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1、HTRI学习笔记HTRI-学习笔记换热器通用的两个模拟软件功能和模块1、计算模式Design设计：在软件中输入换热器的工艺参数，然后由软件来计算需要的热负荷，然后计算其他缺少的几何结构、热传递系数和压力降，在EDR和HTRI中，Disign的计算结果比较粗糙，结果不可取。Rating校核：校核模块是人为的在软件中输入工艺条件和换热器的几何尺寸，由软件对该换热器进行热传递系数和压力降，并把计算结果与需要的热负荷进行对比，给出热负荷是不足还是超过。Simulation模拟：该模式的使用条件是给定换热器冷热物流的进口流量、温度以及换热器的几何尺寸条件，通过软件计算对换热器的冷热物流出口温度进行预测，

2、该模块只适用于装置初始开车，换热器管壳侧污垢不严重的情况下。2、条件输入 入口温度、出口温度：IST默认0.0为未输入，如果想设为0，输入0.001。 入口压力，必须大于0。 输入最大允许压力降，设计模式下会用到此数值，用来计算管口尺寸。 Cooling water fouling： (1)Use water type model：只用于管侧水为冷流体。(2)Use generalized water model：如果你选择了此项，IST利用输入的酸度、总碱度、钙硬度和总不溶固体量来估算热阻值。四个参数的限制范围如下表：Name：输入case的一些描述性的东西；Methods：包括三个方面的内

3、容： (1)Single Phase Friction Factor(摩擦因数)，它包括壳侧和管侧，有两种选择，分别是Commercial和Smooth，对碳钢换热管，一般选择Commercial；对于铜管或者不锈钢管，当管内走不易结垢的流体时，选择Smooth较好。 AS。3、当管侧或壳侧的腐蚀裕度为3.0mm时，首选A型；后封头（型式会对压降和热传递产生影响）1、对于固定管板式，宜选择“M”型作为后封头；这种换热器类型应用于无需对壳程进行机械清洗及检查但可用化学清洗的情况；2、L、M、N(固定管板式)应用在无需对壳侧进行机械清洗或检查；或者壳侧可进行化学清洗的场合；M或N比L经济。3、U-

4、Tube：管外侧可用机械清洗，不能应用在管侧污垢较大的情况，立式再沸器不可选用U-Tube；浮头式1、工艺条件允许时，优先选用固定管板式，但下述两种情况使用浮头式：a) 壳体和管子的温度差超过30 度，或者冷流体进口和热流体进口温度差超过110 度；b) 容易使管子腐蚀或者在壳程中容易结垢的介质。2、对于浮头式，应选择“S”型作为后封头。浮头式换热器的壳径应大于DN300。管侧和壳侧都可进行机械清洗，但需要较多工时卸除管束；3、可抽换式浮头（后端浮头型T）：管束与壳之间的空间相对较大，因此所给定的壳尺寸中含有的管数比其他构造的型式要少，管侧和壳侧皆可机械清洗。2、壳体选型(对压降和热传递产生重

5、要影响) E 型及F 型可选折流板形式最多，流道最长，最适用于单相流体；当换热器内发生温度交叉，需要两台或两台以上的多管程换热器串联才能满足要求时，为减少串联换热器的台数，可选择“F”型； G 型及H 型多适用有相变流体，多用于卧式热虹吸再沸器或冷凝器；并建议设置纵向隔板，有利于防止轻组分飞溅、排除不凝气、流体均布、加强混合； G 型（分流）壳体较 F 型壳体更受欢迎，因为G 型温度校正因子与F 型相当,但壳程压降比F 型小很多；若压降还不能满足，可考虑H 型； X 型壳体压降最小，适用于气体加热、冷却和真空冷凝。 TEMA 中E 壳程经验定位为垂直（垂直主要有几种情况：简化的换热器模型垂直管

6、侧热虹吸防止相分离的进料/出料换热器当要求过冷时管侧冷凝），其余的常定位为水平； 当温度差校正系数小于0.8 时，应采用多壳程。但由于壳程隔板在制造、安装和检修方面都很困难，故一般不采用，常用的方法是将几个换热器串连使用，以代替多壳程。3、换热管选型（参考标准、材料选择，规格型号）换热管直径与管间距的选择一般管外径为25.4mm或19mm，壁厚2.77mm或2.1mm；19mm的管子应用于以下情况：(a)管侧流体的污垢系数0.00034m2K / W；(b)水做冷却介质走管内；(c)污垢没有严格要求；25mm的管适用于以下情况：(a) 管侧流体的污垢系数0.00034m2K / W；(b) 出

