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1、第6章 换热器单元模拟,换热器单元模拟,6.1 概述6.2 换热器Heater6.3 换热器HeatX,6.1 概述,1、如：开水锅炉、水杯、冰箱、空调等。,2、是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的11 40。,换热器定义：换热器是用来改变物流热力学状态的传热设备。,Aspen Plus 换热器单元模块说明：,6.2 换热器Heater,Heater 模型用于模拟单股或多股物流，使其变成某一特定状态下的单股物流；也可通过设定条件来求已知组成物流的热力学状态。,求已知物流的泡点或者露点求已知物流的过热或者过冷的匹配温度计算物流达到某一状态所需热负荷模拟
2、加热器（冷却器）或换热器的一侧模拟泵、压缩机、压缩机（仅改变压力，不涉及功率）,Heater可以进行以下类型的单相或多相计算：,6.2 换热器Heater,典型的Heater流程连接图,Heater模型设定参数,Heater模型有两组模型设定参数：闪蒸规定与有效相态,6.2 换热器Heater,注意：指定压力(Pressure)，当指定值0时，代表出口的绝对压力值；当指定值0，代表出口相对于进口的压力降低值。,Heater的常用的几种闪蒸规定组合,6.2 换热器Heater,Heater应用实例,6.2 换热器Heater,例6.1 25、压力0.4MPa、流率5000kg/hr的软水在锅炉中
3、被加热变成0.45MPa的饱和蒸汽，物性方法选用针对水（蒸汽）体系的IAPWS-95。求所需的锅炉供热量。,例6.2 流率为500kg/hr、压力为0.1MPa、含乙醇60%（w）、水40%（w）的饱和蒸汽在冷凝器中部分冷凝。冷凝器的压降为0，冷凝物流的汽/液比（mol）为1/1，物性方法选用UNIQUAC。求冷凝器热负荷。,换热器HeatX用于模拟两股物流逆流或并流换热时的热量交换过程，可以对大多数类型的双物流换热器进行简捷计算或详细计算。,6.2 换热器HeatX,逆流/并流（Countercurrent/Cocurrent)壳程采用折流板（Segmental Baffle in Shel
4、l)壳程采用棍式挡板（Rod Baffle in Shell)裸管/低翅片管（Bare/Low-finned Tubes),模拟下述常见结构的管-壳式换热器：,典型的HeatX流程连接,6.2 换热器HeatX,Heatx的模型设定参数,HeatX 的设定要从HeatX的Specification页面进行操作，有四组设定参数：1、计算类型（Calculation）2、流动方式（Flow arrangement）3、运算模式（Type）4、换热器设定（Exchanger specification）,6.2 换热器HeatX,6.2 换热器HeatX,1、Calculation栏中有五个选项：（
5、1）简捷计算（Short-cut）（2）详细计算（Detailed）（3）管壳式换热器计算（Shell&Tube）（4）空冷器计算（AirCooled）（5）板式换热器计算（Plate heat exchangers）,Heatx的模型设定参数,2、流动方式设定包括以下选项：（1）热流体(Hot fluid)流动方式：热流体走壳程(Shell)/管程(Tube)（2）流动方向(Flow direction)：逆流(Countercurrent)/并流(Cocurrent）/多管程流动(Multiple passes),Heatx的模型设定参数,6.2 换热器HeatX,在换热器中，流体走管程/
6、壳程，下列几点可作为选择的一般原则：a)不洁净或易结垢的液体宜在管程，方便清洗。b)腐蚀性流体宜在管程，以免管束和壳体同时受到腐蚀。c)压力高的流体宜在管内，以免壳体承受压力。d)饱和蒸汽宜走壳程，饱和蒸汽较清洁，表面传热系数与流速无关，而且冷凝液易排出。e)流量小而粘度大的流体一般以壳程为宜。f)需要被冷却物料一般选壳程，便于散热。,Heatx的模型设定参数,6.2 换热器HeatX,3、Type选择框中有三个选项：（1）设计（Design）（2）核算（Rating）（3）模拟（Simulation）,Calculation与Type两组选项按下述方式配合使用：详细计算只能与核算或模拟选项配
7、合。详细计算可根据给定的换热器几何结构和流动情况计算实际的热面积、传热系数、对数平均温度校正因子和压降。使用核算选项时，模块根据设定的换热要求计算需要的换热面积。使用模拟选项时，模块根据实际的换热面积计算两股物流的出口状态。,Heatx的模型设定参数,6.2 换热器HeatX,4、换热器闪蒸规定包括13个选项：（1）热物流出口温度(Hot stream outlet temperature)（2）热物流出口（相对于热物流入口）温降(Hot stream outlet temperature decrease)（3）热物流出口温差(Hot stream outlet temperature ap
