第6章?lián)Q熱器單元模擬

1、第第6章章 換熱器單元模擬換熱器單元模擬作者：全本軍作者：全本軍 孫蘭義孫蘭義換熱器單元模擬換熱器單元模擬6.1 概述概述6.2 換熱器換熱器Heater6.3 換熱器換熱器HeatX6.1 概述概述1、如：開水鍋爐、水杯、冰箱、空調等。、如：開水鍋爐、水杯、冰箱、空調等。2、是許多工業(yè)部門廣泛應用的通用工藝設備。通常，在化工廠的是許多工業(yè)部門廣泛應用的通用工藝設備。通常，在化工廠的建設中，換熱器約占總投資的建設中，換熱器約占總投資的11 40 。 換熱器定義：換熱器是用來改變物流熱力學狀態(tài)的傳熱換熱器定義：換熱器是用來改變物流熱力學狀態(tài)的傳熱設備。設備。 Aspen Plus 換熱器單元模塊

2、說明：換熱器單元模塊說明：模塊說明功能適用對象Heater加熱器或冷卻器改變一股物流的熱力學狀態(tài)加熱器、冷卻器、僅涉及壓力的泵、閥門或壓縮機HeatX兩股物流換熱器模擬兩股物流換熱過程管殼式換熱器、空冷氣、板式換熱器MHeatX多股物流換熱器模擬多股物流換熱過程LNG換熱器等6.2 換熱器換熱器Heater Heater 模型用于模擬單股或多股物流，使其變成某模型用于模擬單股或多股物流，使其變成某一特定狀態(tài)下的單股物流一特定狀態(tài)下的單股物流 ；也可通過設定條件來求已知組；也可通過設定條件來求已知組成物流的熱力學狀態(tài)。成物流的熱力學狀態(tài)。1. 求已知物流的泡點或者露點求已知物流的泡點或者露點2.

3、 求已知物流的過熱或者過冷的匹配溫度求已知物流的過熱或者過冷的匹配溫度3. 計算物流達到某一狀態(tài)所需熱負荷計算物流達到某一狀態(tài)所需熱負荷4. 模擬加熱器（冷卻器）或換熱器的一側模擬加熱器（冷卻器）或換熱器的一側5. 模擬泵、壓縮機、壓縮機（僅改變壓力，不涉及功率）模擬泵、壓縮機、壓縮機（僅改變壓力，不涉及功率）Heater可以進行以下類型的單相或多相計算：可以進行以下類型的單相或多相計算：6.2 換熱器換熱器Heater物料流熱流入口至少一股物料流入口任意股熱流可選的出口一股物料流出口一股熱流可選的一股水傾析物流可選的n典型的典型的HeaterHeater流程連接圖流程連接圖nHeaterHe

4、ater模型設定參數模型設定參數閃蒸規(guī)定(Flash specifications)有效相態(tài)(ValidPhase)溫度 Temperature蒸汽 Vapor-Only壓力 Pressure液體 Liquid-Only溫度 Temperature change固體 Solid-Only蒸汽分率 Vapor fraction汽-液 Vapor-Liquid過熱 Degrees of superheating汽-液-液 Vapor-Liquid-Liquid過冷 Degrees of subcooling液-游離水 Liquid-Freewater熱負荷 Heatduty汽-液-游離 Vapor

5、-Liquid-FreewaterHeaterHeater模型有兩組模型設定參數：閃蒸規(guī)定與有效相態(tài)模型有兩組模型設定參數：閃蒸規(guī)定與有效相態(tài)6.2 換熱器換熱器Heater注意：注意：指定壓力指定壓力(Pressure)(Pressure)，當指定值，當指定值00時，代表出口的絕對壓力值；時，代表出口的絕對壓力值；當指定值當指定值0 0，代表出口相對于進口的壓力降低值。，代表出口相對于進口的壓力降低值。nHeaterHeater的常用的幾種閃蒸規(guī)定組合的常用的幾種閃蒸規(guī)定組合6.2 換熱器換熱器Heater壓力（或壓降壓力（或壓降）與）與右列之一右列之一出口溫度出口溫度熱負荷或者入口熱流率熱