7、于工艺设计考虑，如换热器的允许压降较小时。管长管长L 和壳内径ID 的比例应适当，一般L/ID46，一般首选长6m或3m。管子材料从管子材料下拉列表中选择，或者输入管材的密度、导电性和弹性模数、最大无支持跨度。这些数据在计算热阻、振动和重量估算时要用到。当管内外流体均为腐蚀性流体时，采用双金属管。Tube thermal conductivity：指定管材料的热传导性。当你的管材不在IST提供的材料库中时，就需要输入此值。Taper angle-锥形度：只应用在管侧逆流冷凝模拟中，设置管子底部的锥度。这一角度水平测量，其值范围075。Tubepass Arrangement panel：换热器

8、管束中管程的设置和通路的宽度设置。在此面板中，出现对称排列开关。Number of parallel passlanes：设定平行于交叉流的管通路的数量。对无折流板换热器，这里设置：水平壳程：垂直管通路的数量；垂直壳程：平行于壳侧管入口中心线的管通路的数量。4、管子布置及分层设置Tube若无给定数值，则排列方式选30度。排列角度：30、45、60 和90 度。其中30 度最常用，固定管板式换热器大都是30 度布置（除再沸器外）；浮头式换热器多采用30 度和60 度排列方式；正方形（90 度）和旋转正方形（45 度）布置形式用于壳侧为黏性流体的情况，适用于当进行机械清洗时需移动管束的情况。45

9、度多用于壳程单相层流、易结垢、冷凝工况；90 度可使壳程气相更好逸出。30/60排管：在相同壳体内比其他排管方式可多排15%管子，但壳程无法机械清洗。相同管心距和流量下，壳程传热膜系数（h0）和压降降低的顺序为：30456090。要注意换热管的排列角度是由流过管子的流体决定的，而不是完全由管束的定位方向决定。三角形布置有利于壳程物流的湍流；正方形和旋转正方形布置有利于清洗。设计时无需输入壳程内径，核算和模拟时壳程内径是唯一需要输入的壳侧参数，可根据设计结果输入。管程允许的值有1、2、3、4、6、8、10、12、14、16，最常用的是1，2和4。管程数Np可按下式计算： u-管程内流体的适宜速度

10、(m/s)；-管程内流体的实际速度(m/s)。然后再根据管侧的流速及压降进行调整。对管侧冷凝或单相流，IST假定第一管程在壳程的最上方；对于管侧沸腾，IST假定第一管程在壳程的最底端。这一点在管程布置窗口容易被忽略。最 大 管 程 数壳 内 径最 大 管 程 数 2504250 5106510 7608760 102010127012Rigorous Tubecount：指定严格管数计算方法，如果你勾选了此项，IST就会应用此方法计算，在“Design”时一定要勾选此项！ “Rigorous method”给出管束中每一根管的位置；评估管束中处于交叉位置的管子的数量，如果你选择了此方法，那么管

11、子排列图片就不再可用。5、折流板设置（折流板类型、间距、放置以及切口）除了K型壳程和X型壳程外，其余所有的壳程类型都可以使用折流板。折流板类型Single-segmental：最常用的折流板类型，能最有效的把压降转移到热交换中。Double-segmental：当你利用单折流板无法满足压降限制时，就可以使用双折流板方式。Segmental/NTIW：弓形缺口区（折流板窗口区）不布管，可保证所有管子都得到全部折流板的支承，一般用在当管振动破坏需要考虑时。具备特点：a 压降只有单弓形折流板的1/3左右； b壳程流动均匀且类似理想管束、传热系数高、不易结垢；c 窗口区压降很小、旁路及泄流量小；d弓形

12、缺口区不排的管子大约15%25%，可采用较小弓形缺口、提高壳程流速或适当调大壳径以便维持相同数量管子。切割方位指切割线与流体流向平行或垂直。对大多数模拟，IST会确定折流板切割方向，使得热传递和压降达到最优化。当壳侧是沸腾流体时，考虑水平切割；在重力控制流体的流动时，垂直切割会引起相分离。如果水平切割，折流板间隔的入口和出口就产生旁路，这样就降低了设备的性能。水平切割：（1）少于4管程的U型管换热器；（2）壳侧是单相流体，且污垢系数不大于0.00061m2h/kcal；竖直切口：（1）两相流流体或“F”型换热器；（2）除水平切口所要求的换热器外，均为竖直切口。折流板数Crosspasses/折

