第6章 换热器单元模拟
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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。
6.2 换热器HeatX
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。
模拟下述常见结构的管-壳式换热器：
6.2 换热器HeatX
Heatx的模型设定参数
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。
计算法 Calculated
No No 多管程时可用
Yes
Default Yes
多管程时可用
6.2 换热器HeatX
Heatx 严格计算变量以及使用准则
变量 U-methods 传热系数
计算方法
常数 Constant U value
相态法 Phase specific values
幂函数 Power lawex pression
Aspen Plus 换热器单元模块说明：
模块 Heater HeatX MHeatX
说明
加热器或 冷却器
两股物流 换热器
多股物流 换热器
功能 改变一股物流的热力学状态
模拟两股物流换热过程 模拟多股物流换热过程
适用对象 加热器、冷却器、仅涉及 压力的泵、阀门或压缩机 管壳式换热器、空冷气、
板式换热器
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
变量
计算方法
简捷法使用准则 严格法使用准则
常数Constant （由用户指定校正 系数，也可查手册）
Default
LMTD
对数平均温 差校正因子
几何尺寸 Geometry 用户子程序 User-subroutine
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。
6.2 换热器Heater
Heater的常用的几种闪蒸规定组合
压力（或压降）与右列之一 出口温度或温度改变与右列之一
出口温度 热负荷或者入口热流率 汽化分率 温度改变 过冷度或过热度 压力 热负荷 汽化分率
有效相态 (ValidPhase) 蒸汽 Vapor-Only 液体 Liquid-Only 固体 Solid-Only 汽-液 Vapor-Liquid 汽-液-液 Vapor-Liquid-Liquid 液-游离水 Liquid-Freewater 汽-液-游离 Vapor-Liquid-Freewater
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。
6.2 换热器HeatX
Heatx的模型设定参数
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 approach) （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)
6.2 换热器HeatX
Heatx 换热器的几何结构参数
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 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）
Heater模型有两组模型设定参数：闪蒸规定与有效相态
闪蒸规定 (Flash specifications) 温度 Temperature 压力 Pressure 温度 Temperature change 蒸汽分率 Vapor fraction 过热 Degrees of superheating 过冷 Degrees of subcooling 热负荷 Heatduty
6.2 换热器HeatX
Heatx的模型设定参数
在换热器中，流体走管程/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。
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-methods传热系数、 Film confficients膜系数、 Pressure Drop压降等。
对于压降，当指定热侧和冷侧的出口压力(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。
变量
计算方法
简捷法使用准则 严格法使用准则
常数 Constant U value
No
相态法
Phase specific
No
Film
values
confficients
膜系数
幂函数
Power law
No
expression
由几何尺寸计算
Calculate from
No
geometry
Yes Yes Yes Default
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
Heatx的模型设定参数
（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）
6.2 换热器HeatX
Heatx的模型设定参数
1、Calculation栏中有五个选项：
（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）
第6章 换热器单元模拟
作者：全本军 孙兰义
换热器单元模拟
6.1 概述 6.2 换热器Heater 6.3 换热器HeatX
6.1 概述
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。
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％ 。
6.2 换热器HeatX
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)
换热器几何尺寸 Exchanger Geometry
膜系数 Film confficients
简捷法使用准则 Yes
Default Yes No No
严格法使用准则 Yes Yes Yes
Default Yes
用户子程序 User-subroutine
No
Yes
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
变量
Pressure Drop 压降
计算方法
由出口压力计算 Outlet pressure
由几何尺寸计算 Calculate from geometry
简捷法使用准则 Default No
严格法使用准则 Yes
Default
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。
1.逆流/并流（Countercurrent / Cocurrent) 2.壳程采用折流板（Segmental Baffle in Shell) 3.壳程采用棍式挡板（Rod Baffle in Shell) 4.裸管/低翅片管（Bare/Low-finned Tubes)
6.2 换热器HeatX
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HeatX
Heatx简捷计算与严格计算
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。
6.2 换热器Heater
典型的Heater流程连接图
热流率 （可选）
进料物流 （任意股）
出口物流
热流率 （可选）
物料流 入口至少一股物料流
出口一股物料流 一股水倾析物流可选的
倾析水 （可选）
热流 入口任意股热流可选的 出口一股热流可选的
6.2 换热器Heater
Heater模型设定参数
6.2 换热器Heater
Heater应用实例
例6.1 25℃、压力0.4MPa、流率5000kg/hr的软水在锅炉中被加
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
典型的HeatX流程连接
入口热物流
出口冷物流 倾析水 （可选）
入口冷物流
出口热物流 倾析水
（可选）
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）
LNG换热器等
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。
Heater可以进行以下类型的单相或多相计算：
