第6章?lián)Q熱器單元模擬

1、第6章 換熱器單元模擬,換熱器單元模擬,6.1 概述 6.2 加熱器Heater 6.3 換熱器HeatX 多物流換熱器MHeatX 熱通量換熱器HXFlux,6.1 概述,換熱器是許多工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的通用工藝設(shè)備。通常，在化工廠的建設(shè)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(xué)狀態(tài)的傳熱設(shè)備。如：開水鍋爐、水杯、冰箱、空調(diào)等。,Aspen Plus 換熱器單元模塊說明：,.,6.2 換熱器Heater,6.2 換熱器Heater,Heater 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 ；也可通過設(shè)定條件來求已知組成物流的熱力學(xué)狀態(tài)。,求已

2、知物流的泡點(diǎn)或者露點(diǎn) 求已知物流的過熱或者過冷的匹配溫度 計(jì)算物流達(dá)到某一狀態(tài)所需熱負(fù)荷 模擬加熱器（冷卻器）或換熱器的一側(cè) 模擬泵（僅改變壓力，不涉及功率）、壓縮機(jī)（僅改變壓力，不涉及功率）、閥門（僅改變壓力，不涉及阻力）,Heater可以進(jìn)行以下類型的單相或多相計(jì)算：,6.2 換熱器Heater,典型的Heater流程連接圖,.,6.2 換熱器Heater,Heater模型設(shè)定參數(shù),Heater模型有兩組模型設(shè)定參數(shù)：閃蒸規(guī)定與有效相態(tài),6.2 換熱器Heater,注意：指定壓力(Pressure)，當(dāng)指定值0時(shí)，代表出口的絕對壓力值；當(dāng)指定值0，代表出口相對于進(jìn)口的壓力降低值。,.,.,

3、Heater的常用的幾種閃蒸規(guī)定組合,6.2 換熱器Heater,.,.,.,Heater-物性計(jì)算,利用Heater模塊可以很方便地計(jì)算混合物在給定熱力學(xué)條件下的各種物性數(shù)據(jù)，如泡點(diǎn)、露點(diǎn)、飽和蒸汽壓、密度、粘度等。只需將給定組成的物流導(dǎo)入Heater的模型參數(shù)，根據(jù)給定的熱力學(xué)狀態(tài)設(shè)定Heater的模型參數(shù)，并在總Setup的report options中設(shè)定相應(yīng)的輸出參數(shù)選項(xiàng)即可。,Heater應(yīng)用實(shí)例,6.2 換熱器Heater,例6.1 25、壓力0.4MPa、流率5000kg/hr的軟水在鍋爐中被加熱變成0.45MPa的飽和蒸汽，物性方法選用針對水（蒸汽）體系的IAPWS-95。求

4、所需的鍋爐供熱量。,例6.2 流率為500kg/hr、壓力為0.1MPa、含乙醇60%（w）、水40%（w）的飽和蒸汽在冷凝器中部分冷凝。冷凝器的壓降為0，冷凝物流的汽/液比（mol）為1/1，物性方法選用UNIQUAC。求冷凝器熱負(fù)荷。,.,結(jié)果查看,.,6.3 換熱器HeatX,換熱器HeatX用于模擬兩股物流逆流或并流換熱時(shí)的熱量交換過程，可以對大多數(shù)類型的雙物流換熱器進(jìn)行簡捷計(jì)算或詳細(xì)計(jì)算。,6.3 換熱器HeatX,逆流/并流（Countercurrent / Cocurrent) 殼程采用折流板（Segmental Baffle in Shell) 殼程采用棍式擋板（Rod Baf

5、fle in Shell) 裸管/低翅片管（Bare/Low-finned Tubes),用于模擬下述常見結(jié)構(gòu)的管-殼式換熱器：,典型的HeatX流程連接,6.3 換熱器HeatX,Heatx的模型設(shè)定參數(shù),HeatX 的設(shè)定要從HeatX的Specification頁面進(jìn)行操作，有四組設(shè)定參數(shù)： 1、計(jì)算類型（Calculation） 2、流動(dòng)方式（Flow arrangement） 3、運(yùn)算模式（Type） 4、換熱器設(shè)定（Exchanger specification）,6.3 換熱器HeatX,6.3 換熱器HeatX,1、Calculation欄中有五個(gè)選項(xiàng)： （1）簡捷計(jì)算 （Sh