13、流板间距Baffle Spacing折流板间距通常不是首选填写项，如需填写，则先参考Design mode下run出的crosspasses值填入。但如果填写两个且不一致的话，软件以折流板间距为主。入口间距及出口间距需进一步定义。折流板间距低于80的TEMA最大间距可避免换热管振动的问题。较好的模拟点是折流板间距是壳内径的40。折流板间距最小为壳程内径的20，且不要小于50mm，一般取值为壳内径的3045。折流板间距可以是不等距的，选中“Baffle Spacing”下的“variable”复选框，就可以在“Variable Baffle Spacing”面板中输入需要的间距。折流板数：换热器

14、为卧式的情形下一般为奇数个，若为立式无特别要求但习惯用奇数个；Cut切割高度/Window area输入的值超过最大值IST忽略此值并设置折流板切割的最佳值。单弓的CUT通常是1535%。Adjust baffle cut 对于单弓型折流板，需要调整切割线的位置。Program set 程序默认为切割线在两排管子间的中线。No adjustment 不做调整，计算值在哪就切哪。n tube c/l 在管子的中心线，即将管孔一分为二。Betweenrows - 切割线在两排管子间的中线。折流板厚度thicknessThickness at tube hole 对于非钻孔，而是冲孔的制造工艺来说，

15、管口位置的厚度与折流板整体厚度不一致。默认为一致，这个值A型流产生明显影响。Usederesonating baffles 设置防声振隔板，选Yes的效果是，将忽略声振动，一般一块设置在0.45直径处，第二块设置在0.18直径处，这些地方的管子需要手动删除。除了管窗内不排管以外，流体的错流速度和在管窗内的流动速度不应相差太大，流体在 Xflow 和 Window 内的速度大并且越接近越好。6、管嘴定义在此可以定义壳侧和管侧管口的尺寸、数量、位置和型式。管嘴尺寸Nozzle IDs（inlet and outlet）Nozzle的尺寸要小于等于50%Shell ID，通常Nozzle最小尺寸为2

16、。如果你输入了一个允许压降的最大值，IST利用允许压降的12.5来定义蒸气和两相管口的尺寸。每一个液相管口的尺寸定义利用了5的允许压降；如果你未输入最大允许压降，IST利用允许最大流速(声速的20)的25来定义蒸气和两相管口的尺寸，每一个液相管口的尺寸定义利用0.5psi(3.447kPa)的压降；Nozzle Sizes：如果IST计算管口尺寸的话，用以下表中的数据：壳侧管口最大尺寸：一壳程：ID90的壳程ID；二壳程：ID80的壳程ID；管侧管口最大尺寸：随着管程数量的不同而占壳程ID的百分比不同。具体的比例如表二所示。 表二：管程数12346810121416壳ID90807050474

17、441383532管嘴位置Number at each position（inlet and outlet）：软件默认值为1。在处理两相流时，要指定一个液相管出口来排出液体。Shellside nozzle locations（与U型管或壳侧纵向定位相关）：壳侧管口位置的默认值由工艺条件确定。对水平和倾斜壳程要指定入口管的位置：Top默认当壳侧为单相流或冷凝流体时、Bottom默认当壳侧为沸腾流体时、Side。壳侧为竖直时，默认入口管位置在前封头。指定与入口管位置相关的壳侧出口管位置：有三个选择，分别是Program decides、Same side as inlet、Opposite fr

18、om inlet。一般IST把水平壳侧冷凝的出口管位置放在底部，把水平壳侧沸腾的出口管放在顶部，软件的默认值是Program decides。U型管，如果已知入口管在前封头，那要考虑出口管的位置；反之亦然。管侧入口管类型：Radial（IST默认值）、Axial、Axial with distributor（分流器）。如果你指定管入口和/或出口环型分流器，那么它的所有的三维参数都需要输入。环形分流器影响壳侧压降，从而会增加冷凝器和再沸器的负荷。8、防冲结构设定需要设置的情形a)非腐蚀性流体：；腐蚀性流体：；b)定义了壳侧冷凝；c)定义了壳侧沸腾并且入口管。防冲板的类型圆盘(设置它的直径、厚度、

19、防冲高度)、方形盘（长度、宽度、防冲高度）和棒格栅型（排数、直径）。对于管侧流体，下面几种情况也应做特别考虑，以减少流体对管子末端的磨蚀：a)对于气体和蒸汽，入口处的V2超过7000kg/(m.s2)；b)对于液体，入口处的V2超过9000kg/(m.s2)。10、其他设定流体走向：一般而言，下列情况介质走管程：(1) 腐蚀性介质，可降低对壳侧材料的要求；(2) 毒性介质，泄漏的几率小；(3) 易结垢的介质，便于清洗和清扫；(4) 高压流体，可减小对壳体的机械强度的要求；(5) 高温介质，可改变材质，满足介质要求；(6) 如果壳侧流体是曾流，可放管侧，看能否达到湍流；(7) 循环冷却水在管侧流

