第六讲热过程单元的仿真设计2
化工设计 教学大纲
课程代码：09188170 课程名称：化工设计学分：4 周学时：6面向对象：本科生预修课程要求：化工原理、化工热力学、化学反应工程、工程制图、化工设备基础、化工仪表及自动化、无机化学、有机化学一、课程介绍（100-150字）（一）中文简介：本课程通过面向设计项目的实践教学过程，学习化学工程的现代设计方法与工具，了解化工设计的工作程序、内容、设计文档编制方法，实践经历设计一个化工厂的全过程，并初步掌握化工专业计算机仿真设计工具软件，以及基本的化工仿真设计方法，培养综合运用专业基础理论解决具体工程问题的能力。
（二）英文简介Through a practical study process of project-oriented, the students will learn modern methods and tools of chemical engineering design, understand the working procedure, contents and documentation, practically experience the whole process of designing a chemical plant by simulation, get familiar of the computer software and basic skills for chemical engineering simulation design, and receive an integrated training on the ability to solve engineering problems by application of the principles and theories they have learnt.二、教学目标(一)学习目标1、对化工设计阶段的划分，各设计阶段的工作内容和设计文档有一个总体的了解；2、能够在设计工作中自主地综合运用化学、热力学、单元操作、化学工艺学、化学反应工程、化工机械与设备、化工仪表与自动控制等专业基础知识；3、初步掌握一种通用和四种化工专业CAD工具软件，以及基本的化工CAD方法；4、学会团队工作方法；5、完成模拟项目的设计。
火电机组热工过程建模与仿真
数学模型是由描述具体过程的一系列数学方程(包括代 数方程、微分方程)组成的联立方程组。数学模型比较抽象， 但它可以比较全面地反映一个复杂系统的性质。数学模型又 可分为静态模型与动态模型两种模型。
静态模型用来描述系统在稳定状态或平衡状态下各种输 入变量与输出变量之间的关系。当机组运行在稳定状态时， 输入的物质及能量保持不变，机组各系统的参数也将保持稳 定，这些稳定工况下各参数之间的关系便可用静态模型描述。 静态模型主要用于机组的设计计算及校核计算，一般要求具 有较高的精度。 动态模型用来描述系统在过渡过程中各种变量随时间变 化的关系。当系统从一个稳定状态变化到另一稳定状态时， 哪些参数会发生变化，其变化的速度及历程如何，这些都属 于动态模型要研究的问题。例如，当燃料量变化时，机组原 来的平衡状态就会受到破坏，电功率等参数都将发生变化， 经过一段时间运行，机组又将达到新的平衡状态。这个动态 过程中电功率的变化规律需要用动态模型描述。
2．气体-黑壁面模型 根据气体辐射理论，假定烟气是由具有 辐射和吸收能力的三原子气体C02和水蒸气组 成的，壁面为黑体，能完全吸收气体辐射到 上面的热量，气体辐射出的能量和气体吸收 的壁面辐射能量之差即为辐射换热量
6．3．7 火电机组整体数学模型
火电站是由一系列相互作用、相互联系的部件 组成的大型系统，其整体数学模型的开发需要一个 周密、完善的组织和计划。 首先是针对给定的实际火电站系统，根据模型 的用途确定建模的范围及对精度的要求，然后是系 统的模型化。通常将整个系统分成若干子系统或子 模型。每个子系统又可进一步划分，直到具体的设 备。划分的详细程度主要是由仿真精度要求和建模 方法决定的。一般来讲，仿真精度要求越高，则子 系统的划分就要越详细。
换热器单元仿真培训 操作说明书
换热器单元仿真培训操作说明书欧倍尔北京欧倍尔软件开发有限公司2012年11月地址：北京海淀区清河强佑新城甲一号楼14层1431室邮编：100085II-目录一、工艺流程简介 (1)1、工作原理........................................................................................................................................12、流程说明........................................................................................................................................1二、工艺卡片. (1)1、设备列表........................................................................................................................................12、现场阀门........................................................................................................................................23、仪表列表........................................................................................................................................24、工艺参数........................................................................................................................................3三、复杂控制说明......................................................................................................................................3四、控制规程. (4)1、正常开车 (4)（1）开车前准备.........................................................................................................................4（2）启动冷物流进料泵.............................................................................................................4（3）冷物流进料.........................................................................................................................4（4）启动热物流入口泵.............................................................................................................4（5）热物流进料.........................................................................................................................42、正常运行. (4)（1）正常工况操作参数.............................................................................................................4（2）备用泵的切换.....................................................................................................................53、正常停车. (5)（1）停热物流进料泵.................................................................................................................5（2）停热物流进料.....................................................................................................................5（3）停冷物流进料泵.................................................................................................................5（4）停冷物流进料 (5)地址：北京海淀区清河强佑新城甲一号楼14层1431室邮编：100085III-（5）E101管程、壳程泄液.........................................................................................................54、事故处理. (6)（1）FV101阀卡...........................................................................................................................6（2）P101A 泵坏...........................................................................................................................6（3）P102A 泵坏...........................................................................................................................6（4）TV102A 阀卡.........................................................................................................................6（5）TV102B 阀卡.........................................................................................................................7（6）换热器管堵.........................................................................................................................7（7）换热器结垢严重.. (7)五、PID图....................................................................................................................................................8六、仿真画面. (8)地址：北京海淀区清河强佑新城甲一号楼14层1431室邮编：1000851-一、工艺流程简介1、工作原理传热，即热交换和热传递，是自然界和工业过程中一种最普遍的热传递过程。
热仿真使用的方法
热仿真使用的方法1. 热仿真简介热仿真是一种通过计算机模拟和分析热传导、传热、温度分布等热学问题的方法。
它可以帮助工程师和设计师在产品设计和工艺优化中预测和改进热性能，提高产品的可靠性和效率。
2. 热仿真的应用领域热仿真广泛应用于各个工程领域，包括电子器件、汽车工业、航空航天、建筑设计等。
以下是一些常见的应用领域：2.1 电子器件在电子器件设计中，热仿真可以帮助优化散热系统以确保器件在正常工作温度范围内运行。
通过模拟器件的温度分布，可以确定是否需要增加散热片或风扇来降低温度。
2.2 汽车工业在汽车工业中，热仿真可以用于设计发动机冷却系统、制动系统和空调系统等。
通过模拟流体流动和传热过程，可以预测不同工况下的温度分布和传热效率，从而优化系统设计。
2.3 航空航天在航空航天领域，热仿真可以用于设计飞机发动机的冷却系统、隔热材料和热防护结构。
