基于HTRI的冷凝器优化设计设计说明.docx
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基于HTRI的冷凝器优化设计设计说明
本科毕业设计
题目：
基于HTRI的冷凝器优化设计
学生：
王健
学号：
09031621
专业班级：
化学工程与工艺09-6班
指导教师：
郭晓艳
2013年6月15日
基于HTRI的冷凝器的优化设计
摘要
本文通过一些典型例题：
饱和蒸汽冷凝、含不凝气的蒸汽冷凝、油品冷凝冷却。
通过对这些例题的详细计算，在论文中详细叙述了在设计过程中需要考虑的因素，例如选型、工艺流体温度、管长、管径、折流板间距、折流板等。
给出了这些因素的调节围，帮助学习者有一个直观的认识。
同时，在判断结果合理性方面，本论文给出了相应的数据围。
例如设计余量、流速、流型分布、热阻分配等。
使得学习者能够判断自己设计的换热器是否满足标准。
并且，本文首次对HTRI设计过程中软件本身给出的提示-warningmessage进行了总结以与给出了相关的解决方法，使得初学者在调节过程中能快速理解为何进行这样的调节。
为了充分使用aspenplus完善的物性包，本论文还加入了使用aspenplus进行油品物性数据的模拟以与相关的导入方法。
使得设计计算能够更准确。
关键词：
HTRI；换热器；冷凝器；优化设计
OptimaldesignofheatexchangerbasedonHTRI
Abstract
Thispapergivessometypicalexamples:
Saturatedsteamcondensate,condensationofsteamwhichcontainingnon-condensablegas,oilcondensate.Throughdetailedcalculationsoftheseexamples,wedescribedthefactorsaffectedintheprocessdesignsuchasequipmentselection,thetemperatureofprocessfluid,tubelength,diameter,bafflespacing,baffleplatesandsoon.wegivetherangeoftheadjustmentfactorsinthefactor.
Meanwhile,inthereasonableadjudgmentoftheresults,thepapergivesthecorrespondingdatarange.Suchasoverdesign,velocity,flowdistribution,thermaldistribution.Thisinformationisveryimportantforlearners.
Also,ThisisthefirsttimetosummarizethewarningmessageandthekeywhichwasgivebyHTRI.thiscanhelplearnersunderstadingtheirmethodofadjustment.
Inordertomakefulluseoftheaspenplus’sperfectpropertypackage,thisgraduationthesisalsogivethewayofusingaspenplustosimulateoilpropertiesandrelateddataimportmethod.Makesthedesigncalculationstobemoreaccurate.
Keywords：
HTRI;HeatExchanger;Optimaldesign
第1章前言
1.1课题研究背景与意义
我国的能源现状存在着两个突出的问题。
第一，能源结构不合理。
相比国外而言，我国能源效率利用率低，单位产品能耗高于世界同级水平。
第二，由于我国人口众多，虽然国能源储量较大，但人均水平处于世界人均水平较低地位。
因此,设计出一种能够大幅节能的设备具有重大的战略意义[1-4]。
换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，其性能对能量利用效率、产品质量、工艺系统的可靠性与经济型起着重要的作用，有时甚至起决定作用。
在石油、化工、能源等高能消耗工厂中，换热器数量占工厂总设备数目的40%左右，设备投资占全部投资的30%~40%左右，海水淡化工艺装置基本全有换热器组成[5]。
近年来，利用换热器对高低温热能回收带来了巨大的经济效益。
管壳式换热器由于结构稳定、操作弹性大、技术成熟、适用面广、使用材料围广等优点，是最为常用的热交换设备之一。
近年来，一些新型强化换热器的出现促进了管壳式换热器的发展。
随着换热器设计方法和传热技术的发展，管壳式换热器有了较大的改进和发展。
在换热器结构上，折流挡板由单弓形发展到双弓形、圆环形、螺旋形等来强化壳侧流体的流动以增强传热。
管程数有单程变化为双程、四程甚至六程等，从而增加了管程流速，减少结垢。
[6]在设计方法上，国际上有1962年成立的美国换热研究公司HTRI和1968年英国成立的传热与流体流动服务公司（HTFS，现为ASPENEDR）,其软件能较为快捷准确的模拟出换热器的换热效果。
国的中国寰球工程公司和石油化工总公司等制定了相应的设计规和技术标准，推动了我国换热技术的发展，对换热器的研究和设计作出了巨大的贡献[7]。
对设计的换热器通常有一些基本的要求：
