HTRI Xchanger Suite 5.0
HTRI Exchanger 使用手册
一、
换热器的基础设计知识
1、换热器服务类型主要有以下几种： 交换器: 在两侧流体间传递热量。
冷却器：用制冷剂冷却流体。一般的制冷剂选用氨、乙烯、丙烯、冷却水或盐水。 冷凝器：在此单元中，制程蒸汽被全部或部分的转化成液体。 冷却器：用水或空气冷却，不发生相变化及热的再利用。
加热器：增加热函，通常没有相变化，用如Dowtherm或热油作为热媒加热流体。 过热器：高于蒸汽的饱和蒸汽压进行加热。 再沸器：提供蒸馏潜热至分流塔的底部。
蒸汽发生器（废热锅炉）：用产生的蒸汽带走热流体中的热量。通常为满足制程需要后多余的热量。 蒸馏器：是一种将液体转化为蒸汽的交换器，通常限于除水以外的液体。 脱水器：将水蒸气浓缩为水溶液通过蒸发部分水分以浓缩水溶液。 2、换热器类型 ?
管壳式换热器(Shell and Tube Exchanger)：有浮头式和固定管板式两种。
－应用：工艺条件允许时，优先选用固定管板式，但下述两种情况使用浮头式：
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。 －命名是以TEMA的原则命名；
－壳侧类型(对压降和热传递产生重要影响)： E→程数为1，最常用；
F→程数为2，需用纵向挡板分流壳侧流体。使用范围：壳侧设计压力低于0.69barg，设计温度小于180℃；
G分裂流，折流板在中间，把流体分为两股； H→Double split Flow 双分裂流
J→Divided flow 分流，一进二出，无折流板，应用于冷凝过程中用来降低压降，压降值是E型的1/8； K→Kettle Reboiler再沸器，一般是热虹吸，常用于蒸发壳侧中所填充的液体，一般汽化率大于50～100%。通常液
体的高液位要浸没过换热管，需有液位控制；
X→Cross Flow 交叉流，要求壳侧压降和流速非常低，因此可降低换热管振动的可能性，但流量分布不均匀(在
壳侧入口处)是最大的一个问题。 小结：
(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
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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。
－封头选择(前封头的类型对压降和热传递没有影响，但后封头的型式会对压降和热传递产生影响)： (1) 通常选择选择“B”型作为前封头；
(2) 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； (3) 对于固定管板式，宜选择“M”型作为后封头；这种换热器类型应用于无需对壳程进行机械清洗及检查但
可用化学清洗的情况；
(4) 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；
(5) 对于外填料式浮头“P”和外密封式浮头“W”型的换热器不能在中国设计和制造； (6) 对高压换热器前封头宜选择D型；
(7) U型管式，管束外表面可用机械清洗的方法。U型管的结构不适用于污垢系数较大的情况，立式再沸器不
可选用U-Tube；
(8) 可抽换式浮头（后端浮头型T）：管束与壳之间的空间(Clearance)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。
－选型指导：壳侧和管侧有污垢：A_S； 管侧无污垢：B_U； 壳侧无污垢：
N_N；
壳侧和管侧无污垢：B_M 服务于高压：DEU
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套管式换热器/翅片管式换热器(Jacketed pipe/Hairpin Exchanger)：套管式换热器的优点是结构简单，能耐高压；缺点是单位传热面积的金属消耗量大，管子接头多，检修和清洗不方便。 ?
板式换热器(Plate and Frame Exchanger)：核心部件是金属板片，分为平板式、螺旋板式、板翅式和热板式四种。优点是结构紧凑，组装灵活，具有较高的传热效率，有利于维修和清洗；缺点是处理量小，操作压力和温度受密封垫片材料性能限制而不宜过高，一般工作压力在2.5Mpa以下，工作温度在-35～200℃。 ?