6、負荷或者入口熱流率汽化分率汽化分率溫度改變溫度改變過冷度或過熱度過冷度或過熱度出口溫度或溫度出口溫度或溫度改變與改變與右列之一右列之一壓力壓力熱負荷熱負荷汽化分率汽化分率nHeaterHeater應用實例應用實例6.2 換熱器換熱器Heater例例6.1 25、壓力、壓力0.4MPa、流率、流率5000kg/hr的軟水在鍋爐中被加的軟水在鍋爐中被加熱變成熱變成0.45MPa的飽和蒸汽，物性方法選用針對水（蒸汽）體系的的飽和蒸汽，物性方法選用針對水（蒸汽）體系的IAPWS-95。求所需的鍋爐供熱量。求所需的鍋爐供熱量。例例6.2 流率為流率為500kg/hr、壓力為、壓力為0.1MPa、含乙醇、

7、含乙醇60%（w）、水）、水40%（w）的飽和蒸汽在冷凝器中部分冷凝。冷凝器的壓降為）的飽和蒸汽在冷凝器中部分冷凝。冷凝器的壓降為0，冷，冷凝物流的汽凝物流的汽/液比（液比（mol）為）為1/1，物性方法選用，物性方法選用UNIQUAC。求冷凝。求冷凝器熱負荷。器熱負荷。 換熱器換熱器HeatXHeatX用于模擬兩股物流逆流或并流換熱時的熱量用于模擬兩股物流逆流或并流換熱時的熱量交換過程，可以對大多數類型的雙物流換熱器進行簡捷計算交換過程，可以對大多數類型的雙物流換熱器進行簡捷計算或詳細計算?；蛟敿氂嬎?。6.2 換熱器換熱器HeatX1.1.逆流逆流/ /并流（并流（Countercurren

8、t / Cocurrent) )2.2.殼程采用折流板（殼程采用折流板（Segmental Baffle in Shell) )3.3.殼程采用棍式擋板（殼程采用棍式擋板（Rod Baffle in Shell) )4.4.裸管裸管/ /低翅片管（低翅片管（Bare/Low-finned Tubes) ) 模擬下述常見結構的管模擬下述常見結構的管- -殼式換熱器：殼式換熱器：n典型的典型的HeatX流程連接流程連接6.2 換熱器換熱器HeatXnHeatx的模型設定參數的模型設定參數 HeatX 的設定要從的設定要從HeatX的的Specification頁面進行操作，有頁面進行操作，有四組設

9、定參數：四組設定參數：1、計算類型（、計算類型（Calculation）2、流動方式（、流動方式（Flow arrangement）3、運算模式（、運算模式（Type）4、換熱器設定（、換熱器設定（Exchanger specification）6.2 換熱器換熱器HeatX6.2 換熱器換熱器HeatX1、Calculation欄中有五個選項：欄中有五個選項：（1）簡捷計算）簡捷計算 （Short-cut）（2）詳細計算）詳細計算 （Detailed）（3）管殼式換熱器計算（）管殼式換熱器計算（Shell&Tube）（4）空冷器計算）空冷器計算 （AirCooled）（5）板式換熱器

10、計算（）板式換熱器計算（Plate heat exchangers）nHeatx的模型設定參數的模型設定參數2、流動方式設定包括以下選項：、流動方式設定包括以下選項：（1）熱流體）熱流體(Hot fluid)流動方式：流動方式： 熱流體走殼程熱流體走殼程 (Shell) /管程管程 (Tube) （2）流動方向）流動方向(Flow direction)： 逆流逆流(Countercurrent)/并流并流 (Cocurrent）/多管程流動多管程流動(Multiple passes) nHeatx的模型設定參數的模型設定參數6.2 換熱器換熱器HeatX在換熱器中，在換熱器中，流體走管程流體走

11、管程/殼程殼程，下列幾點可作為選擇的，下列幾點可作為選擇的一般原則：一般原則：a) 不潔凈或易結垢的液體宜在管程，方便清洗。不潔凈或易結垢的液體宜在管程，方便清洗。b) 腐蝕性流體宜在管程，以免管束和殼體同時受到腐蝕。腐蝕性流體宜在管程，以免管束和殼體同時受到腐蝕。c) 壓力高的流體宜在管內，以免殼體承受壓力。壓力高的流體宜在管內，以免殼體承受壓力。d) 飽和蒸汽宜走殼程，飽和蒸汽較清潔，表面?zhèn)鳠嵯禂蹬c流速無關，飽和蒸汽宜走殼程，飽和蒸汽較清潔，表面?zhèn)鳠嵯禂蹬c流速無關，而且冷凝液易排出。而且冷凝液易排出。e) 流量小而粘度大的流體一般以殼程為宜。流量小而粘度大的流體一般以殼程為宜。f) 需要被