通过模拟高温环境下的热传导和辐射过程，可以评估材料的性能并改进设计。
2.4 建筑设计在建筑设计中，热仿真可以用于评估建筑物的能源效率和室内舒适性。
通过模拟建筑物的热传导、太阳辐射和空气流动，可以优化保温材料、窗户设计和通风系统等。
3. 热仿真方法热仿真方法包括数值方法和实验方法两种主要方式。
下面将详细介绍这两种方法及其常见的应用。
3.1 数值方法数值方法是基于数学模型和计算机算法进行热仿真分析的一种方法。
常见的数值方法包括有限元法（Finite Element Method, FEM）、有限差分法（Finite Difference Method, FDM）和边界元法（Boundary Element Method, BEM）等。
3.1.1 有限元法（FEM）有限元法是一种将连续物体离散化为有限个单元进行计算的方法。
它将物体划分为小的几何单元，并在每个单元内建立方程来描述热传导过程。
通过求解这些方程，可以得到整个系统的温度分布和传热性能。
有限元法适用于复杂几何形状和边界条件的问题，如电子器件散热、建筑物热传导等。
CAPD基础第六讲 热过程单元的仿真设计(二)
HeatX—— U-膜系数法
膜系数法根据换热器的几何结构 和流动情况分别计算热流体侧和冷流 体侧的传热膜系数(Film coefficients)， 根据管壁材料和厚度计算传导热阻， 再 结 合 给 定 的 污 垢 热 阻 因 子 (Fouling factor)计算出总传热系数U。
HeatX——管嘴〔2〕
HeatX——结果查看
HeatX 最 重 要 的 是 热 参 数 结 果 (Thermal
results)，其下包括五张表单：
• 概况
Summary
• 衡算
Balance
• 换热器详情 Exchanger details
• 压降/速度 Pre drop/velocities
HeatX——压降/速度〔2〕
HeatX —— 分区
分区表单给出了换热器内根据冷、热 流体相态对传热面积分区计算的情况，包 括各区域的热流体温度、冷流体温度、对 数平均温差、传热系数、热负荷和传热面 积信息。我们可根据此信息分析换热方案 是否合理以及改进设计方案的方向。
HeatX —— 分区〔2〕
HeatX——圆缺挡板〔2〕
圆缺挡板需输入以下参数： 所有壳程中的挡板总数 No. of baffles, all passes 挡板切割分率 Baffle cut (fraction of shell diameter) 管板到第一挡板的间距 Tubesheet to 1st baffle spacing 挡板间距 Baffle to baffle spacing 壳壁/挡板间隙 Shell-baffle clearance 管壁/挡板间隙 Tube-baffle clearance
HeatX—— U-膜系数法 (2)
换热器单元仿真实验报告 -回复
换热器单元仿真实验报告-回复环境与变量设置：在进行换热器单元仿真实验之前，我们首先需要确定实验的环境与变量设置。
换热器单元的实验需要在特定的条件下进行，以确保实验结果的准确性和可重复性。
因此，在进行实验之前，我们需要考虑以下环境和变量设置。
1. 实验环境：实验需要在恒定的温度和压力条件下进行。
为了达到这样的条件，我们可以使用一个恒温槽和一个压力控制系统来控制实验室的环境。
2. 输入和输出变量：换热器单元的实验中，我们需要控制和测量的输入和输出变量包括：- 热流量：这是换热器单元中传递的热能的量度，可以通过测量热源和热沟之间的温度差来计算。
- 温度差：换热器单元中热源和热沟之间的温度差是决定热传递效率的重要因素之一。
- 流量：热源和热沟之间的流体流动速率也会影响热传递效率。
3. 实验器材：在进行换热器单元实验时，我们需要准备以下器材：- 恒温槽：用于控制实验环境的温度。
- 压力控制系统：用于控制实验环境的压力。
- 热源和热沟：用于传递热能的介质。
- 流量计：用于测量热源和热沟之间的流体流量。
- 温度计：用于测量热源和热沟的温度。
实验步骤：一、实验的准备工作：1. 将恒温槽填充至所需的温度，并确保温度稳定。
2. 设置压力控制系统，将压力调节至所需的压力，并确保压力稳定。
3. 预热热源和热沟的介质，确保它们达到所需的工作温度。
二、测量和控制输入变量：1. 使用流量计测量热源和热沟之间的流体流量，并记录下来。
2. 使用温度计测量热源和热沟的温度，并计算温度差。
三、实验操作：1. 将热源和热沟的介质分别通过换热器单元。
2. 测量热源和热沟之间的温度差和流体流量，并记录下来。
3. 观察热源和热沟之间的热传递效果。
四、数据分析：1. 根据测量结果计算热流量。
2. 分析热源和热沟之间的温度差和流体流量之间的关系，以及热流量和热传递效果之间的关系。
3. 针对不同的实验条件进行比较和讨论。
五、结论和讨论：1. 根据实验结果，得出换热器单元在不同条件下的热传递效果。
8-热加工过程的模拟与仿真
常用软件
• 经多年研究开发，已经形成一批热加工工艺商业软件
• 主要有ProCast、Simulor、SolDIA、SolSIAR、AFS Solidification System3D(铸造)、ViewCAST、EForm、 AutoForge、SuperForge (体积塑性成形)、DYNA3D、 PAM-Stamp、ANSYS (板料塑性成形)、ABAQUS 等。
3、宏观工艺ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ拟研究方向
1） 单一分散→耦合集成 模拟功能由单一的温度场、流场、应力/应变场、组织场
模拟进入耦合集成阶段。包括：流场←→温度场；温度场 ←→应力/应变场；温度场←→组织场；应力/应变场←→组 织场等之间的耦合，以真实模拟复杂的实际热加工过程。
2） 共性、通用→专用、特性 由于建立在温度场、流场、应力/应变场数值模拟基础上的 常规热加工，特别是铸造、冲压、铸造工艺模拟技术的日益 成熟及商业化软件的不断出现，研究工作已由共性通用问题 转向难度更大的专用特性问题：
铸造工艺 设计
去应力及均
钢水冶炼
浇注
打箱
匀化热处理
组织及力学 性能检测
精加工
差硬热处理
无损检测
粗加工
铸钢支承辊生产流程图
铸件和铸型的 几何造型
对铸件作网格剖分，离 散到所需的单元尺寸，
修正表面形状
求解能量、动量等 控制方程及缺陷预 测的各种判据函数
计算结果显示与分析
边界条件与初始条件
金属与铸型材料热物 性参数数据的输入
缩孔位置模拟验 证初次工艺设计 思想是否合理
缩孔深964mm
充型凝固后产生的缩孔
2.2 根据凝固过初次模拟结果确定铸型设计方案
方案一：下辊颈金 属型直径2500mm. 方案二：下辊颈金 属型直径2167mm.