8、proach)（4）热物流出口过冷度(Hot stream outlet degrees subcooling)（5）热物流出口蒸汽分率(Hot stream outlet vapor fraction)（6）冷物流出口温度(Cold stream outlet temperature),Heatx的模型设定参数,6.2 换热器HeatX,Heatx的模型设定参数,注意：对于并流或者逆流换热来讲，热物流出口温差的表示方法是不同的。,6.2 换热器HeatX,（7）冷物流出口（相对于冷物流入口）温升(Cold stream outlet temperature increase)（8）冷物流出口
9、温差(Cold stream outlet temperature approach)（9）冷物流出口过热度(Cold stream outlet degrees superheat)（10）冷物流出口蒸汽分率(Cold stream outlet vapor fraction)（11）传热面积(Heat transfer area)（12）热负荷(Exchanger duty)（13）几何条件(Geometry)（详细计算时采用）,Heatx的模型设定参数,6.2 换热器HeatX,Heatx的模型设定参数,注意：对于并流或者逆流换热来讲，冷物流出口温差的表示方法是不同的。,6.2 换热器H
10、eatX,HeatX模块可以对大多类型的双物流换热器进行简捷的或严格的计算这两种计算方法的主要区别是总的传热系数的计算程序：简捷法总是采用用户规定的或缺省的总的传热系数值。严格方法采用膜系数的严格热传递方程，并能合并由于壳侧和管侧膜所带来的管壁阻力来计算总的传热系数，用这种方法时，用户需要知道几何尺寸。,Heatx简捷计算与严格计算,6.2 换热器HeatX,Heatx严格计算变量以及使用准则,严格法核算模型对HeatX提供了较多的规定选项，因此也需要较多的输入。严格法核算模型提供了很多缺省的选项，用户可以改变缺省的项来控制整个计算。,这些选项包括以下计算变量：LMTD对数平均温差校正因子、U
11、-methods传热系数、Film confficients膜系数、Pressure Drop压降等。,6.2 换热器HeatX,6.2 换热器HeatX,Heatx 严格计算变量以及使用准则,Heatx 严格计算变量以及使用准则,6.2 换热器HeatX,Heatx 严格计算变量以及使用准则,6.2 换热器HeatX,Heatx 严格计算变量以及使用准则,6.2 换热器HeatX,Heatx 严格计算变量以及使用准则,注意：U-methods传热系数、Film confficients膜系数的计算方法中的相态法需要分别指定冷热两侧不同相态组合下的传热系数。对于压降，当指定热侧和冷侧的出口压力
12、(Outlet pressure)时，若指定值0，代表出口的绝对压力值；指定值0，代表出口相对于进口的压力降低值。,6.2 换热器HeatX,Heatx 换热器的几何结构参数,详细计算时需输入换热器的几何结构参数。包括（以管壳式换热器为例）壳程(Shell)、管程(Tubes)、管翅(Tubefins)、挡板(Baffles)和管嘴(Nozzles)等。,6.2 换热器HeatX,壳程(Shell)表单中允许用户对以下参数进行设置：壳程类型（TEMA shell type）管程数（No.of tube passes）换热器方位（Exchanger orientation）密封条数（Number
13、 of sealing strippairs）管程流向（Direction of tubeside flow）壳内径（Inside shell diameter）壳/管束间隙（Shell to bundle clearance）串联壳程数（Number of shells in Series）并联壳程数（Number of shells in Parallel）,Heatx 换热器的几何结构参数,6.2 换热器HeatX,壳程(Shell)表单输入界面：,6.2 换热器HeatX,Heatx 换热器的几何结构参数,管程(Tubes)表单中允许用户对以下参数进行设置：（1）管类型（Select
14、tube type）裸管（Bare tube）翅片管（Finned tube）（2）管程布置（Tube layout）总管数（Total number）管长（Length）排列方式（Pattern）管心距（Pitch）材料（Material）导热系数（Conductivity）,Heatx 换热器的几何结构参数,6.2 换热器HeatX,管程(Tubes)表单中允许用户对以下参数进行设置：（3）管子尺寸（Tubesize）（实际尺寸或者公称尺寸设定）实际尺寸（Actual）内径（Inner diameter）外径（Outer diameter）厚度（Tube thickness）公称尺寸（No
15、minal）直径（Diameter）BWG规格（Birmingham wire gauge）,Heatx 换热器的几何结构参数,6.2 换热器HeatX,Heatx 换热器的几何结构参数,6.2 换热器HeatX,管程(Tubes)表单输入界面：,Heatx 换热器的几何结构参数,对于翅片管，还需从管翅(Tube fins)中输入以下参数：,6.2 换热器HeatX,翅片高度（Fin height）翅片高度（Fin height）翅片根部平均直径（Finroot mean diameter）翅片间距（Finspacing）翅片数单位长度（Number of fins unit length）翅