12、冷卻物料一般選殼程，便于散熱。需要被冷卻物料一般選殼程，便于散熱。nHeatx的模型設定參數的模型設定參數6.2 換熱器換熱器HeatX3、Type選擇框中有三個選項：選擇框中有三個選項：（1）設計）設計 （Design）（2）核算）核算 （Rating）（3）模擬）模擬 （Simulation）Calculation與與Type兩組選項按下述方式兩組選項按下述方式配合使用配合使用：詳細計算只：詳細計算只能與核算或模擬選項配合。詳細計算可根據給定的換熱器幾何結構和能與核算或模擬選項配合。詳細計算可根據給定的換熱器幾何結構和流動情況計算實際的熱面積、傳熱系數、對數平均溫度校正因子和壓流動情況計算

13、實際的熱面積、傳熱系數、對數平均溫度校正因子和壓降。降。 使用使用核算核算選項時，模塊根據設定的換熱要求計算需要的換熱面積。選項時，模塊根據設定的換熱要求計算需要的換熱面積。使用使用模擬模擬選項時，模塊根據實際的換熱面積計算兩股物流的出口選項時，模塊根據實際的換熱面積計算兩股物流的出口狀態(tài)。狀態(tài)。nHeatx的模型設定參數的模型設定參數6.2 換熱器換熱器HeatX4、換熱器閃蒸規(guī)定包括、換熱器閃蒸規(guī)定包括13個選項：個選項：（1） 熱物流出口溫度熱物流出口溫度 (Hot stream outlet temperature)（2） 熱物流出口（相對于熱物流入口）溫降熱物流出口（相對于熱物流入口

14、）溫降 (Hot stream outlet temperature decrease)（3） 熱物流出口溫差熱物流出口溫差 (Hot stream outlet temperature approach)（4） 熱物流出口過冷度熱物流出口過冷度 (Hot stream outlet degrees subcooling)（5） 熱物流出口蒸汽分率熱物流出口蒸汽分率 (Hot stream outlet vapor fraction)（6） 冷物流出口溫度冷物流出口溫度 (Cold stream outlet temperature)nHeatx的模型設定參數的模型設定參數6.2 換熱器換熱器

15、HeatXnHeatx的模型設定參數的模型設定參數注意：注意：對于并流或者逆流換熱來講，熱物流出口溫差的表對于并流或者逆流換熱來講，熱物流出口溫差的表示方法是不同的。示方法是不同的。6.2 換熱器換熱器HeatX（7） 冷物流出口（相對于冷物流入口）溫升冷物流出口（相對于冷物流入口）溫升 (Cold stream outlet temperature increase)（8） 冷物流出口溫差冷物流出口溫差 (Cold stream outlet temperature approach)（9） 冷物流出口過熱度冷物流出口過熱度 (Cold stream outlet degrees super

16、heat)（10）冷物流出口蒸汽分率）冷物流出口蒸汽分率 (Cold stream outlet vapor fraction)（11）傳熱面積）傳熱面積 (Heat transfer area)（12）熱負荷）熱負荷 (Exchanger duty)（13）幾何條件）幾何條件 (Geometry)（詳細計算時采用）（詳細計算時采用）nHeatx的模型設定參數的模型設定參數6.2 換熱器換熱器HeatXnHeatx的模型設定參數的模型設定參數注意：注意：對于并流或者逆流換熱來講，冷物流出口溫差的表對于并流或者逆流換熱來講，冷物流出口溫差的表示方法是不同的。示方法是不同的。6.2 換熱器換熱器H