Aspenplus模拟第五讲+第六讲热过程单元的仿真设计
Heater — 应用示例 (4)
流量为 100 kg/hr、压力为 0.2 MPa、温度为20 ℃的丙酮通 过一电加热器。当加热功率分别 为 2 kW、5 kW、10 kW 和 20 kW 时，求出口物流的状态。
Heater — 物性计算
利用Heater模块可以很方便地计算混 合物在给定热力学状态下的各种物性数据， 如泡点、露点、饱和蒸汽压、密度、粘度、 热容、导热系数等等：只需将给定组成的 物流导入Heater模块，根据给定的热力学 状态设定Heater的模型参数，并在总Setup 的Report Options中设定相应的输出参数选 项即可。
Heater 模型的连接图如下：
Heater — 模型参数
Heater模型有两组模型设定参数：
从 中 任
1、闪蒸规定 ( Flash specifications) （1）温度 Temperature （2） 压力 Pressure
选
（3）温度改变 Temperature change
两
（4）蒸汽分率 Vapor fraction
（2）液体
（3） 固体
（4）汽—液
（5） 汽—液—液 （6）液—游离水
（7） 汽—液—游离水
Heater — 模型参数（4）
Heater — 应用示例 (1)
温度20℃、压力0.41 MPa、 流量4000 kg/hr 的软水在锅炉中 加热成为0.39 MPa的饱和水蒸气 进入生蒸汽总管。求所需的锅炉 供热量。
Case Study — 案例研究
案例研究(Case Study)是ASPEN Plus 提供的模型分析工具(Model Analysis Tools) 之一。当需要对多个不同的工况条件的结 果进行比较时，尤其是不同工况有多个且 数目不等的参数需要改变时，案例研究工 具提供了非常方便的手段: 一次输入所有工 况的参数值，通过批处理运行方式计算出 全部结果，自动输出到结果文件中。
Aspen_plus_热过程单元的仿真设计(一)(5讲)
HeatX—计算类型（2）
HeatX—简捷计算
简捷计算只能与设计或模拟选项配合。 简捷计算不考虑换热器几何结构对传热和压 降的影响，人为给定传热系数和压降的数值。 使用设计选项时，需设定热(冷)物流的 出口状态或换热负荷，模块计算达到指定换 热要求所需的换热面积。 使用模拟选项时，需设定换热面积，模 块计算两股物流的出口状态。
Heater — 应用示例 (4)
流量为 100 kg/hr、压力为 0.2 MPa、温度为20 ℃的丙酮通 过一电加热器。当加热功率分别 为 2 kW、5 kW、10 kW 和 20 kW 时，求出口物流的状态。
Heater — 物性计算
利用Heater模块可以很方便地计算混 合物在给定热力学状态下的各种物性数据， 如泡点、露点、饱和蒸汽压、密度、粘度、 热容、导热系数等等：只需将给定组成的 物流导入Heater模块，根据给定的热力学 状态设定Heater的模型参数，并在总Setup 的Report Options中设定相应的输出参数选 项即可。
Heater 加热器模型（2）
Heater —— 连接
Heater 模型的连接图如下：
Heater — 模型参数
Heater模型有两组模型设定参数：
从 中 任 选 两 项
1、闪蒸规定 ( Flash specifications) （1）温度 Temperature （2） 压力 Pressure （3）温度改变 Temperature change （4）蒸汽分率 Vapor fraction （5）过热度 Degrees of superheating （6）过冷度 Degrees of subcooling （7）热负荷 Heat duty
CAPD基础 第五讲
换热器单元仿真实验报告 -回复
换热器单元仿真实验报告-回复换热器是一种常见的装置，用于进行热量传递，广泛应用于工业生产和日常生活中。
为了更好地理解和优化换热器的性能，进行仿真实验成为一种常见的研究方法。
本文将围绕换热器单元仿真实验展开讨论，从实验设计到结果分析逐步进行说明，希望读者能够对该实验有个全面的了解。
实验设计换热器单元仿真实验的目的是模拟和研究换热器在实际工作条件下的性能表现。
在进行实验前，我们需要对实验进行详细的设计和计划。
主要包括以下几个方面：1. 实验目标：明确实验目的，确定所要探究的问题，例如换热器的传热效率与参数之间的关系。
2. 实验装置：选择适当的软件或者数学模型来模拟换热器的工作过程。
常见的仿真软件包括ANSYS Fluent、COMSOL Multiphysics等。
3. 实验参数：确定实验的输入和输出参数，包括流体的流速、温度、换热面积等。
