第5章 Hysys模拟换热过程

逆流换热器 • 当下列假设满足时，可用最简单的表达式确定： 1)两种流体均为定态流动； 2)两种流体以逆流或并流方式流动； 3)在整个换热器内传热总系数保持为常数； 4)每种流体都只有显焓的变化，具有恒定的比热容； 5)热损失可忽略不计。
传热计算方程
Q U A Tm Tm FT f ( R, S ) TLM
Individual Heat Curve
加权模型（Weighted Model）
• 管程和壳程压降（Tubeside and Shellside Delta P） (指定或者由进出口物流压差获得） • UA （指定或计算） • 独立热曲线详细数据 （Individual Heat Curve Details）
Hysys换热器模型（Heat Exchanger Model）
• 换热器设计（终点） (Endpoint) • 换热器设计（加权） (Weighted) （理想逆流设计模型） • 稳态核算（Steady State Rating）,Endpoint • 动态核算（Dynamic Rating） – 适用于基础（Basic）模型和详细（Detailed）模型 – 也可以应用在稳态模式下的换热器核算
进行外部循环迭代来更新压力曲线方法： dPdH 常数 dPdUA 常数 dPdA 常数 入口压力 出口压力
稳态核算（Steady State Rating）模型
• 终点（End Point）模型的扩展 • 它增加了核算计算功能 • 需提供详细的几何尺寸信息
• 常用来处理热曲线呈线性或接近线性的问题
四、管程与壳程的确定
(1) 不清洁或易结垢的物料应当流过易于清洗的一侧，对 于直管管束，一般通过管内，直管内易于清洗； (2) 需通过增大流速提高 h 的流体应选管程，因管程流 通截面积小于壳程，且易采用多程来提高流速； (3) 腐蚀性流体宜走管程，以免管束和壳体同时受腐蚀； (4) 压力高的流体宜选管程，以防止壳体受压； (5) 饱和蒸汽宜走壳程，冷凝液易于排出，其 h 与流速 无关； (6) 被冷却的流体一般走壳程，便于散热； (7) 粘度大、流量小的流体宜选壳程，因壳程的流道截面 和流向都在不断变化，在 Re>100 即可达到湍流。
四、管程与壳程的确定
第二节 Hysys传热单元模型
• 换热器（Heat Exchanger） – 常规的一股热流与一股冷流的热量交换 • LNG Heat Exchanger – 多股冷流与热流的集中热量交换 • 冷却器/加热器（Cooler/Heater） – 以加热或者冷却工艺物流为目的的热量交换，仅计算 所需热负荷 • 空气冷却器（Air Cooler） – 以空气为冷却介质的热量交换，可计算所需空气量 • 火焰加热炉（加热炉）（Fired Heater (Furnace)） – 仅能作为一个动态单元操作使用
第5章 Hysys模拟换热与压力变化单元
换热设备的类型及应用
换热设备的应用 ◆ 定义
使传热过程得以实现的设备称之为换热设备。
换热设备的类型
◆ 按用途分类
冷却器 冷凝器 加热器 换热器 再沸器 蒸气发生器 废热(或余热)锅炉 加热炉 ◆ 按换热方式分类 直接接触式换热器 蓄热式换热器 间壁式换热器
换热设备性能对比及选择
◆换热器的基本要求
● 热量能有效地从一种流体传递到另一种流体，即传热
效率高，单位传热面上能传递的热量多。
● 换热器的结构能适应所规定的工艺操作条件，运转安
全可靠，密封性好，清洗、检修方便，流体阻力小。
● 价格便宜，维护容易，使用时间长。
换热器选型应考虑的因素 ● 流体的性质。
● 换热介质的流量、操作温度、压力。
壳串联
壳并联
TEMA标准换热器与GB标准换热器
Design—核算选项卡
页面 尺寸（Sizing） ������ 参数（Parameters） （仅用于动态）
Design—核算选项卡
Sizing页面
三个单选按钮分组: ������ 总体（Overall） ������ 壳程（Shell） ������ 管程（Tube）
Design—核算选项卡
• 非常适合处理非线性热量曲线问题 单侧或双侧纯组分相变问题 • 热曲线（Heat Curve）被分成几个区间， 在每个区间中执行能量平衡计算 • 热曲线的每个区间的LMTD 和UA 都被计算 出来，然后加和计算换热器总UA • 只能在逆流换热器中可用 – 影响Ft 修正因子的几何尺寸不被考虑
本质上是一个能量和物料平衡模型
计算类型
计算类型
核算 给定热负荷 给定管程出口温度
计算变量
热负荷 管程或壳程出口温度 管程或壳程出口温度 根据热阻求所需要的换热面积 热负荷 壳程出口温度 根据换热面积求热阻 根据热阻求所需要的换热面积 热负荷 管程出口温度 根据换热面积求热阻 根据热阻求所需要的换热面积