17、eatXHeatX模塊可以對大多類型的雙物流換熱器進行簡捷的或模塊可以對大多類型的雙物流換熱器進行簡捷的或嚴格的計算這兩種計算方法的主要區(qū)別是總的傳熱系數的計嚴格的計算這兩種計算方法的主要區(qū)別是總的傳熱系數的計算程序：算程序： 簡捷法簡捷法總是采用用戶規(guī)定的或缺省的總的傳熱系數值?？偸遣捎糜脩粢?guī)定的或缺省的總的傳熱系數值。 嚴格方法嚴格方法采用膜系數的嚴格熱傳遞方程，并能合并由于殼采用膜系數的嚴格熱傳遞方程，并能合并由于殼側和管側膜所帶來的管壁阻力來計算總的傳熱系數，用這種側和管側膜所帶來的管壁阻力來計算總的傳熱系數，用這種方法時，用戶需要知道幾何尺寸。方法時，用戶需要知道幾何尺寸。 nHea

18、tx簡捷計算與嚴格計算簡捷計算與嚴格計算6.2 換熱器換熱器HeatXnHeatx嚴格計算變量以及使用準則嚴格計算變量以及使用準則嚴格法核算模型對嚴格法核算模型對HeatX提供了較多的規(guī)定選項，因此也提供了較多的規(guī)定選項，因此也需要較多的輸入。嚴格法核算模型提供了很多缺省的選項，需要較多的輸入。嚴格法核算模型提供了很多缺省的選項，用戶可以改變缺省的項來控制整個計算。用戶可以改變缺省的項來控制整個計算。這些選項包括以下計算變量：這些選項包括以下計算變量：LMTD對數平均溫差校正因子、對數平均溫差校正因子、 U-methods傳熱系數、傳熱系數、 Film confficients膜系數、膜系數、

19、 Pressure Drop壓降等。壓降等。6.2 換熱器換熱器HeatX6.2 換熱器換熱器HeatXnHeatx 嚴格計算變量以及使用準則嚴格計算變量以及使用準則變量計算方法簡捷法使用準則嚴格法使用準則LMTD對數平均溫差校正因子常數Constant（由用戶指定校正系數，也可查手冊）DefaultYes幾何尺寸GeometryNoDefault用戶子程序User-subroutineNoYes計算法Calculated多管程時可用多管程時可用nHeatx 嚴格計算變量以及使用準則嚴格計算變量以及使用準則6.2 換熱器換熱器HeatX變量計算方法簡捷法使用準則嚴格法使用準則U-methods

20、傳熱系數常數Constant U valueYesYes相態(tài)法Phase specific valuesDefaultYes冪函數Power lawex pressionYesYes換熱器幾何尺寸Exchanger GeometryNoDefault膜系數Film confficientsNoYes用戶子程序User-subroutineNoYesnHeatx 嚴格計算變量以及使用準則嚴格計算變量以及使用準則6.2 換熱器換熱器HeatX變量計算方法簡捷法使用準則嚴格法使用準則Film confficients膜系數常數Constant U valueNoYes相態(tài)法Phase specifi

21、c valuesNoYes冪函數Power law expressionNoYes由幾何尺寸計算Calculate from geometryNoDefaultnHeatx 嚴格計算變量以及使用準則嚴格計算變量以及使用準則6.2 換熱器換熱器HeatX變量計算方法簡捷法使用準則嚴格法使用準則Pressure Drop壓降由出口壓力計算Outlet pressureDefaultYes由幾何尺寸計算Calculate from geometryNoDefaultnHeatx 嚴格計算變量以及使用準則嚴格計算變量以及使用準則注意：注意： U-methods傳熱系數、傳熱系數、Film conffi

22、cients膜系數的計算方法中的膜系數的計算方法中的相態(tài)法需要分別指定冷熱兩側不同相態(tài)組合下的傳熱系數。相態(tài)法需要分別指定冷熱兩側不同相態(tài)組合下的傳熱系數。 對于壓降，當指定熱側和冷側的出口壓力對于壓降，當指定熱側和冷側的出口壓力(Outlet pressure)時，若指時，若指定值定值0，代表出口的絕對壓力值；指定值，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，代表出口相對于進口的壓力降低值。力降低值。6.2 換熱器換熱器HeatXnHeatx 換熱器的幾何結構參數換熱器的幾何結構參數詳細計算時需輸入換熱器的幾何結構參數。包括（詳細計算時需輸入換熱器的幾何結構參數。包括（以管以管