6、ort-cut） （2）詳細(xì)計(jì)算 （Detailed） （3）管殼式換熱器計(jì)算（Shell&Tube） （4）空冷器計(jì)算 （AirCooled） （5）板式換熱器計(jì)算（Plate heat exchangers）,Heatx的模型設(shè)定參數(shù),2、流動(dòng)方式設(shè)定包括以下選項(xiàng)： （1）熱流體(Hot fluid)流動(dòng)方式： 熱流體走殼程 (Shell) /管程 (Tube) （2）流動(dòng)方向(Flow direction)： 逆流(Countercurrent)/并流 (Cocurrent） /多管程流動(dòng)(Multiple passes),Heatx的模型設(shè)定參數(shù),6.3 換熱器HeatX,在換熱器中，

7、流體走管程/殼程，下列幾點(diǎn)可作為選擇的一般原則：a) 不潔凈或易結(jié)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(shí)受到腐蝕。c) 壓力高的流體宜在管內(nèi)，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?shù)與流速無關(guān)，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。f) 需要被冷卻物料一般選殼程，便于散熱。,Heatx的模型設(shè)定參數(shù),6.3 換熱器HeatX,3、Type選擇框中有四個(gè)選項(xiàng)： （1）設(shè)計(jì) （Design） （2）核算 （Rating） （3）模擬 （Simulation） （4）最大污染 （maximum fouling）只有

8、計(jì)算類型是管殼時(shí)可選,Heatx的模型設(shè)定參數(shù),6.3 換熱器HeatX,.,Calculation與Type兩組選項(xiàng)按下述方式配合使用： 簡捷計(jì)算只能與設(shè)計(jì)或模擬選項(xiàng)配合。簡潔計(jì)算不考慮換熱器的幾何結(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(shè)計(jì)選項(xiàng)時(shí)，需設(shè)定熱（冷）物流的出口狀態(tài)或換熱負(fù)荷，模塊計(jì)算達(dá)到指定換熱要求所需的換熱面積。 使用模擬選項(xiàng)時(shí)，需設(shè)定換熱面積，計(jì)算兩股物流的出口狀態(tài)。 詳細(xì)計(jì)算只能與核算或模擬選項(xiàng)配合。詳細(xì)計(jì)算可根據(jù)給定的換熱器幾何結(jié)構(gòu)和流動(dòng)情況計(jì)算實(shí)際的熱面積、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(xiàng)時(shí)，模塊根據(jù)設(shè)定的換熱要求計(jì)算需要的換熱

9、面積。 使用模擬選項(xiàng)時(shí)，模塊根據(jù)實(shí)際的換熱面積計(jì)算兩股物流的出口狀態(tài)。,4、換熱器設(shè)定包括13個(gè)選項(xiàng)： （1） 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 (Hot stream outlet temperature decrease) （3） 熱物流出口溫差 (Hot stream outlet temperature approach) （4） 熱物流出口過冷度 (Hot stream outlet degrees subcooling) （5） 熱物流出口蒸汽分率 (Hot stream outlet vap

10、or fraction) （6） 冷物流出口溫度 (Cold stream outlet temperature),Heatx的模型設(shè)定參數(shù),6.3 換熱器HeatX,Heatx的模型設(shè)定參數(shù),注意：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。,6.3 換熱器HeatX,（7） 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 (Cold stream outlet temperature approach) （9） 冷物流出口過熱度 (Cold stream outlet degre

11、es superheat) （10）冷物流出口蒸汽分率 (Cold stream outlet vapor fraction) （11）傳熱面積 (Heat transfer area) （12）熱負(fù)荷 (Exchanger duty) （13）幾何條件 (Geometry)（詳細(xì)計(jì)算時(shí)采用）,Heatx的模型設(shè)定參數(shù),6.3 換熱器HeatX,Heatx的模型設(shè)定參數(shù),注意：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。,6.3 換熱器HeatX,HeatX模塊可以對大多類型的雙物流換熱器進(jìn)行簡捷的或嚴(yán)格的計(jì)算。簡潔計(jì)算可以使用最少的輸入量來模擬一個(gè)換熱器，不需要換熱器的結(jié)構(gòu)或