给定壳程出口温度
1. 换热器（Heat Exchanger）模拟原理
被指定/计算得到 指定计算热曲线的方式
Individual Heat Curve
参数 区间数（Intervals） 描述 区间的数量
露点/泡点(Dew/Bubble 为相变添加一个露点或泡点到热曲线上（温度为Y Point) 轴，Heat Flow为X 轴) (有相变体系必须选定） 步长类型（Step Type） ������ ������ ������ 独立热曲线 （Individual Heat Curve Details） 等焓（Equal Enthalpy） 等温（Equal Temperature） 自动间隔（Auto Interval.）
Design—参数选项卡
• 热泄漏（Heat Leak – 由于泄漏导致冷侧负荷的缺失。负荷增加反映为温度 的上升。 • 热损失（Heat Loss） – 由于泄漏导致热侧负荷的缺失。负荷减少反映为温度 的下降。
Design—规格选项卡
用来管理多种规格参数和解算信息
Design—规格选项卡
解算器组（Solver Group）
Design—连接选项卡
Design—参数选项卡
Design—参数选项卡
• 换热器模型（Heat Exchanger Model
– – – – 换热器设计（终点） (Endpoint) 换热器设计（加权） (Weighted) 稳态核算（Steady State Rating）,Endpoint 动态核算（Dynamic Rating）
标准换热器负荷方程 其中：M=流体质量流率 H=焓 leak Q =热量泄露 loss Q =热量损失 Balance Error =换热器规格参数，大多数软件将其视为0 hot 和cold =热和冷流体 in 和out =入口和出口物流
传热推动力----对数平均温差
T1 T2 Tlm ln(T1 / T2 )
Design—规格选项卡
未知变量组（Unknown Variables Group） 列出所有未知的换热器 （Heat Exchanger）变量 单元操作开始解算后，这 些变量的值就会显示 规格参数组（Specifications Group）
最小临近值 （Minimum Approach）--最小内部温度临近值。冷、热 物流之间的最小温差
三、管壳式换热器的型号
• 器
• 例如：
AES 500-1.6-54-6/25-4 I
• 平 盖 管 箱，公称直径500m m，管程和壳程设计 压力均为1.6 MPa，公称换热面积54m2,碳素钢较 高级冷拔换热管外径25mm，管长6m,4管程，单 壳程的浮头式换热器
第1节 管壳式换热器
一、管壳式换热器的类型
◆ 固定管板式换热器
固定管板式换热器
1—封头；2—法兰；3—排气口；4—壳体；5—换热管；6—波形膨胀节；7—折流 板（或支持板）；8—防冲板；9—壳程接管；10—管板；11—管程接管；12—隔板； 13—封头；14—管箱；15—排液口；16—定距管；17—拉杆；18—支座；19—垫片；20、 21—螺栓、螺母
总体(Overall按钮)页面参数：
壳程通道数（Number of Shell Passes） 1-7 串联壳的数量（Number of Shells in Series） 并联壳的数量（Number of Shells in Parallel） 每个壳的管程通道数（ Tube Passes per Shell） 换热器布置方式（Exchanger Orientation）（动态用） 第一根管程流动方向（ First Tube Pass Flow Direction） 高度（基座）（Elevation） （动态用） 换热器型式（Heat Exchanger） （TEMA系列）
二、管壳式换热器的结构
◆管壳式换热器流体的流程
一种流体走管内、称为管程，另一种流体走管外、称为壳程。 管内流体从换热管一端流向另一端一次，称为一程；对U形管换热器， 管内流体从换热管一端经过U形弯曲段流向另一端一次，称为两程.
◆ 管箱
管箱位于壳体两端，其作用是控制及分配管程流体。
管箱结构形式 1—隔板；2—管板；3—箱盖
2.1、heat exchanger
总传热量：Q=UA ΔTLMFt
• 换热器（Heat Exchanger）可以完成两侧的能量 和物料平衡计算。 • 可以解算温度、压力、热流量（包括热损失和热 泄露）、物料流股流量以及UA值。
– UA--总传热系数（Overall Heat Transfer Coefficient）与总有效传热面积的乘积
T2
T1
最小传热温差
Tm FT Tlm
R
S
K
t2
t1
Thot (in ) Thot (out ) Tcold (out ) Tcold (in )