HTRI手册中文Word文件下载.docx

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（2）板式：

板翅式、平板式、螺旋板式

（3）管式：

空冷器、套管式、喷淋管式、箱管式

（4）液膜式：

升降膜式、括板薄膜式、离心薄膜式

（5）其他型式：

板壳式、热管

2．按换热器服务类型分类：

（1）交换器（Exchanger）:

在两侧流体间传递热量。

（2）冷却器（Chiller）：

用制冷剂冷却流体。

制冷剂有氨（Ammonia）、乙烯、丙烯、冷却水（Chilledwater）或盐水（brine）。

（3）冷凝器（Condenser）：

在此单元中，制程蒸汽被全部或部分的转化成液体。

（4）冷却器（Cooler）：

用水或空气冷却，不发生相变化及热的再利用。

（5）加热器（Heater）：

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。

（6）过热器（Superheater）：

高于蒸汽的饱和蒸汽压进行加热。

（7）再沸器（Reboiler）：

提供蒸馏潜热至分流塔的底部。

（8）蒸汽发生器（Steamgenerator）（废热锅炉（wasteheatboiler））：

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。

（9）蒸馏器（Vaporizer）：

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。

（10）脱水器（Evaporator）：

将水蒸气浓缩为水溶液通过蒸发部分水分以浓缩水溶液。

1.2换热器类型

●管壳式换热器（ShellandTubeExchanger）：

主要应用的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。

为避免折流板太厚，壳侧设计压力低于10psi，最好小于等于5psi（0.35Kg/cm2G），设计温度小于180℃；

压降较大，为E壳程的8倍。

G分裂流，折流板在中间，把流体分为两股；

H→DoublesplitFlow双分裂流

J→Dividedflow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→KettleReboiler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→CrossFlow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。

1.3换热器壳型及封头选取小结

（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

－从价格上来说：

B_U<

DEU<

N_N<

B_M<

A_S.

●套管式换热器/翅片管式换热器（Jacketedpipe/HairpinExchanger）：

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（PlateandFrameExchanger）：

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（Aircooler）：

程序中未加入风扇的相关性能，如功率、风量等。

－后封头

（1）L、M、N（固定管板式）应用在无需对壳侧进行机械清洗或检查；

或者壳侧可进行化学清洗的场合；

（2）U-Tube：

管外侧可用机械清洗，不能应用在管侧污垢较大的情况；

（3）Ttype（Pull-throughfloatinghead）：

管束和壳之间的距离相对较大，因此在同壳径的情况下排布的管子数比其他的要少；

（4）Stype（Split-ringfloatinghead）：

壳侧和管侧都可进行机械清洗，但需要人工把管束抽出。

二、ISTHTRI的应用

2.1方法类型（Methodmode）

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）

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Designmode以确定初步优选方案，继而选择Simulation及Ratingmode,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（Bafflecut）等参数细部计算及微调以符合设计要求。

（1）热交换器中工艺流体为局部冷却（subcooling）时，使用的类型为dambaffle；

（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）InputSummary-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InputSummary-Geometry-Optional下选择相应的项目为“Yes”；

（5）Designmode下run程序时，Input-Geometry-tubes下的tubecount处选择Rigoroustubecount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。

2.3测量单位设置

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；

SetUnits：

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：

Fluidallocation（流体分配）Tubelayoutangle（管排列角度）Baffletype（折流板类型）

Tubewallthickness（换热管厚度）TEMAshellstyle（壳类型）Tubediameter（换热管直径）

Numberofcrosspasses（折流通道数目）Tubepitch（换热管倾斜度）Numberoftubepasses（管程）

Tubelength（换热管管长）Shelldiameter（壳径）Tubetype（plainorlow-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。