1. 求已知物流的泡点或者露点 2. 求已知物流的过热或者过冷的匹配温度 3. 计算物流达到某一状态所需热负荷 4. 模拟加热器（冷却器）或换热器的一侧 5. 模拟泵、压缩机、压缩机（仅改变压力，不涉及功率）
6.2 换热器HeatX
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。
模拟下述常见结构的管-壳式换热器：
6.2 换热器HeatX
Heatx的模型设定参数
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。
计算法 Calculated
No No 多管程时可用
Yes
Default Yes
多管程时可用
6.2 换热器HeatX
Heatx 严格计算变量以及使用准则
变量 U-methods 传热系数
计算方法
常数 Constant U value
相态法 Phase specific values
幂函数 Power lawex pression
Aspen Plus 换热器单元模块说明：
模块 Heater HeatX MHeatX
说明
加热器或 冷却器
两股物流 换热器
多股物流 换热器
功能 改变一股物流的热力学状态
模拟两股物流换热过程 模拟多股物流换热过程
适用对象 加热器、冷却器、仅涉及 压力的泵、阀门或压缩机 管壳式换热器、空冷气、
板式换热器
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
变量
计算方法
简捷法使用准则 严格法使用准则
常数Constant （由用户指定校正 系数，也可查手册）
Default
LMTD
对数平均温 差校正因子
几何尺寸 Geometry 用户子程序 User-subroutine
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。
6.2 换热器Heater
Heater的常用的几种闪蒸规定组合
压力（或压降）与右列之一 出口温度或温度改变与右列之一
出口温度 热负荷或者入口热流率 汽化分率 温度改变 过冷度或过热度 压力 热负荷 汽化分率
有效相态 (ValidPhase) 蒸汽 Vapor-Only 液体 Liquid-Only 固体 Solid-Only 汽-液 Vapor-Liquid 汽-液-液 Vapor-Liquid-Liquid 液-游离水 Liquid-Freewater 汽-液-游离 Vapor-Liquid-Freewater
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。
6.2 换热器HeatX
Heatx的模型设定参数
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 approach) （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)
6.2 换热器HeatX
Heatx 换热器的几何结构参数
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 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）
Heater模型有两组模型设定参数：闪蒸规定与有效相态
闪蒸规定 (Flash specifications) 温度 Temperature 压力 Pressure 温度 Temperature change 蒸汽分率 Vapor fraction 过热 Degrees of superheating 过冷 Degrees of subcooling 热负荷 Heatduty
6.2 换热器HeatX
Heatx的模型设定参数
在换热器中，流体走管程/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。
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-methods传热系数、 Film confficients膜系数、 Pressure Drop压降等。
对于压降，当指定热侧和冷侧的出口压力(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。
变量
计算方法
简捷法使用准则 严格法使用准则
常数 Constant U value
No
相态法
Phase specific
No
Film
values
confficients
膜系数
幂函数
Power law
No
expression
由几何尺寸计算
Calculate from
No
geometry
Yes Yes Yes Default
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
Heatx的模型设定参数
（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）
6.2 换热器HeatX
Heatx的模型设定参数
1、Calculation栏中有五个选项：
（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）
第6章 换热器单元模拟
作者：全本军 孙兰义
换热器单元模拟
6.1 概述 6.2 换热器Heater 6.3 换热器HeatX
6.1 概述
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。
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％ 。
6.2 换热器HeatX
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)
换热器几何尺寸 Exchanger Geometry
膜系数 Film confficients
简捷法使用准则 Yes
Default Yes No No
严格法使用准则 Yes Yes Yes
Default Yes
用户子程序 User-subroutine
No
Yes
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
变量
Pressure Drop 压降
计算方法
由出口压力计算 Outlet pressure
由几何尺寸计算 Calculate from geometry
简捷法使用准则 Default No
严格法使用准则 Yes
Default
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。
1.逆流/并流（Countercurrent / Cocurrent) 2.壳程采用折流板（Segmental Baffle in Shell) 3.壳程采用棍式挡板（Rod Baffle in Shell) 4.裸管/低翅片管（Bare/Low-finned Tubes)
6.2 换热器HeatX
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HeatX
Heatx简捷计算与严格计算
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。
6.2 换热器Heater
典型的Heater流程连接图
热流率 （可选）
进料物流 （任意股）
出口物流
热流率 （可选）
物料流 入口至少一股物料流
出口一股物料流 一股水倾析物流可选的
倾析水 （可选）
热流 入口任意股热流可选的 出口一股热流可选的
6.2 换热器Heater
Heater模型设定参数
6.2 换热器Heater
Heater应用实例
例6.1 25℃、压力0.4MPa、流率5000kg/hr的软水在锅炉中被加
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
典型的HeatX流程连接
入口热物流
出口冷物流 倾析水 （可选）
入口冷物流
出口热物流 倾析水
（可选）
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）
LNG换热器等
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。
Heater可以进行以下类型的单相或多相计算：
1. 求已知物流的泡点或者露点 2. 求已知物流的过热或者过冷的匹配温度 3. 计算物流达到某一状态所需热负荷 4. 模拟加热器（冷却器）或换热器的一侧 5. 模拟泵、压缩机、压缩机（仅改变压力，不涉及功率）