12、幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；詳細(xì)計(jì)算可根據(jù)給定的換熱器幾何結(jié)構(gòu)和流動(dòng)情況計(jì)算。 這兩種計(jì)算方法的主要區(qū)別是總的傳熱系數(shù)的計(jì)算程序： 簡捷法總是采用用戶規(guī)定的或缺省的總的傳熱系數(shù)值。 詳細(xì)方法采用膜系數(shù)的嚴(yán)格熱傳遞方程，并能合并由于殼側(cè)和管側(cè)膜所帶來的管壁阻力來計(jì)算總的傳熱系數(shù)，用這種方法時(shí)，用戶需要知道幾何尺寸。,Heatx簡捷計(jì)算與詳細(xì)計(jì)算,6.3 換熱器HeatX,Heatx詳細(xì)計(jì)算變量以及使用準(zhǔn)則,詳細(xì)法核算模型對HeatX提供了較多的規(guī)定選項(xiàng)，因此也需要較多的輸入。詳細(xì)法核算模型提供了很多缺省的選項(xiàng)，用戶可以改變?nèi)笔〉捻?xiàng)來控制整個(gè)計(jì)算。,這些選項(xiàng)包括以下計(jì)算變量：LMTD對數(shù)平均溫差校正因子、 U-

13、methods傳熱系數(shù)、 Film confficients膜系數(shù)、 Pressure Drop壓降等。,6.3 換熱器HeatX,6.3 換熱器HeatX,Heatx 詳細(xì)計(jì)算變量以及使用準(zhǔn)則,Heatx 詳細(xì)計(jì)算變量以及使用準(zhǔn)則,6.3 換熱器HeatX,Heatx 嚴(yán)格計(jì)算變量以及使用準(zhǔn)則,6.3 換熱器HeatX,Heatx 嚴(yán)格計(jì)算變量以及使用準(zhǔn)則,6.3 換熱器HeatX,Heatx 嚴(yán)格計(jì)算變量以及使用準(zhǔn)則,注意： U-methods傳熱系數(shù)、Film confficients膜系數(shù)的計(jì)算方法中的相態(tài)法需要分別指定冷熱兩側(cè)不同相態(tài)組合下的傳熱系數(shù)。,6.3 換熱器HeatX,.,

14、對于壓降，當(dāng)指定熱側(cè)和冷側(cè)的出口壓力(Outlet pressure)時(shí)，若指定值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 換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),詳細(xì)計(jì)算時(shí)需輸入換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。包括（以管殼式換熱器為例）殼程(Shell)、管程(Tubes)、管翅(Tubefins)、擋板(Baffles)和管嘴(Nozzles)等。,6.3 換熱器HeatX,殼程(Shell)表單中允許用戶對以下參數(shù)進(jìn)行設(shè)置： 殼程類型（TEMA shell type） 管程數(shù)（No. of tube passes） 換熱器方位（Exchanger orientation） 密

15、封條數(shù)（Number of sealing strippairs） 管程流向（Direction of tubeside flow） 殼內(nèi)徑（Inside shell diameter） 殼/管束間隙（Shell to bundle clearance） 串聯(lián)殼程數(shù)（Number of shells in Series） 并聯(lián)殼程數(shù)（Number of shells in Parallel）,Heatx 換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),6.3 換熱器HeatX,管程(Tubes)表單中允許用戶對以下參數(shù)進(jìn)行設(shè)置： （1）管類型（Select tube type） 裸管（Bare tube） 翅片管（Fi

16、nned tube） （2）管程布置（Tube layout） 總管數(shù)（Total number） 管長（Length） 排列方式（Pattern） 管心距（Pitch） 材料（Material） 導(dǎo)熱系數(shù)（Conductivity）,Heatx 換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),6.3 換熱器HeatX,管程(Tubes)表單中允許用戶對以下參數(shù)進(jìn)行設(shè)置： （3）管子尺寸（Tubesize）（實(shí)際尺寸或者公稱尺寸設(shè)定） 實(shí)際尺寸（Actual） 內(nèi)徑（Inner diameter） 外徑（Outer diameter） 厚度（Tube thickness） 公稱尺寸（Nominal） 直徑（Diamet

17、er） BWG規(guī)格（Birmingham wire gauge）,Heatx 換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),6.3 換熱器HeatX,Heatx 換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),6.3 換熱器HeatX,管程(Tubes)表單輸入界面：,Heatx 換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),對于翅片管，還需從管翅(Tube fins)中輸入以下參數(shù)：,6.3 換熱器HeatX,翅片高度（Fin height） 翅片高度（Fin height） 翅片根部平均直徑（Finroot mean diameter） 翅片間距（Finspacing） 翅片數(shù)單位長度（Number of fins unit length） 翅片厚度（Fin t