16、片厚度（Fin thickness）可选项Optional 翅化面积与管内面积之比（Ratio of finned area to inside tube area）翅片效率（Fin efficiency）,Heatx 换热器的几何结构参数,对于翅片管，还需从管翅(Tube fins)输入界面：,6.2 换热器HeatX,挡板(Baffles)中有两种挡板结构可供选用：圆缺挡板Segmental baffle、棍式挡板Rodbaffle,Heatx 换热器的几何结构参数,6.2 换热器HeatX,所有壳程中的挡板总数（No.ofbaffles，all passes）挡板圆缺率Bafflecut
17、(fraction of shell diameter)管板到第一挡板间距（Tube sheet to 1st baffle spacing）挡板间距（Baffle to baffle spacing）最后挡板与管板间距（Last baffle to tubesheet spacing）壳壁/挡板间隙（Shell-baffle clearance）管壁/挡板间隙（Tube-baffle clearance）,Heatx 换热器的几何结构参数,6.2 换热器HeatX,圆缺挡板（Segmental baffle）需输入以下参数：,Heatx 换热器的几何结构参数,6.2 换热器HeatX,圆缺挡
18、板（Segmental baffle）参数输入界面：,注意：安装折流挡板的目的是为提高管外表面传热系数，为取得良好的效果，挡板的形状和间距必须适当。对圆缺形挡板而言，弓形缺口的大小对壳程流体的流动情况有重要影响。弓形缺口太大或太小都会产生死区，既不利于传热，又往往增加流体阻力。挡板的间距对壳体的流动亦有重要的影响。间距太大，不能保证流体垂直流过管束，使管外表面传热系数下降；间距太小，不便于制造和检修，阻力损失亦大。一般取挡板间距为壳体内径的0.21.0倍。,Heatx 换热器的几何结构参数,6.2 换热器HeatX,棍式挡板（Rodbaffle）需输入以下参数：,Heatx 换热器的几何结构参
19、数,6.2 换热器HeatX,所有壳程中的挡板总数（No.of baffles，all passes）圆环内径（Inside diameter of ring）圆环外径（Outside diameter of ring）支撑棍直径（Support rod diameter）每块挡板的支撑棍总长（Total length of support rods per baffle）,棍式挡板（Rodbaffle）参数输入界面：,Heatx 换热器的几何结构参数,6.2 换热器HeatX,管嘴（Nozzle）表单中允许用户对以下参数设定：,Heatx 换热器的几何结构参数,6.2 换热器HeatX,壳程
20、管嘴直径（Enter shellside nozzle diameters）进口管嘴直径（Inet nozzle diameter）出口管嘴直径（Outlet nozzle diameter）管程管嘴直径（Enter tubeside nozzle diameters）进口管嘴直径（Inlet nozzle diameter）出口管嘴直径（Outlet nozzle diameter）,管嘴（Nozzle）表单参数输入界面：,Heatx 换热器的几何结构参数,6.2 换热器HeatX,运算完毕后，可以在Blocks|换热器|Thermol Result|Summary查看换热器结果（简捷计算与
21、详细计算都可以在此查看结果），主要包括：热冷物流见出口温度、热冷物流见出口压力、热冷物流见出口汽化率、换热器热负荷,Heatx 换热器的结果参数,6.2 换热器HeatX,Heatx 换热器的结果参数,换热器结果（简捷计算与详细计算都可以在此查看结果）界面：,6.2 换热器HeatX,更为详细的换热器计算结果需要在Blocks|换热器|Thermol Result|Exchanger Details界面查看（详细计算模式下可以在此界面看到更为具体的结果）,Heatx 换热器的结果参数,6.2 换热器HeatX,Heatx 换热器的结果参数,6.2 换热器HeatX,详细的换热器计算结果界面：,
22、HeatX简介计算应用实例,例6.3 用HeatX模块模拟一个换热器，冷却流量65800kg/hr，温度200，压力2.8MPa的苯至100；冷却剂用流量222200Kg/hr，40，1.4MPa下的正十二烷。两股物流逆流换热，热物流走壳程。用简捷法运算。,6.2 换热器HeatX,HeatX详细计算应用实例,例6.4 对例6.3所描述的换热器进行详细核算，并将核算结果与简捷计算结果进行比较。换热器的具体结构如下：换热器水平放置，采用单壳程双管程的挡板换热器，壳体内径850mm；壳/管束间隙15mm；管子材料采用碳钢，总数为200根，管长8m，管子规格为252.5mm，正方形排列，管心距30mm；挡板数为24块，挡板间距为300mm，挡板圆缺率为0.2；壳侧管嘴直径为150mm，管侧管嘴直径为200mm，且管子穿过挡板窗口。由膜传热系数法计算传热系数，忽略污垢热阻，其他条件采用默认设置。,6.2 换热器HeatX,