20、动。聚合污垢对管侧温度特别的敏感，下面的设计可以使清洗变的容易：（1）一般把最容易结垢的流体在管内流动；（2）如果利用化学清洗法，把易结垢流体放在壳侧流动；（3）如果管侧利用机械清洗法，那么利用直的水平安装管；（4）如果壳侧用高压清洗，那么管布置采用45或90，这样也要求壳侧直径较大；（5）冷却水的污垢热阻在水温超过 52时应引起注意。对压力降有特定要求的物料要走管程，因其传热系数和压降计算误差较小。下面的流体用于壳侧：（1）在管侧流体形成层流（在壳侧有可能是湍流）；（2）建造要求限制了管束的数量，压降在管侧不能有效利用，尝试利用足够的折流板来有效利用壳侧的压降；（3）设计目标是传递尽可能多的

21、热量，但压降不要太多。（流体流动导致的管振动会限制你的设计）；如传热膜系数较小的物流(如气体)应走壳程，这样易于提高传热膜系数；(4)饱和蒸汽及被冷却的流体走壳程；(5)高黏度流体。六、冷凝器常见冷凝器结构冷 凝 器 选 型 指 南管 侧冷 凝壳 侧 冷 凝工艺条件水 平垂 直方 向 水 平方 向 垂 直方 向方 向向下流向上流 错 流折 流 向下流向上流单组份 好 好尚好不好 好 好 好尚好不好多组份 好 好尚好不好 不好 好 好尚好不好含不凝气 好 好不好 尚好 好 尚好 不用过冷气 不好 好不用 不好 不好 尚好 不用压力降高 好 好不用 尚好 好 好 不用低 尚好 好尚好 好 尚好 尚

22、好 尚好冷却剂液体 好 好 好 好 好 好 好气体 好 好 好 好 好 好 好沸腾 好 好 好 不好 不好 好 好当冷凝器的冷凝温度高于环境温度15C20C或更高时，考虑使用空冷器。七、再沸器常规再沸器设计蒸 发 器 的 类 型 及 特 点 类 型 沸 腾 模 型 特 点(1)内置式壳侧池内沸腾不需要壳体和接管，因此设备造价低。由于是塔内置的形式，管束长度受蒸馏塔直径限制，故尺寸有限。换热面积大，换热率低，易结垢。(2)釜式壳侧池内沸腾尽管需要有较大的壳径来分离气体和液体，但因管线系统简单，设备造价并不高。容易维修和清洗，容易操作和控制。但换热面积大、换热率低，易结垢，用短粗管束时蒸汽会覆盖换

23、热管。(3)卧式热虹吸式壳侧沸腾为获得好的流体分布，通常使用多个接管，这样造成了管线系统的复杂，提高了设备价。有较高的换热率，容易维修和清洗，可控制性好，不易结垢。(4)立式热虹吸式管侧沸腾设备被直接安装在塔旁由于管线系统简单,故设备造价低。换热率很大，不易结垢，占地面积小，可用于真空和低压系统。为获得好的循环，可能需要比较高的塔裙高度。管长通常受塔裙高度、传热面积的限制。维修和清洗困难，不能用于有过流量和突然脉动可能的系统，当沸点有较高的提升时会使蒸汽的发生率较低。(5)强制循环式壳侧或管侧沸腾用泵使液体流动并进行循环。它可以维持很高的循环率，因此结垢较少。它们也适用于粘性和固体润滑液体，沸

24、腾传热可以发生在管内也可以在管外，能够处理粘性较大的流体。管内强制循环再沸器更适用于结垢性、粘性和有悬浮粒子的液体以及低压系统。在多数系统中一般适合采用外沸腾管束。另外，循环率是受到泵控制的，因此要考虑泵动力消耗的费用，可以通过流体的循环体积、首期投资和操作费用来优化计算循环率。在选择一个合适的蒸发器或再沸器时，除了要考虑前面所说的通用规则外，还应考虑下表中所列的操作压力、设计温差、污垢系数及混合液沸腾范围在内的工艺条件。蒸发器或再沸器选型指南工艺条件再沸器类型釜式或内置式卧式壳侧热虹吸式立式管侧热虹吸式强制流动操作压力常压可行好的最好可行接近临界压力最好-可行冒险危险的可行真空最好冒险危险的