18、hickness） 可選項(xiàng)Optional 翅化面積與管內(nèi)面積之比（Ratio of finned area to inside tube area） 翅片效率（Fin efficiency）,Heatx 換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),對于翅片管，還需從管翅(Tube fins)輸入界面：,6.3 換熱器HeatX,擋板(Baffles)中有兩種擋板結(jié)構(gòu)可供選用：圓缺擋板Segmental baffle、 棍式擋板Rodbaffle,Heatx 換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),6.3 換熱器HeatX,所有殼程中的擋板總數(shù)（No. ofbaffles，all passes） 擋板圓缺率Bafflecut (fr

19、action of shell diameter) 管板到第一擋板間距（Tube sheet to 1st baffle spacing） 擋板間距（Baffle to baffle spacing） 最后擋板與管板間距（Last baffle to tubesheet spacing） 殼壁/擋板間隙（Shell-baffle clearance） 管壁/擋板間隙（Tube-baffle clearance）,Heatx 換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),6.3 換熱器HeatX,圓缺擋板（Segmental baffle）需輸入以下參數(shù)：,Heatx 換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),6.3 換熱器HeatX,圓

20、缺擋板（Segmental baffle）參數(shù)輸入界面：,注意： 安裝折流擋板的目的是為提高管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，為取得良好的效果，擋板的形狀和間距必須適當(dāng)。對圓缺形擋板而言，弓形缺口的大小對殼程流體的流動(dòng)情況有重要影響。弓形缺口太大或太小都會(huì)產(chǎn)生死區(qū)，既不利于傳熱，又往往增加流體阻力。 擋板的間距對殼體的流動(dòng)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?shù)下降；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(nèi)徑的0.21.0倍。,Heatx 換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),6.3 換熱器HeatX,棍式擋板（Rodbaffle）需輸入以下參數(shù)：,Heatx 換熱器的幾

21、何結(jié)構(gòu)參數(shù),6.3 換熱器HeatX,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） 支撐棍直徑（Support rod diameter） 每塊擋板的支撐棍總長（Total length of support rods per baffle）,棍式擋板（Rodbaffle）參數(shù)輸入界面：,Heatx 換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),6.3 換熱器HeatX,管嘴（Nozzle）表單中允許用戶對以下參數(shù)設(shè)定：,Heatx 換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),6.3 換熱

22、器HeatX,殼程管嘴直徑（Enter shellside nozzle diameters） 進(jìn)口管嘴直徑（Inet nozzle diameter） 出口管嘴直徑（Outlet nozzle diameter） 管程管嘴直徑（Enter tubeside nozzle diameters） 進(jìn)口管嘴直徑（Inlet nozzle diameter） 出口管嘴直徑（Outlet nozzle diameter）,管嘴（Nozzle）表單參數(shù)輸入界面：,Heatx 換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),6.3 換熱器HeatX,換熱器的結(jié)果包括： 概況（summary） 衡算（balance） 換熱器詳情（e

23、xchanger details） 壓降/速度（pre drop/velocities） 分區(qū)（zones） 運(yùn)算完畢后，可以在Blocks | 換熱器 | Thermol Result | Summary查看換熱器結(jié)果（簡捷計(jì)算與詳細(xì)計(jì)算都可以在此查看結(jié)果），主要包括：熱冷物流見出口溫度、熱冷物流見出口壓力、熱冷物流見出口汽化率、換熱器熱負(fù)荷,Heatx 換熱器的結(jié)果參數(shù),6.3 換熱器HeatX,Heatx 換熱器的結(jié)果參數(shù),換熱器結(jié)果（簡捷計(jì)算與詳細(xì)計(jì)算都可以在此查看結(jié)果）界面：,6.3 換熱器HeatX,更為詳細(xì)的換熱器計(jì)算結(jié)果需要在Blocks | 換熱器 | Thermol Result | Exchanger Details界面查看（詳細(xì)計(jì)算模式下可以在此界面看到更為具體的結(jié)果）,Heatx 換熱器的結(jié)果參數(shù),6.3 換熱器HeatX,Heatx 換熱器的結(jié)果參數(shù),6.3 換熱器HeatX,詳細(xì)的換熱器計(jì)算結(jié)果界面：換熱器的面積(required exchanger area)、結(jié)垢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 corrected)和對數(shù)平均溫差校正因子 (LMTD correction factor)等信息