23、殼式換熱器為例殼式換熱器為例）殼程）殼程(Shell)、管程、管程(Tubes)、管翅、管翅(Tubefins)、擋板、擋板(Baffles)和管嘴和管嘴(Nozzles)等。等。6.2 換熱器換熱器HeatX殼程殼程(Shell)表單中允許用戶對以下參數進行設置：表單中允許用戶對以下參數進行設置：殼程類型（殼程類型（TEMA shell type）管程數（管程數（No. of tube passes）換熱器方位（換熱器方位（Exchanger orientation）密封條數（密封條數（Number of sealing strippairs）管程流向（管程流向（Direction of t

24、ubeside flow）殼內徑（殼內徑（Inside shell diameter）殼殼/管束間隙（管束間隙（Shell to bundle clearance）串聯(lián)殼程數（串聯(lián)殼程數（Number of shells in Series）并聯(lián)殼程數（并聯(lián)殼程數（Number of shells in Parallel）nHeatx 換熱器的幾何結構參數換熱器的幾何結構參數6.2 換熱器換熱器HeatX殼程殼程(Shell)表單輸入界面：表單輸入界面：6.2 換熱器換熱器HeatXnHeatx 換熱器的幾何結構參數換熱器的幾何結構參數 管程管程(Tubes)表單中允許用戶對以下參數進行設置：

25、表單中允許用戶對以下參數進行設置：（1）管類型（）管類型（Select tube type） 裸管（裸管（Bare tube） 翅片管（翅片管（Finned tube）（2）管程布置（）管程布置（Tube layout） 總管數（總管數（Total number） 管長（管長（Length） 排列方式（排列方式（Pattern） 管心距（管心距（Pitch） 材料（材料（Material） 導熱系數（導熱系數（Conductivity）nHeatx 換熱器的幾何結構參數換熱器的幾何結構參數6.2 換熱器換熱器HeatX 管程管程(Tubes)表單中允許用戶對以下參數進行設置：表單中允許用戶對以

26、下參數進行設置：（3）管子尺寸（）管子尺寸（Tubesize）（實際尺寸或者公稱尺寸設定）（實際尺寸或者公稱尺寸設定）實際尺寸（實際尺寸（Actual） 內徑（內徑（Inner diameter） 外徑（外徑（Outer diameter） 厚度（厚度（Tube thickness）公稱尺寸（公稱尺寸（Nominal） 直徑（直徑（Diameter） BWG規(guī)格（規(guī)格（Birmingham wire gauge）nHeatx 換熱器的幾何結構參數換熱器的幾何結構參數6.2 換熱器換熱器HeatXnHeatx 換熱器的幾何結構參數換熱器的幾何結構參數6.2 換熱器換熱器HeatX 管程管程(Tu

27、bes)表單輸入界面表單輸入界面：nHeatx 換熱器的幾何結構參數換熱器的幾何結構參數對于對于翅片管翅片管，還需從管翅，還需從管翅(Tube fins)中輸入以下參數：中輸入以下參數：6.2 換熱器換熱器HeatX翅片高度（翅片高度（Fin height） 翅片高度（翅片高度（Fin height） 翅片根部平均直徑（翅片根部平均直徑（Finroot mean diameter）翅片間距（翅片間距（Finspacing） 翅片數單位長度（翅片數單位長度（Number of fins unit length） 翅片厚度（翅片厚度（Fin thickness）可選項可選項Optional 翅化面

28、積與管內面積之比（翅化面積與管內面積之比（Ratio of finned area to inside tube area） 翅片效率（翅片效率（Fin efficiency）nHeatx 換熱器的幾何結構參數換熱器的幾何結構參數 對于對于翅片管翅片管，還需從管翅，還需從管翅(Tube fins)輸入界面：輸入界面：6.2 換熱器換熱器HeatX擋板擋板(Baffles)中有兩種擋板結構可供選用：圓缺擋板中有兩種擋板結構可供選用：圓缺擋板Segmental baffle、 棍式擋板棍式擋板RodbafflenHeatx 換熱器的幾何結構參數換熱器的幾何結構參數6.2 換熱器換熱器HeatX所有