这些参数将对换热器的性能进行评估和优化。
4. 实验条件：建立合适的实验条件，包括边界条件、材料特性等。
这些条件将与实际状况相匹配，以更好地模拟换热器的工作环境。
实验过程进行实验前，我们需要准备所需的数据和软件环境。
接下来，根据实验设计，按照以下步骤进行实验：1. 建立几何模型：使用仿真软件建立换热器的几何模型。
可以根据实际情况导入CAD文件，或者手动绘制模型。
确保模型的准确性和完整性。
2. 制定网格：根据所建立的几何模型，生成适当的网格。
网格的划分对后续的计算和结果准确性有重要影响，应注意保持网格的均匀性和精细性。
3. 设置边界条件：根据实验设定的边界条件，设置相应的边界条件。
这些条件包括流体的进出口温度、压力以及换热表面的温度。
4. 进行数值计算：根据设定的流体流动和传热模型，进行数值计算。
采用适当的数值方法和算法，求解流体的流速、温度分布以及表面的热通量。
5. 获取结果：计算完成后，从仿真软件中获取结果。
常见的结果包括换热系数、传热率以及温度分布等，这些结果将作为实验的评估指标。
Aspenplus反应器单元的仿真设计二
RCSTR — 设置出口物流 (2)
RCSTR — 选择反应
RCSTR中的化学反应通 过选用预定义的化学反应对 象来设定。
RCSTR—选择反应（2）
Reactions — 化学反应对象
用途：为三类动力学反应器模块 和RadFrac 模块提供反应的 计量关系、平衡关系和动 力学关系。
Reactions —— 对象类型
RCSTR— 设定方式（11）
设定方式有 7 个可选项：
7、相停留时间和体积分率 (Phase Residence Time & Volume Fraction) 必须输入气相/凝聚相在反应器中的停留
时间和所占的体积分率。
RCSTR— 设定方式（12）
RCSTR — 设置出口物流
RCSTR如果连接了二股 或三股出口物流，则应在 Streams 表 单 中 设 定 每 一 股 物流的出口相态。
RCSTR —— 图标
RCSTR —— 连接
RCSTR—— 模型参数
RCSTR模块有两组模型参数：
1、操作条件 (Operation Conditions) 1) 压力 (Pressure) 2) 温度/热负荷(Temperature/Heat Duty)
2、持料状态 (Holdup) 1) 有效相态 (Valid Phases) 2) 设定方式 (Specification Type)
每一个化学反应对象可以包含多 个化学反应，每个反应都要设定计量 学参数和动力学参数/平衡参数。
1、计量学参数(Stoichiometry) 2、动力学参数 (Kinetic) 3、平衡参数 (Equilibrium)
Reactions — 反应设定（2）
Reactions —— 计量学参数
浅析工程设计中的热设计仿真
浅析工程设计中的热设计仿真【摘要】热设计仿真是工程设计中重要的一环，通过仿真软件模拟热传导、热对流等物理过程，为工程设计提供可靠的参考。
本文首先介绍了热设计仿真的概念及方法，然后探讨了其在工程设计中的广泛应用，包括汽车、电子产品等领域。
接着分析了热设计仿真的优势，如节约时间成本、提高设计效率等。
最后通过案例分析展示了热设计仿真在实际工程中的应用效果。
结论部分强调了工程设计中热设计仿真的重要性，建议加强相关技术研究和人才培养，推动热设计仿真在工程设计中的更广泛应用，并指出了未来发展的方向。
通过本文的浅析，可以更深入理解热设计仿真在工程设计领域的价值与作用。
【关键词】热设计仿真、工程设计、研究背景、研究目的、概念、方法、应用、优势、案例分析、重要性、发展方向建议1. 引言1.1 研究背景工程设计中的热设计仿真是指利用计算机模拟技术对工程项目中的热传导、热辐射、热对流等热现象进行分析和模拟的过程。
随着工程设计领域的不断发展，对于热设计仿真的需求也越来越迫切。
热设计仿真在工程设计中发挥着重要的作用，可以帮助工程师优化设计方案，提高工程项目的效率和可靠性。
通过对热设计仿真的研究与应用，可以有效地减少工程项目的成本和时间，提高工程设计的质量。
目前对于工程设计中热设计仿真的研究还比较有限，尚未形成系统的理论体系和方法。
本文将对热设计仿真的概念、方法、应用、优势以及案例进行深入探讨，旨在为工程设计领域提供更多关于热设计仿真的研究成果和实践经验。
1.2 研究目的研究目的旨在探究工程设计中热设计仿真的重要性，深入分析其在实际应用中的作用和优势，为工程设计提供科学依据和技术支持。
通过对热设计仿真方法的研究和总结，可以帮助工程设计人员更好地理解热传导、热辐射和对流等热学原理，从而提高设计方案的准确性和效率。