25、可行设计温差适中可行好的最好可行大最好冒险好的-危险的可行小(对混和物)尚好尚好危险的不好的操作非常小(纯组份)最好尚好不好的操作不好的操作污垢清洁好的好的好的可行中度危险的好的最好可行严重不好的操作危险的最好好的非常严重不好的操作不好的操作危险的最好混合液沸腾范围纯组份好的好的好的可行窄馏分物质好的好的最好可行宽馏分物质尚好好的最好可行非常宽的馏分物(粘性液)尚好-不好的操作好的-危险的不好的操作最好B(best):最好;G(good):好的;F(fair):尚好,但可选更好的;Rd(riskydesign):危险的，除非小心设计，但在有些工况下可做其它更好的选择;R(risky)：由于数据

26、不充分，冒险;P(poor):不好的操作；E:(operable)可行，但是增加了不必要的费用。对卧式循环式的蒸发器或再沸器，为了避免在壳侧两相流动的流体气液相分离，推荐使用G型壳体或H型壳体，而当使用E型壳体或J型壳体时，应选择横向流动，并尽量使管长与壳径之比等于5或小于5。热虹吸再沸器降膜再沸器八、如何通过结构优化避免换热器管束振动如果换热器设计过程中发生振动，可采取的防振措施有：1.降低流速（降低流速的方法有降低壳程流量、增加管间距、改变管束的排列角度、设置防冲挡板或者导流筒）；2.改变管子的自振频率（方法有减小管子跨距最有效的方法、增大管子弹性模量或者惯性矩、管子间隙处插入板条或者杆状

27、物适合于U型管换热器、折流板缺口处不布管、减小管子与折流板间隙并加厚管板）；3.设置消声隔板（在壳程设置平行于管子轴线的纵向隔板或多孔板）；4.抑制周期性的漩涡（方法：一是沿管子周向缠绕金属丝，或沿轴向设置金属条可改变流场，抑制或消弱周期性漩涡；二是采用折流杆代替传统的折流板；）。EDR主要从4个方面对换热器进行了振动分析，包括流体弹性分析、共振分析、振幅及声振分析、TEMA标准下流体稳定性分析，换热器的设计结果要保证各项分析中振动都为No或者Possible，某些特殊情况下也可以为yes。如U型管换热器，当其尾端做振动分析发生振动时可以在其尾部U型弯处加支撑来解决，无需调整换热器结构；对蒸汽

28、冷凝工况的换热器来说，如果振动分析结果中出现声振，该振动可以忽略。流体诱发振动(FIV)最容易产生破坏的区段a. 管束中两块折流板间距最大的未支承的中间跨度；b. 管束周边在弓形折流板口区的管子；c. U形管束的U形弯处； d. 壳程进口管口下的管子； e. 管束旁流和管程分程隔板流道内的管子。 在改造项目中，有时相同的壳体设计，原本没有FIV问题，但在仅改变换热管材质后也有可能会产生FIV问题。例如，原设计是碳钢或合金钢管，更换为薄壁管如钛管，其刚性减小，因此需要比原设计增加支承板来避免FIV产生。在改造设计或实际改造中有可能会遇到此类问题。a.减小无支承管跨:调整折流板间距 或 采用弓形区

29、不布管，折流板间距值不小于1/5的Shell ID，流体全蒸汽或两相时最大值为450mm； b.设置U形弯头支承；c.设置密封板/条以便增加流阻和限制在临界截面处的流动(如管束旁流区和分程隔板处)；d.减少壳程流量(较少采用，除必要时)或增大壳径；e.放大壳程进口管口； f.设置壳程进口防冲挡板； g.如果允许改变壳体形式，可将 E 型改为 X 或 J 型； h.改用双弓形折流板；i.避免太大或太小的折流缺口(因为它们会导致流速分布不均和局部高流速)；j.保持均匀的折流板间距； k.用实心的管子（在：use tube layout drawing as)代替原部分管子所在的位置，起到支撑并减小振动的作用； l.增大nozzle与bundle之间的距离m，添加Annular distributor。 十、换热器核算在换热器优化时，主要考虑的是：a.换热器的是否震动；b.换热器壳程和管程压降各部位分配是否合理；c.换热器的传热膜系数是否过大或者过小（比较值通过实际工程经验得到）；d.换热器各部位热通量是否合理；e.换热器管壳程流速是否合理。1、校核结果及优化