空冷器(Air cooler)：程序中未加入风扇的相关性能，如功率、风量等。
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二、IST的应用
1、Method mode
Rating（核算）
定义了换热器类型和足够的工艺条件后，软件来计算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）：定义了换热器类型和比Rating更少的工艺条件后，软件来计算热传递系数、压力降和热负荷。给出的热负荷是最大操作热负荷。 Design（设计）
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定义了换热器的大多数的几何结构和足够的工艺条件后，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。这一程序可以设计壳体类型、壳体直径、管长、管间距、折流板间距、折流板类型、管径和管心距。设计过程是交互式的，由用户来控制每一个几何参数的允许范围。 热虹吸再沸器：软件计算进口管道和出口管道的压降。 釜式再沸器：软件计算釜体直径和内部的再循环速率。
注意：一般做设计计算时先选择Design mode以确定初步优选方案，继而选择Simulation及Rating mode,调整壳和管的直径、折流板数(Crosspasses)、折流板间距(Spacing)、换热管数目(Tubecount)、折流板切口(Baffle cut)等参数细部计算及微调以符合设计要求。
2、设计要求：
(1)热交换器中工艺流体为局部冷却（subcooling）时，使用的类型为dam baffle；
(2)crosspass(折流板数目)在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； (3)Input Summary-control-safety下有一些系数在相应的情况下需填入数值以校正结果；
(4)若换热器为浮动头或者U形管，则需在Input Summary-Geometry-Optional下选择相应的项目为“Yes”； (5)Design mode下run程序时，Input-Geometry-tubes下的tubecount处选择Rigorous tubecount更保险； IST使用一个微软Windows界面来引导你进行换热器的核算工作。关于界面怎么使用的信息，有以下几种方式可以获得：
－即时信息：把鼠标指针放在激活的需要输入的区域，按F1键获得帮助； －所有需要输入的地方都用红色的框表示出来，这样可以帮助你避免漏掉什么； －当你输入的数据超出正常范围时，所输入的数据以红色表示，提示你输入有误； －在窗口最下面有一个状态栏，提示你输入的各种信息。
3、测量单位
操作界面上所有的单位标签都是活动的，可以利用它们来改变输入项目的单位。方法如下： （1） 单击输入界面上的单位，出现一个对话框
（2） 从对话框中选择你需要的单位，单击下面的三个按钮的一个：
Convert： 把单位和输入的数据同时转换； Set Units：只转换单位，不改变输入值 Cancel： 退出对话框，不作任何转换
这种单位转换是暂时的，如果你关闭软件后再次进入时，单位又恢复到默认值。
在开始一个模拟之前，要想一下在下面的区域要输入什么内容，并注意软件的默认值与你想要的一致： Fluid allocation（流体分配） Tube layout angle(管排列角度) Baffle type(折流板类型) Tube wall thickness(换热管厚度) TEMA shell style(壳类型) Tube diameter(换热管直径)
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Number of crosspasses(折流板数目) Tube pitch(换热管倾斜度) Number of tubepasses(管程) Tube length(换热管管长) Shell diameter(壳径) Tube type(plain or low-finned) 除了上述的换热器的几何参数外，还要输入工艺条件和物流的性质。上述的底划线表示的项目在“Design”条件下可以为空。
4、流体分配－Fluid Allocation
考虑哪个流体放在管侧，哪个流体放在壳侧。这非常重要，因为它影响其他许多设计。影响因素主要有以下几个：
流体压力(Fluid press)：一般而言，高压流体在管侧。因为具有高设计压力的壳管式换热器如果把高压流体放在管侧的话，其建造费用将会大大降低。
流体腐蚀性(Corrosion)：因为抗腐蚀的材料无一例外的都非常昂贵，因此腐蚀性流体要在管侧流动。 污垢和清洗(Fouling and Cleaning)：在大多数情况下，污垢是一个控制因素。因此，它对换热器的设计产生巨大的影响。下面的建议将对你有所帮助：
流速：数值大较好，对于管侧冷却水，速度大约1.83m/second（6 ft/second），快的流速可以有效抑制污垢的形成；
折流板设计：设计好Spacing和切割率，利用双分割折流板来避免壳侧易结垢流体的流速缓慢区的产生。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： （1） 一般把最容易结垢的流体在管内流动；
（2） 如果利用化学清洗法，把易结垢流体放在壳侧流动； （3） 如果管侧利用机械清洗法，那么利用直的水平安装管；
（4） 如果壳侧用高压清洗，那么管安装的倾斜度要大，45°或90°，这样也要求壳侧Diameter较大； （5） 当清洗必须要移动管束时，利用焊接的方式连接管子，因为接头处容易出现泄漏的危险。 （6） 当你认为壳侧结垢会很严重时，那就要慎重利用翅片结构管。 （7） 循环冷却水在管侧流动。
（8） 冷却水的污垢热阻在水温超过125�H时应引起注意
流体速度(Fluid Viscosity)：大多数情况下，把高黏度流体放在壳侧流动，因为当它流经管束时产生的紊流可以提高热传递系数。但是，如果壳侧流体是层流，尤其是翅片结构管，要考虑把它放在管侧流动。管侧的组合管由于其直径小可以使流动变为湍流。
允许压降(Available Pressure Drop)：决定哪个流体放在管侧，哪个流体放在壳侧。这样可以充分利用现有的压力降来进行传热。IST程序也利用此值来计算管口的尺寸。
壳侧流体：许多压降在壳和管之间形成的漩涡流产生，这样温度驱动力很小或者不存在。 下面的流体用于壳侧：（1）在管侧流体形成层流（在壳侧有可能是湍流）
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