通过研究热设计仿真在不同工程领域的具体应用案例，可以为工程设计人员提供实际参考和借鉴，促进工程设计的创新和发展。
本研究还旨在对工程设计中热设计仿真的发展方向进行探讨和建议，为未来工程设计提供更加可靠和智能的仿真工具和方法，推动工程技术的进步和提高。
浅析工程设计中的热设计仿真
浅析工程设计中的热设计仿真
工程设计中的热设计仿真是指通过数值模拟的方法，研究系统中的热传输问题，以确定系统的热力学性能和稳定性。
这种仿真可以帮助设计师预测系统的温度、流量和压力等参数，以优化系统的设计和性能。
热设计仿真通常是在计算机上进行的。
使用计算机建立一个虚拟的数学模型，将模型中存在的物理和化学特征用数学方程来描述。
然后，使用各种仿真软件将这些方程转化为计算机程序以进行计算。
仿真软件可以在不同的平台上使用，包括 MATLAB、ANSYS、COMSOL Multiphysics、SolidWorks等。
通过热设计仿真，设计师可以快速和准确地确定系统热力学性能，并评估不同设计方案对系统的影响。
此外，如果系统设计中有任何问题，热设计仿真还可以帮助设计师找到问题的根源，从而提供解决方案。
1. 发动机设计：在发动机设计中，热设计仿真可以帮助设计师确定发动机的热量和温度分布，以及各个部件的温度和应力情况。
由于发动机在工作过程中必须承受极端高温和高压，因此热设计仿真对确保发动机的性能和可靠性至关重要。
2. 电子设备设计：现代电子设备通常需要通过散热器、风扇和其他冷却装置来控制温度并保持设备性能。
在电子设备设计中，热设计仿真可以帮助设计师确定如何最有效地利用散热器和其他冷却装置来控制设备的温度。
3. 汽车制造：在汽车制造中，热设计仿真可以帮助设计师确定引擎冷却系统的最佳设计，包括水泵、散热器和热交换器等。
此外，热设计仿真还可以帮助设计师确定制动系统的最佳散热设计，以确保系统在高温下运行时保持性能和稳定性。
第6章换热器单元模拟 ppt课件
换热器单元模拟
6.1 概述 6.2 加热器Heater 6.3 换热器HeatX 多物流换热器MHeatX 热通量换热器HXFlux
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。如：开水锅炉、水杯、冰箱、空调等。
换热器是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。通常，在化工
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。
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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
不涉及功率）、阀门（仅改变压力，不涉及阻力）
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
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。
结果查看
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6.3 换热器HeatX
2020/12/27
17
6.3 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。
浅析工程设计中的热设计仿真
浅析工程设计中的热设计仿真摘要：现阶段由于我国电子元器产品的功能更加多样化，也推出了一系列具有多功能、高质量的元件，并针对设备的热设计仿真有着更多的解释。
在此情形下，热设计仿真技术应当保障设备及内部零件有着较高的质量，并使内部器件的运行效果更加高效。
因此，本文首先介绍了热设计仿真中的Icepak 软件，其次讲述了热设计仿真的流程，最后研究了热设计仿真的效果。
关键词：工程设计；Icepak 软件；热设计；仿真当前电子元器件在应用的过程中，其中比较重要的参考指标及因素就是元器件运作时的温度高低，并且操作人员需要关注热设计仿真的分析过程中，还需要不断地对热设计仿真的工作进行探究。
这样的设计工作能够使预期的热设计仿真技术最终的结果更加理想化，保障内部设备及器件的高效性，使其寿命得以延续。
所以说，热设计仿真人员应当具备电子元器的软件设备 Icepak 软件的知识，最终使电子元件和设备具有较高的可靠性。
1 介绍Icepak 软件其实对于Icepak 软件来说，其主要是用以热分析设计中的一种软件，并且在初期实践中具有较高的应用价值，还有效地降低电子产品所具有的热设计仿真计算量，在将来还有着宽广的市场。