29、殼程中的擋板總數（所有殼程中的擋板總數（No. ofbaffles，all passes）擋板圓缺率擋板圓缺率Bafflecut (fraction of shell diameter)管板到第一擋板間距（管板到第一擋板間距（Tube sheet to 1st baffle spacing）擋板間距（擋板間距（Baffle to baffle spacing）最后擋板與管板間距（最后擋板與管板間距（Last baffle to tubesheet spacing）殼壁殼壁/擋板間隙（擋板間隙（Shell-baffle clearance）管壁管壁/擋板間隙（擋板間隙（Tube-baffle c

30、learance）nHeatx 換熱器的幾何結構參數換熱器的幾何結構參數6.2 換熱器換熱器HeatX圓缺擋板（圓缺擋板（Segmental baffle）需輸入以下參數：）需輸入以下參數：nHeatx 換熱器的幾何結構參數換熱器的幾何結構參數6.2 換熱器換熱器HeatX圓缺擋板（圓缺擋板（Segmental baffle）參數參數輸入界面：輸入界面：注意：注意： 安裝折流擋板的目的是為提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂担瑸槿〉昧己玫陌惭b折流擋板的目的是為提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂担瑸槿〉昧己玫男Ч?，擋板的形狀和間距必須適當。效果，擋板的形狀和間距必須適當。對圓缺形擋板而言，弓形缺口的大小對殼程流體的流動情況有

31、重對圓缺形擋板而言，弓形缺口的大小對殼程流體的流動情況有重要影響。弓形缺口太大或太小都會產生要影響。弓形缺口太大或太小都會產生死區(qū)死區(qū)，既不利于傳熱，又往，既不利于傳熱，又往往增加流體阻力。往增加流體阻力。 擋板的間距對殼體的流動亦有重要的影響。間距太大，不能保證擋板的間距對殼體的流動亦有重要的影響。間距太大，不能保證流體垂直流過管束，使管外表面?zhèn)鳠嵯禂迪陆?；間距太小，不便于制流體垂直流過管束，使管外表面?zhèn)鳠嵯禂迪陆?；間距太小，不便于制造和檢修，阻力損失亦大。一般取擋板間距為殼體內徑的造和檢修，阻力損失亦大。一般取擋板間距為殼體內徑的0.21.0倍。倍。nHeatx 換熱器的幾何結構參數換熱器

32、的幾何結構參數6.2 換熱器換熱器HeatX棍式擋板（棍式擋板（Rodbaffle）需輸入以下參數：）需輸入以下參數：nHeatx 換熱器的幾何結構參數換熱器的幾何結構參數6.2 換熱器換熱器HeatX所有殼程中的擋板總數（所有殼程中的擋板總數（No. of baffles，all passes）圓環(huán)內徑（圓環(huán)內徑（Inside diameter of ring）圓環(huán)外徑（圓環(huán)外徑（Outside diameter of ring）支撐棍直徑（支撐棍直徑（Support rod diameter）每塊擋板的支撐棍總長（每塊擋板的支撐棍總長（Total length of support rod

33、s per baffle）棍式擋板（棍式擋板（Rodbaffle）參數參數輸入界面：輸入界面：nHeatx 換熱器的幾何結構參數換熱器的幾何結構參數6.2 換熱器換熱器HeatX管嘴（管嘴（Nozzle）表單中允許用戶對以下參數設定：）表單中允許用戶對以下參數設定：nHeatx 換熱器的幾何結構參數換熱器的幾何結構參數6.2 換熱器換熱器HeatX殼程管嘴直徑（殼程管嘴直徑（Enter shellside nozzle diameters）進口管嘴直徑（進口管嘴直徑（Inet nozzle diameter）出口管嘴直徑（出口管嘴直徑（Outlet nozzle diameter）管程管嘴直徑

34、（管程管嘴直徑（Enter tubeside nozzle diameters）進口管嘴直徑（進口管嘴直徑（Inlet nozzle diameter）出口管嘴直徑（出口管嘴直徑（Outlet nozzle diameter）管嘴（管嘴（Nozzle）表單參數輸入界面：）表單參數輸入界面：nHeatx 換熱器的幾何結構參數換熱器的幾何結構參數6.2 換熱器換熱器HeatX運算完畢后，可以在運算完畢后，可以在Blocks | 換熱器換熱器 | Thermol Result | Summary查看換熱器結果（簡捷計算與詳細計算都可以在查看換熱器結果（簡捷計算與詳細計算都可以在此查看結果），主要包括：熱冷物流見出口