2.4流体分配－FluidAllocation

一般而言，下列情况介质走管程：

（1）腐蚀性介质，可降低对壳侧材料的要求；

（2）毒性介质，泄漏的几率小；

（3）易结垢的介质，便于清洗和清扫；

（4）高压流体，可减小对壳体的机械强度的要求；

（5）高温介质，可改变材质，满足介质要求；

（6）如果壳侧流体是曾流，可放管侧，看能否达到湍流；

（7）循环冷却水在管侧流动。

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。

（8）冷却水的污垢热阻在水温超过125℉（52℃）时应引起注意。

允许压降（AvailablePressureDrop）：

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。

换热器压力降参考值表

操作压力P（MPa）

压力降ΔP（MPa）

0～0.1（绝压）

P/10

0～0.07（表压，下同）

P/2

0.07～1.0

0.035

1.0～3.0

0.035～0.18

3.0～8.0

0.07～0.25

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）；

（2）建造要求限制了管束的数量，压降在管侧不能有效利用，尝试利用足够的折流板来有效利用壳侧的压降；

（3你的设计目标是传递尽可能多的热量，但压降不要太多。

（流体流动导致的管振动会限制你的设计）；

（4）传热膜系数较小的物流（如气体）应走壳程，这样易于提高传热膜系数；

（5）饱和蒸汽及被冷却的流体走壳程；

（6）高黏度流体。

如果一个流体的压降是可以控制，而设计的热传递是受其他流体制约，那么流体的放置位置对最佳设计不会产生太大的影响，要小心研究这样的案例。

对压力降有特定要求的物料要走管程，因其传热系数和压降计算误差较小。

2.5HTRI主功能按钮

Input

当你打开软件时就出现，在此用来指定模拟需要的基本的输入参数

Reports

在模拟完成后显示最后的结果

Graphs

在模拟完成后创建图表和曲线图

Drawings

显示换热器的图片，可以显示模拟前和模拟后的换热器的图

Shells-in-Series

当你运行一个Shells-in-Series模拟时自动被选中，当模拟进行时，显示一个中间条件

Design

当你运行一个Design模拟时自动被选中，显示所有的Design运行结果

2.5.1Input

为新的换热器的模拟输入数据，第一个是Inputsummary，其下面包含Geometry、Piping、Process、HotFluidProperties、ColdFluidProperties、Design和Control。

需要输入数值的地方都以红框显示，软件默认值及单位都已显示在窗口上。

（1）Geometry：

换热器的类型选择。

包括以下几个部分：

－ShellGeometry：

确定壳程的几何参数。

在Rating和Simulation模式下，壳内径（ID）是唯一需要输入的数据。

有三种单位类型：

SI：

mmMKH：

mmUS：

inch

ID项Designmode不需填入壳的内径尺寸，Ratingmode时参考Designmode计算后的结果,填入数值并根据结果进行调整（16"

以下为pipe，16"

以上常以50mm为进阶单位）。

换热器的壳径越大，单位传热面积的金属耗量则越低，但注意：

壳径不要大于1000inch（约25米）；

壳类型（Shellstyle）影响热传递和压降。

TEMA中E型是最常用的类型，代表单壳程，其他字母代表的作用是用来平衡热传递和压降要求。

例如，TEMA标准中X壳程有最小的壳侧压降。

定位（Shellorientation）：

有两种：

●水平（Horizontal）：

最常用的选择，TEMA中E壳程经验定位为垂直，其余的常定位为水平；

●垂直（Vertical）：

应用在以下几个方面

1.简化的换热器模型；

2.垂直管侧热虹吸；

3.许多防止相分离的进料/出料换热器；

4.当要求过冷时管侧冷凝。

要记住IST不处理壳侧下流沸腾或上流冷凝，两相管侧流体的多管程系统换热管不能垂直定位。

当壳侧为单相流、管侧冷凝且管程为单管程时是允许有倾斜的（倾斜角度1-20度）。

利用壳侧的倾斜确保冷凝物的排出。

当温度差校正系数小于0.8时，应采用多壳程。

但由于壳程隔板在制造、安装和检修方面都很困难，故一般不采用，常用的方法是将几个换热器串连使用，以代替多壳程。

a）两个单壳程换热器串连→numberofshellsinseries设置为2，最好不要超过10；

b）2壳程应是根据分流型式，选择壳体型式为F、G或者H类型；

c）numbersofshellsinparallel是指多台换热器并联，即将输入物流平均分配到几个换热器中。

程序会平均分配总输入物流到各个换热器，然后利用分割后的流量和Geometry参数来计算单个换热器的性能。

但是最后给出的换热面积、热负荷等是所有换热器的总和。

流向（FlowDirection）：

流体在壳程中的流向与管程中的流体的流向的相对位置，仅对E壳程可用，有两项：

a）Flowin1sttubepass：

Cocurrent→同向；

Countercurrent→逆向。

一般选择后者，但是当冷却粘度较大流体时，顺流操作比逆流换热要好，因为冷流体可以获得较高的传热系数。

b）Flowintrain：

仅对两台或以上换热器串连时有用，Cocurrent→同向；

－TubesGeometry：

定义换热管几何参数，有管型、管长、管外径（OD，对低翅片管来说，输入光滑端的管子外径）、管厚（Wallthickness）、管间距（pitch）、管排列角度（Tubelayoutangle）、管程数（Tubepasses）和管子数（Tubecount）。

对于DesignMode，只需输入Pitch和Wallthickness，其他的数据有默认值或者可由IST自行计算。

●一般利用光滑管（plain），当壳程流体的膜传热系数只有管程的1/3时，需要采用低翅片管来强化传热（Low-finned），这时IST需要你输入翅片的几何参数。

