

簡捷計算

第四十五頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——

簡捷計算（2）

第四十六頁，共九十五頁，2022年，8月28日總傳熱系數(shù)方法

(Umethods)常數(shù)

(Constant)相態(tài)法

(Phasespecificvalues)

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)

(Powerlawexpression)U=Uref(Flow/Flowref)^exponentHeatX——

簡捷計算（3）

第四十七頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——

U-相態(tài)法

第四十八頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——結(jié)果查看HeatX最重要的是熱參數(shù)結(jié)果(Thermalresults)，其下包括五張表單：概況Summary

衡算Balance

換熱器詳情Exchangerdetails

壓降/速度Predrop/velocities

分區(qū)Zones第四十九頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——概況概況表單給出了冷、熱物流的進、出口溫度、壓力、蒸汽分率(Vaporfraction)，以及換熱器的熱負荷(Heatduty)。第五十頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——概況(2)第五十一頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——換熱器詳情對于捷算法，換熱器詳情表單給出了需要的換熱器面積(Requiredexchangerarea)、結(jié)垢(Dirty)條件下的平均傳熱系數(shù)(Avg.heattransfercoefficient)、校正后的對數(shù)平均溫差(LMTDcorrected)和對數(shù)平均溫差校正因子(LMTDcorrection

factor)等有用的信息。第五十二頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——換熱器詳情（2）第五十三頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——分區(qū)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設計方案的方向。第五十四頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——分區(qū)（2）第五十五頁，共九十五頁，2022年，8月28日

用1200kg/hr飽和水蒸汽(0.3MPa)加熱2000kg/hr甲醇(20℃、0.3MPa)。離開換熱器的蒸汽冷凝水壓力為0.28MPa、過冷度為2℃。換熱器傳熱系數(shù)根據(jù)相態(tài)選擇。求甲醇出口溫度、相態(tài)、需要的換熱面積。HeatX—

應用示例(1)第五十六頁，共九十五頁，2022年，8月28日詳細計算只能與核算或模擬選項配合。詳細計算可根據(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)實際的換熱面積計算兩股物流的出口狀態(tài)。HeatX—詳細計算第五十七頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX—詳細計算(2)第五十八頁，共九十五頁，2022年，8月28日

壓降

(PressureDrop)分別指定熱側(cè)和冷側(cè)的出口壓力

(Outletpressure)

根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)計算

(Calculatedfromgeometry)HeatX—

詳細計算(3)

第五十九頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——

詳細計算

(4)

第六十頁，共九十五頁，2022年，8月28日

總傳熱系數(shù)方法

(Umethods)常數(shù)

(Constant)相態(tài)法

(Phasespecificvalues)

冪函數(shù)

(Powerlawexpression)換熱器幾何結(jié)構(gòu)

(ExchangerGeometry)傳熱膜系數(shù)

(Filmcoefficients)

詳細計算采用后兩種方法HeatX——

詳細計算

(5)第六十一頁，共九十五頁，2022年，8月28日膜系數(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)(Filmcoefficients)，根據(jù)管壁材料和厚度計算傳導熱阻，再結(jié)合給定的污垢熱阻因子(Foulingfactor)計算出總傳熱系數(shù)U。HeatX——

U-膜系數(shù)法第六十二頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——

U-膜系數(shù)法

(2)第六十三頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX—幾何結(jié)構(gòu)詳細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(Tubefins)、擋板(Baffles)和管嘴(Nozzles)表單中輸入相應的數(shù)據(jù)。第六十四頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX—幾何結(jié)構(gòu)（2）第六十五頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX—殼程參數(shù)殼程(Shell)表單中包含以下參數(shù)：殼程類型TEMAshelltype管程數(shù)No.oftubepasses換熱器方位Exchangerorientation密封條數(shù)Numberofsealingstrippairs管程流向Directionoftubesideflow殼內(nèi)徑Insideshelldiameter殼/管束間隙Shelltobundleclearance第六十六頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX—管程參數(shù)（2）

第六十七頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX—殼程類型殼程類型包含六種結(jié)構(gòu)供選用：第六十八頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX—殼程類型（2）

第六十九頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX—其它殼程參數(shù)第七十頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——管程參數(shù)管程(Tubes)表單中包含以下參數(shù)：選擇管類型Selecttubetype

裸管

Baretube翅片管

Finnedtube管程布置Tubelayout

總管數(shù)

Totalnumber管長

Length

排列模式

Pattern中心距

Pitch

材料

Material導熱系數(shù)

Conductivity第七十一頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——管程參數(shù)（2）第七十二頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——管程參數(shù)（3）

管程參數(shù)還有管尺寸(Tubesize)，可用兩種方式輸入：實際尺寸

Actual內(nèi)徑Innerdiameter外徑Outerdiameter

厚度Tubethickness

三選二公稱尺寸

Nominal

直徑DiameterBWG規(guī)格

Birminghamwiregauge第七十三頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——管程參數(shù)（4）第七十四頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX—列管排列模式

第七十五頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——管翅結(jié)構(gòu)

對于翅片管，還需從管翅(Tubefins)表單中輸入以下參數(shù)：翅片高度

Finheight翅片高度/翅片根部平均直徑Finheight/Finrootmeandiameter翅片間距Finspacing:每單位長度的翅片數(shù)/翅片厚度Numberoffinsperunitlength/Finthickness第七十六頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——管翅結(jié)構(gòu)

(2)第七十七頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——管翅結(jié)構(gòu)

(3)第七十八頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——擋板結(jié)構(gòu)有兩種擋板結(jié)構(gòu)可供選用：

1、圓缺擋板Segmentalbaffle2、棍式擋板Rodbaffle從擋板(Baffles)表單中進行選擇并輸入有關(guān)參數(shù)。第七十九頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——圓缺擋板SegmentalBaffle第八十頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——圓缺擋板（2）圓缺擋板需輸入以下參數(shù)：所有殼程中的擋板總數(shù)

No.ofbaffles,allpasses擋板切割分率

Bafflecut(fractionofshelldiameter)管板到第一擋板的間距

Tubesheetto1stbafflespacing擋板間距

Baffletobafflespacing殼壁/擋板間隙

Shell-baffleclearance管壁/擋板間隙

Tube-baffleclearance第八十一頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——圓缺擋板（3）第八十二頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——棍式擋板RodBaffle第八十三頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——棍式擋板（2）

棍式擋板需輸入以下參數(shù)：所有殼程中的擋板總數(shù)

No.ofbaffles,allpasses圓環(huán)內(nèi)徑

Insidediameterofring圓環(huán)外徑

Outsidediameterofring支撐棍直徑

Supportroddiameter每塊擋板的支撐棍總長

Totallengthofsupportrodsperbaffle第八十四頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——棍式擋板（3）

第八十五頁，共九十五頁，2022年，8月28日HeatX——管嘴

管嘴即換熱器的物料進出接口，需從Nozzle表單中輸入以下參數(shù)：輸入殼程管嘴直徑

Entershellsidenozzlediameters

進口管嘴直徑

Inetnozzlediameter

出口管嘴直徑Outletnozzlediameter輸入管程管嘴直徑

Entertubesidenozzlediameters

進口管嘴直徑

Inletnozzlediameter

出口管嘴直徑Outlet