第5章 Hysys模拟换热过程

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
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
壳串联
壳并联
TEMA标准换热器与GB标准换热器
• 换热器（Heat Exchanger）根据冷热流体间的能量平衡原 理进行计算。 • 热流体向冷流体提供换热器（Heat Exchanger）负荷：
Balance Error (M cold [Hout Hin ]cold Qleak ) (M hot [Hin Hout ]out Qloss )
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。
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
终点模型（End Point Model）
• 模型的主要假设如下： ������ 总传热系数 U 为常数 ������ 壳程和管程物流的热容都为常数 • 由标准换热器负荷方程计算。 总传热系数 可用传热面积 对数平均温差（LMTD） 冷热流传热方程：
Balance Error ( Mcold [ Hout Hin ]cold Qleak ) ( M hot [ Hin Hout ]out Qloss )
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）
• 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
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）
终点模型（End Point Model）
终点模型（End Point Model）
• 将换热器（Heat Exchanger）两侧的热曲线都作 为线性曲线来处理。 • 适用于没有相变并且Cp 相对变化很小可视为常数 的简单问题
终点模型（End Point Model）
加权模型（Weighted Model）
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。
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
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
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
加权模型（Weighted Model）
加权模型（Weighted Model）
参数 管程和壳程压降 （Tubeside and Shellside Delta P） UA
独立热曲线详细数据 （Individual Heat Curve Details）
描述 自定义换热器管程和壳程压降（DP） /由进出口物流差给出
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）
T2
T1
最小传热温差
Tm FT Tlm
R
S
K
t2
t1
Thot (in ) Thot (out ) Tcold (out ) Tcold (in )
Thot (in) Tcold (in )
FT为LMTD 的修正因子，换热器的管程 与壳程布局有关。可通过相应的公式计 算
Tcold (out ) Tcold (in)
三、管壳式换热器的型号
• 国标换热器
TEMA标准换热器与GB标准换热器
• 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
◆ 浮头式换热器
浮头式换热器 1—防冲板；2—折流板；3—浮头管板；4—钩圈；5—支耳
浮头式重沸器 1—偏心锥壳；2—堰板；3—液面计接口
◆ U形管式换热器
U形管式换热器 1—中间挡板；2—U形换热管；3—排气口；4—防冲板；5—分程隔板
◆ 填料函式换热器
填料函式换热器
1—纵向隔板；2—浮动管板；3—活套法兰；4—部分剪切环； 5—填料压盖；6—填料；7—填料函
Байду номын сангаас
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）
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.）
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 )
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
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
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
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