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)的傳熱設備。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 ；也可通過設定條件來求已知組成物流的熱力學狀態(tài)。,求已

2、知物流的泡點或者露點 求已知物流的過熱或者過冷的匹配溫度 計算物流達到某一狀態(tài)所需熱負荷 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（僅改變壓力，不涉及功率）、閥門（僅改變壓力，不涉及阻力）,Heater可以進行以下類型的單相或多相計算：,6.2 換熱器Heater,典型的Heater流程連接圖,.,6.2 換熱器Heater,Heater模型設定參數(shù),Heater模型有兩組模型設定參數(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)，當指定值0時，代表出口的絕對壓力值；當指定值0，代表出口相對于進口的壓力降低值。,.,.,

3、Heater的常用的幾種閃蒸規(guī)定組合,6.2 換熱器Heater,.,.,.,Heater-物性計算,利用Heater模塊可以很方便地計算混合物在給定熱力學條件下的各種物性數(shù)據(jù)，如泡點、露點、飽和蒸汽壓、密度、粘度等。只需將給定組成的物流導入Heater的模型參數(shù)，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report options中設定相應的輸出參數(shù)選項即可。,Heater應用實例,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的熱量交換過程，可以對大多數(shù)類型的雙物流換熱器進行簡捷計算或詳細計算。,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的模型設定參數(shù),HeatX 的設定要從HeatX的Specification頁面進行操作，有四組設定參數(shù)： 1、計算類型（Calculation） 2、流動方式（Flow arrangement） 3、運算模式（Type） 4、換熱器設定（Exchanger specification）,6.3 換熱器HeatX,6.3 換熱器HeatX,1、Calculation欄中有五個選項： （1）簡捷計算 （Sh

6、ort-cut） （2）詳細計算 （Detailed） （3）管殼式換熱器計算（Shell&Tube） （4）空冷器計算 （AirCooled） （5）板式換熱器計算（Plate heat exchangers）,Heatx的模型設定參數(shù),2、流動方式設定包括以下選項： （1）熱流體(Hot fluid)流動方式： 熱流體走殼程 (Shell) /管程 (Tube) （2）流動方向(Flow direction)： 逆流(Countercurrent)/并流 (Cocurrent） /多管程流動(Multiple passes),Heatx的模型設定參數(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的模型設定參數(shù),6.3 換熱器HeatX,3、Type選擇框中有四個選項： （1）設計 （Design） （2）核算 （Rating） （3）模擬 （Simulation） （4）最大污染 （maximum fouling）只有

8、計算類型是管殼時可選,Heatx的模型設定參數(shù),6.3 換熱器HeatX,.,Calculation與Type兩組選項按下述方式配合使用： 簡捷計算只能與設計或模擬選項配合。簡潔計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，計算兩股物流的出口狀態(tài)。 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

9、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)。,4、換熱器設定包括13個選項： （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的模型設定參數(shù),6.3 換熱器HeatX,Heatx的模型設定參數(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）熱負荷 (Exchanger duty) （13）幾何條件 (Geometry)（詳細計算時采用）,Heatx的模型設定參數(shù),6.3 換熱器HeatX,Heatx的模型設定參數(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行簡捷的或嚴格的計算。簡潔計算可以使用最少的輸入量來模擬一個換熱器，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。 這兩種計算方法的主要區(qū)別是總的傳熱系數(shù)的計算程序： 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。 詳細方法采用膜系數(shù)的嚴格熱傳遞方程，并能合并由于殼側(cè)和管側(cè)膜所帶來的管壁阻力來計算總的傳熱系數(shù)，用這種方法時，用戶需要知道幾何尺寸。,Heatx簡捷計算與詳細計算,6.3 換熱器HeatX,Heatx詳細計算變量以及使用準則,詳細法核算模型對HeatX提供了較多的規(guī)定選項，因此也需要較多的輸入。詳細法核算模型提供了很多缺省的選項，用戶可以改變?nèi)笔〉捻梺砜刂普麄€計算。,這些選項包括以下計算變量：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 詳細計算變量以及使用準則,Heatx 詳細計算變量以及使用準則,6.3 換熱器HeatX,Heatx 嚴格計算變量以及使用準則,6.3 換熱器HeatX,Heatx 嚴格計算變量以及使用準則,6.3 換熱器HeatX,Heatx 嚴格計算變量以及使用準則,注意： U-methods傳熱系數(shù)、Film confficients膜系數(shù)的計算方法中的相態(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，當指定熱側(cè)和冷側(cè)的出口壓力(Outlet pressure)時，若指定值0，代表出口的絕對壓力值；指定值0，代表出口相對于進口的壓力降低值。,Heatx 換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),詳細計算時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)進行設置： 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)進行設置： （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)進行設置： （3）管子尺寸（Tubesize）（實際尺寸或者公稱尺寸設定） 實際尺寸（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。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(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（簡捷計算與詳細計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（簡捷計算與詳細計算都可以在此查看結(jié)果）界面：,6.3 換熱器HeatX,更為詳細的換熱器計算結(jié)果需要在Blocks | 換熱器 | Thermol Result | Exchanger Details界面查看（詳細計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,詳細的換熱器計算結(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