此外，Icepak 软件还可以在设计实践中实现多种问题的研究、处理，最终保障电子产品热分析技术更加高效。
Icepak 软件还有如下几点特征：Icepak 软件有着更快的建模速度，并且还可以帮助模型库更加全面、多方位，能够针对电子产品的需求对问题加以处理，使问题具有更好的解决方案及效果。
Icepak 软件具备过硬的自动生成网络的功能，能够使电子产品具有更高的精度，保障其运行中具有更高的效率。
Icepak 软件的模型在应用过程中往往具备较好的运行效果，能够帮助模型的构建更加具体、高效，最终使电子元器件的问题得到解决。
此外，该软件还有着较强的处理功能作为后盾，能够使热分析仿真的数据结果更加清晰。
所以说，工程设计应当更多地研究热设计仿真，并规范地运用 Icepak 软件。
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HeatX——管翅结构 (2)
HeatX——管翅结构 (3)
HeatX——挡板结构
有两种挡板结构可供选用： 1、圆缺挡板 Segmental baffle 2、棍式挡板 Rod baffle 从挡板(Baffles)表单中进行选择并 输入有关参数。
HeatX——圆缺挡板
Segmental Baffle
HeatX——管嘴（2）
HeatX——结果查看
HeatX 最 重 要 的 是 热 参 数 结 果 (Thermal results)，其下包括五张表单： • 概况 Summary • 衡算 Balance • 换热器详情 Exchanger details • 压降/速度 Pre drop/velocities • 分区 Zones
HeatX——压降/速度（2）
HeatX —— 分区
分区表单给出了换热器内根据冷、热 流体相态对传热面积分区计算的情况，包 括各区域的热流体温度、冷流体温度、对 数平均温差、传热系数、热负荷和传热面 积信息。我们可根据此信息分析换热方案 是否合理以及改进设计方案的方向。
HeatX —— 分区（2）
详细计算采用后两种方法
HeatX—— U-膜系数法
膜系数法根据换热器的几何结构 和流动情况分别计算热流体侧和冷流 体侧的传热膜系数(Film coefficients)， 根据管壁材料和厚度计算传导热阻， 再 结 合 给 定 的 污 垢 热 阻 因 子 (Fouling factor)计算出总传热系数U。
HeatX——圆缺挡板（3）
HeatX——棍式挡板
Rod Baffle
HeatX——棍式挡板（2）
棍式挡板需输入以下参数： 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
总传热系数方法 ( U methods )
• 常数 ( Constant )
• )
• 幂函数 ( Power law expression )
• 换热器几何结构 ( Exchanger Geometry )
• 传热膜系数 ( Film coefficients )
对上例选用下述换热器进行详细核算：
外壳直径：325 mm ， 公称面积：10 m2， 管长：3 m ，管径： 192 mm ，管数：76 ， 排列方式：正三角，管程数：2 ，壳程数：1， 折流板间距：150 mm ， 折流板缺口高度：79 mm
HeatX—— U-膜系数法
(2)
HeatX—几何结构
详细计算时需输入换热器的几何 结构参数。从数据浏览器左侧的目录 树中选择几何(Geometry)项目，然后 在右侧的壳程(Shell)、管程(Tubes)、 管翅(Tube fins)、挡板(Baffles)和管嘴 (Nozzles)表单中输入相应的数据。
HeatX——圆缺挡板（2）
圆缺挡板需输入以下参数： 所有壳程中的挡板总数 No. of baffles, all passes 挡板切割分率 Baffle cut (fraction of shell diameter) 管板到第一挡板的间距 Tubesheet to 1st baffle spacing 挡板间距 Baffle to baffle spacing 壳壁/挡板间隙 Shell-baffle clearance 管壁/挡板间隙 Tube-baffle clearance
HeatX——换热器详情（2）
HeatX——压降/速度
压降/速度表单给出了流道压降 (Exchanger Pressure drop)、管嘴压降和总 压 降 ； 壳 程 错 流 (Crossflow) 和 挡 板 窗 口 (Windows) 处 的 最 大 流 速 及 雷 诺 数 (Reynolds No.)；管程的最大流速及雷诺数 等有用的信息，我们可以根据这些信息调 整管程数，挡板数目和切割分率，以及管 嘴尺寸。
