-
T
R
学
笔
记
H
I
习
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
ED
R
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，
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
①
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
。
②
入口压力，必须大于
0
。
< br>
③
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。
④
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
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。
(2)Condensation(
冷凝
)
：选择物料是否冷凝，如果冷凝，采用哪种计算方法。<
/p>
(3)Boiling(
沸腾<
/p>
)
：选择物料是否沸腾，如果沸腾，采用哪种计算方法。
－
Safety(
安
全性
)
：可以设置冷热流体和传热系数的安全系数。
－
User-Defined
Method
：用户定义计算沸腾流体的方法
－
Vibration(
振动
)
：对换热管的振动进行设置。
管壳结构、管程参数的选择与匹配
1
、封头选型
管壳式换热器
(Shell and Tube Exchan
ger)
：主要应用的有浮头式和固定管板式两种。
①前封头
1
、前封头的类型对压降和热传递没有影响，通常选择选择“
B
”
型作
为前封头；对于水冷却器，当管侧需要定期清洗，且管侧设计压力小于
10bar
（
g
）时，前封
头可选择“
A
”型；对高压换热器前封头宜选择
D
型；
B
比
A
经济。
2
、选型指导：壳侧和管侧有污垢：
AS
；管侧无污垢：
BU
；壳侧无
污垢：
< br>NN
；壳侧和管侧无污垢：
BM
服务于高压：
DEU
；从价格上来
说
：
BU< DEU < NN < BM <
AS
。
3
、
当管侧或壳侧的腐蚀裕度为
3.0mm
时，首选
A
型；
②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
型应用于无需对壳程进行机械
2
、
L
、
M
、
N(
固定管板式
< br>)
查；或者壳侧可进行化学清洗
3
、
U-Tube
：管外侧可用
情况，
立式再沸器不可选用
U-
③浮头式
<
/p>
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<
/p>
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。
选择“
M
”型作为后封头；这种换热器类
清洗及检
查但可用化学清洗的情况；
应用在无需对壳侧进行机械清洗或
检
的场合；
M
或
N
比
L
经济。
机械清洗，不能应用在管侧污垢较大的
Tube
；
2
、壳体选型
(
对压降和热传递产生重要影响
)
①
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；
②
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；
③
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 <
/p>
型小很多；若压降还不能满足，可考
虑
H
型；
④
X
型壳体压降最小，适用于气体加热、冷却和真空冷凝。
⑤
TEMA
中
E
壳程经验定位为垂直（垂直主要
有几种情况：①
简化的换热器模型②垂直管侧热虹吸③防止相分离的进料
/
出料换热器
④当要求过冷时管侧冷凝），其余的常定
位为水平；
⑥
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）
①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≤
0.00034m
2
K / W<
/p>
；
(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)
< br>管侧流体的污垢系数≥
0.00034m
2
K / W
；
(b)
出于工艺设计考虑，如换热器的允许压降较小时。
②管长
管长
L
和壳内径
ID
的比例应适当，一般<
/p>
L/ID
＝
4
～
6
，一般首选长
6m
< br>或
3m
。
③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。
< br>
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
0
～
75
。
Tubepass Arrangement panel
：换
热器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
①
Tube
若无给定数值，则排列方式选
30
度。
②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
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。
3
0
°
/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：
30
°＞
45
°＞
60
°＞<
/p>
90
°。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。
③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。
④
管程允许的值有
1
< br>、
2
、
3
、
4
、
6
、
8
、
10
、<
/p>
12
、
14
、<
/p>
16
，最常用的是
1
，
2
和
4
。管程数
Np
可按
N
< br>p
＝
u
'
u
'
u-
管程内流体的适
宜速度
(m/s)
；
u
-
管程内流体的实际速度
(m/s)
< br>。
下式计算：
然后再根据管侧
的流速及压降进行调整。
⑤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
< 250
250
?
510
510
?
760
760
?
1020
1270
最
大
管
程
数
4
6
8
10
12
⑥
Rigorous 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<
/p>
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。
①折流板类型
Single-seg
mental
：
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；<
/p>
d
弓形缺口
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。
②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
0.00061m
2
?
h
?℃
/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。
③折流板数
Crosspasses/
折流板间距
Baf
fle 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
30
％－
45
％
。
折流板间距可以是不等距的，选中“
Baffle Spaci
ng
”下的“
variable
”复选
框，就可以在“
Variable Baffle
Spaci
ng
”面板中输入需要的间距。
折流
板数：换热器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；
<
/p>
④
Cut
切割高度
/Window area
输入的值超过最大值→
IST<
/p>
忽略此值并设置折流板切割的最佳值。单弓的
CUT
通常是
15
～
35%
。
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。
⑤折流板厚度
thickness
Thickness at tube hole
–
对于非钻孔，而是冲孔的制造工艺
来说，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
< br>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<
/p>
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
X
－
flow
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。
①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
。
如果你输入了一个允许压降的最大值，<
/p>
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：
ID
＝
90
％的壳程
ID
；二壳程：
ID
＝
80
％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
1
％壳
ID
90
2
80
3
70
4
50
6
47
8
44
10
41
12
38
14
35
16
32
②管嘴位置
Number at
each position
（
inlet and outl
et
）：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。
Shellsid
e 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
from inlet
。一般
IST<
/p>
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）、
Ax
ial
、
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<
/p>
增加冷凝器和再沸器的负荷。
8
、防冲结构设定
①需要设置的情形
a)
非腐蚀性流体：
?
V
2
?
2232
kg
/
m
?
s
2
1500
lb
/
f
t
?
sec
2
；腐蚀性流体：
?
V
2
?
740
；
b)
定义
了壳侧冷凝；
c)
定义
了壳侧沸腾并且入口管
?
V
2
?
744
。
②防冲板的类型
圆盘
(
设置它的直径、厚度、防冲高度
)
< br>、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ρ
V
2
超过
7000kg/(m.s
2
)
；
?
?
b)
<
/p>
对于液体，入口处的ρ
V
2
超过
9000kg/(m.s
2
)
。
10
、其他设定
①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：
-
-
-
-
-
-
-
-
-
上一篇：英语语言学知识点整理
下一篇：嵌入式常用函数手册