如果你利用低翅片管（Low-finned）来冷凝，要记住较高的翅片密度会影响冷凝持续力，这时IST就会给出一个警告信息。

通常低翅片管只适用于污垢系数不大于0.00017m2K/W的介质，且流体对翅片没有磨蚀作用。

翅片的直径不应大于其基管直径，在管壳式换热器中不使用高翅片管，但在套管式和多管式套管换热器中可以使用纵向高翅片管。

●平均管厚（thickness）是必须要输入的，对于低翅片管，输入光滑端管的壁厚。

壁厚影响管侧流动面积，按下拉键可以从壁厚数据库中选择一个合适的壁厚。

管厚需要设备专业进行确认。

数据单位可以设置为BWG（BirminghamWireGage）。

管厚一般选择2.11mm。

●管间距也是必须要输入的，有三个数据：

1.25、1.3333和1.5，根据需要选择一个。

●排列角度有4个：

30、45、60和90度。

其中30度最常用，固定管板式换热器大都是30度布置（除再沸器外）；

浮头式换热器多采用30度和60度排列方式；

正方形（90度）和旋转正方形（45度）布置形式用于壳侧为黏性流体的情况，适用于当进行机械清洗时需移动管束的情况。

45度多用于壳程单相层流、易结垢、冷凝工况；

90度可使壳程气相更好逸出。

30°

/60°

排管：

在相同壳体内比其他排管方式可多排15%管子，但壳程无法机械清洗。

相同管心距和流量下，壳程传热膜系数（h0）和压降降低的顺序为：

＞45°

＞60°

＞90°

。

要注意换热管的排列角度是由流过管子的流体决定的，而不是完全由管束的定位方向决定。

三角形布置有利于壳程物流的湍流；

正方形和旋转正方形布置有利于清洗。

壳侧压降：

●两相流多管程：

对管侧冷凝或单相流，IST假定第一管程在壳程的最上方；

对于管侧沸腾，IST假定第一管程在壳程的最底端。

这一点在管程布置窗口容易被忽略！

！

●Tubematerial：

从管子材料下拉列表中选择，或者输入管材的密度、导电性和弹性模数、最大无支持跨度。

这些数据在计算热阻、振动和重量估算时要用到。

当管内外流体均为腐蚀性流体时，采用双金属管。

●Type：

指定换热管类型，有两种：

光滑管（plain）和低翅片管（low-finned）。

●TubeOD－管外径：

输入管外径。

对于低翅片管，输入光滑端管子的外径。

下拉键中列出了标准管径，可以从中选取。

19mm的管子应用：

水走管侧的冷却器、较小传热面积的换热器、管侧污垢热阻小于0.00041HrM2℃/Kcal。

对于易结垢的物料，采用25mm的管子，或者管侧再沸，或者管侧污垢热阻大于等于0.00041HrM2℃/Kcal；

对于有气液两相流的物料，要选用较大的管径，如再沸器、锅炉等多采用32mm的管子；

对于直接火加热的采用76mm的管径。

●Tubepasses-管程：

指定换热器的管程，当换热器的换热面积较大而管子又不能很长时，为了提高流体在馆内的流速，须将管子分程。

IST允许的值有1、2、3、4、6、8、10、12、14、16，最常用的是1，2和4。

程数过多，导致管程流动阻力加大，动力能耗增大，同时多程会使平均温差下降，设计时应权衡考虑。

管程数Np可按下式计算：

；

u-管程内流体的适宜速度（m/s）；

-管程内流体的实际速度（m/s）。

然后再根据管侧的流速及压降进行调整。

●Tubecount-管子数：

指定换热器管子数。

对U型管来说，管子数指的是管板上的管孔数。

先参考Designmode下run出的数值填入（将计算数值打九折后取偶数根），然后再根据结果进行调整。

●管束的最大可移动重量为20吨。

管壳式换热器中常用的流速范围

流体的种类

一般流体

易结垢流体

气体

流速

m/s

管程

0.5～3.0

>

1.0

5.0~30

壳程

0.2～1.5

0.5

3.0~15

水的流速表（管内）

类别

管材

最低流速（m/s）

最高流速（m/s）

适宜流速（m/s）

凝结水

钢管

0.6～0.9

3.0

1.8~2.4

河水（干净的）

3.7

循环水（处理的）

海水

含铜镍的管

0.75～0.9

铝铜管

2.4

不同黏度流体的常用流速

黏度/cP

1500

1500~500

500~100

100~35

35~1

<

1

Vmax/m/s

0.6

0.75

1.1

1.5

1.8

●Length-管长：