HeatX—管程参数（2）
HeatX—壳程类型
壳程类型包含六种结构供选用：
HeatX—壳程类型（2）
HeatX—其它壳程参数
HeatX——管程参数
管程(Tubes)表单中包含以下参数： • 选择管类型 Select tube type 裸管 Bare tube 翅片管 Finned tube • 管程布置 Tube layout 总管数 Total number 管长 Length 排列模式 Pattern 中心距 Pitch 材料 Material 导热系数 Conductivity
HeatX —— 概况
概况表单给出了冷、热物流的 进、出口温度、压力、蒸汽分率 (Vapor fraction)，以及换热器的热负 荷(Heat duty)。
HeatX —— 概况
(2)
HeatX——换热器详情
换热器详情表单给出了需要的换热器 面积(Required exchanger area) 、实际的换 热器面积(Actual exchanger area) 、清洁 (Clean)和结垢(Dirty)条件下的平均传热系 数(Avg. heat transfer coefficient)、校正后 的对数平均温差(LMTD corrected) 、热效 率 (Thermal effectiveness) 和 传 热 单 元 数 (Number of transfer units)等有用的信息。
HeatX—几何结构（2）
HeatX—壳程参数
壳程(Shell)表单中包含以下参数： 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 strip pairs 管程流向 Direction of tubeside flow 壳内径 Inside shell diameter 壳/管束间隙 Shell to bundle clearance
HeatX — 应用示例 (1)
用1200 kg/hr饱和水蒸汽 (0.3 MPa) 加热2000 kg/hr 甲醇 (20 ℃、0.3 MPa)。 离开换热器的蒸汽冷凝水压力为0.28 MPa、过冷度为2 ℃。换热器传热系数 根据相态选择。求甲醇出口温度、相 态、需要的换热面积。
HeatX — 应用示例 (2)
HeatX——管程参数（4）
HeatX— 列管排列模式
HeatX——管翅结构
对于翅片管，还需从管翅(Tube fins)表 单中输入以下参数： 翅片高度 Fin height 翅片高度 / 翅片根部平均直径 Fin height /Fin root mean diameter 翅片间距 Fin spacing: 每单位长度的翅片数 / 翅片厚度 Number of fins per unit length /Fin thickness
HeatX—详细计算 (2)
HeatX— 详细计算 (3)
压降 ( Pressure Drop )
• 分别指定热侧和冷侧的出口压力
( Outlet pressure )
• 根据几何结构计算
( Calculated from geometry )
HeatX—— 详细计算 (4)
HeatX—— 详细计算 (5)
per baffle
HeatX——棍式挡板（3）
HeatX——管嘴
管嘴即换热器的物料进出接口，需从 Nozzle表单中输入以下参数： 输入壳程管嘴直径 Enter shell side nozzle diameters 进口管嘴直径 Inet nozzle diameter 出口管嘴直径 Outlet nozzle diameter 输入管程管嘴直径 Enter tube side nozzle diameters 进口管嘴直径 Inlet nozzle diameter 出口管嘴直径 Outlet nozzle diameter
HeatX——管程参数（2）
HeatX——管程参数（3）
管程参数还有管尺寸(Tube size)， 可用两种方式输入：
实际尺寸 Actual 内径 Inner diameter 外径 Outer diameter 厚度 Tube thickness 三选二 公称尺寸 Nominal 直径 Diameter BWG规格 Birmingham wire gauge
CAPD基础 第六讲
Simulation Design of Thermal Processes
热过程单元的仿真设计
（二）
HeatX—详细计算
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换热面积、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。