首先需要满足石油、化工等生产工艺的换热要求，保证所设计的设备能在指定的情况下完成换热任务，正常工作；其次还需要保证换热器能够长时间的运行而不发生故障；再次，设计的换热器应尽可能结构紧凑、设备占用体积小、便于维修等特点。
最后，换热器的热量泄露少，阻力小，比较经济等。
HTRI软件作为国际上最为常用的换热器计算软件之一，在国也有很大的应用市场。
然而，在HTRI相关教程上十分稀少。
为了帮助学习者能够更快的了解相关计算，特编写此论文。
1.2换热器简介
1.2.1换热器分类
换热器作为传热设备随处可见，在工业中得到大量的使用，特别在耗能用量十分大的石油、化工等领域。
随着人类文明的进步，节能技术发展，所涉与的换热器越来越多。
对处在不同介质、工况、温度、压力下的换热器，结构和形式有着很大的不同。
其具体分类如下[8-13]：
1.按传热原理分类
直接接触式换热器两种介质接触，直接传递能量，实现传热。
传热量直接受接触面积影响。
常用为气体与液体的传热。
此类换热器主要以塔设备为主体，很难区分与塔器的关系，常归为塔式设备。
a）蓄能式换热器用量极少。
热介质先加热热容较大的物质，待所加热物质到达一定的温度后，冷介质以热固体为换热媒介得以升温，从而达到换热的目的。
b）管板式换热器此类换热器占总量的99%以上。
热物流通过某种导热系数较大的介质将能量传递到冷物流的换热器。
此类换热器通常成为管壳式、板式、板翅式或板壳式换热器。
2.按传热种类分类
a）无相变传热分为加热器和冷却器。
b）有相变传热一般分为再沸器和冷凝器。
再沸器又包括釜式再沸器、虹吸式再沸器、废热锅炉等。
3.管壳式换热器分类
a）固定管板式换热器
固定管板式换热器两端管板通过焊接的形式固定在壳体上。
换热管则采用胀接、焊接等方法与管板联结。
对于此类换热器，壳侧一般不清扫。
故一般对含有污垢或者腐蚀性介质安排走管程侧。
此类换热器是最为常用的类型，最为经济。
因此在设计换热器时首选固定管板式换热器。
b）浮头式换热器
当壳程侧与管程侧有较大的温差或较高的压力时，常采用此类换热器。
同时，由于管束可以抽出壳体之外，便于机械清扫。
因此，浮头式换热器也适用于管、壳程介质污垢系数较大，即管壳程都需要进行机械清理的场合。
c）U型管式换热器
管束膨胀可以通过U型管的弯曲部分变形来吸收，不受壳体的约束。
还可以进行机械清洗，结构比较简单。
因而造价比浮头式换热器低。
但是管程清洗较为困难，一般工艺设计让清洁流体走管程。
d）填料函式换热器
e）釜式再沸器
1.2.2管壳式换热器的结构和使用特点
换热器作为节能设备之一，在国民经济中有着十分重要的作用。
换热器的结构决定了换热器的性能。
设计者合理的结构设计能够发挥换热器的某种性能。
不同的换热环境有着不同的换热结构。
设计者想要设计一个高效、节能的换热器就必须了解换热器的结构特点。
管壳式换热器虽然种类繁多，但通常可以将其拆分为前封头、壳体、后封头。
不同结构的部件用不同的英文字母表示。
故换热器可以用三个字母来表示。
例如BES等等。
相对GB151-1999，TEMA标准相比而言，少了I、Q、O壳体。
TEMA分类与代号如图1-1所示：
图1-1主要部件与代号
1.浮头式换热器
表1-1换热器的主要部件（与图1-2到图1-5对应）
序号
名称
序号
名称
序号
名称
1
平盖
21
吊耳
41
封头管箱（部件）
2
平盖管箱（部件）
22
放气口
42
分程隔板
3
接管法兰
23
凸型封头
43
耳式支座（部件）
4
管箱法兰
24
浮头法兰
44
膨胀节（部件）
5
固定管板
25
浮头垫片
45
中间挡板
6
壳体法兰
26
球冠形封头
46
U形换热管
7
防冲版
27
浮动管板
47
导流筒
8
仪表借接口
28
浮头盖（部件）
48
纵向隔板
9
补强圈
29
外头盖（部件）
49
填料
10
壳体（部件）
30
排液口
50
填料函
11
折流板
31
钩圈
51
填料压盖
12
旁路挡板
32
接管
52
浮动管板裙
13
拉杆
33
活动鞍座（部件）
53
部分剪切环
14
定距管
34
换热管
54
活套法兰
15
支持板
35
挡管
55
偏心锥壳
16
双头螺柱或螺栓
36
管束（部件）
56
堰板
17
螺母
37
固定鞍座（部件）
57
液面计接口
18
外头盖垫片
38
滑道
58
套环
19
外头盖侧法兰
39
管箱垫片
59
圆筒
20
外头盖法兰
40
管箱圆筒（部件）
60
管箱侧垫片
图1-2AES、BES浮头式换热器
浮头式换热器最大的特点是管束可抽出，对由于温差造成的应力能够通过自由伸缩缓解，从根本上避免了温差应力的产生。
其优点是：
1）管束抽出方便，便于清洗管、壳程
2）适用于壳体与管子金属温差超过30℃时或者冷热流体的极限温差超过110℃的条件，不会造成因膨胀造成的泄露。
3）壳侧能够进行机械清理，能用于结垢比较严重的场合。
但也存在一定的缺点：
1）小浮头容易发生泄露。
2）结构相对复杂，造价相对较高。
2.U型管式换热器
图1-3BIUU形管式换热器
U形管式换热器最大的特点是采用U形管式换热器，管子两端固定在同一管板上，因管束可以自由伸缩，故对热膨胀的适应能力较强，多用于高温高压和管壳壁之间传热温差较大的工况。
其优点是：
1）管束可抽出进行机械清洗。
2）壳体与管束不受温差的限制。
3）管束可抽出进行机械清洗。
缺点是：
1）最外排管子U形弯曲段因为无支撑，可能因跨度大而造成流动诱发振动问题。
2）不可更换单根管子。
3.填料函式换热器
图1-4AFP填料函式换热器
图1-5AJW填料函式分流式换热器
填料函式换热器最大的特点是管束可抽出，壳体与管束间可自由滑动，从而吸收因温差而引起的热膨胀。
其优点是：
1）可用于高温差的工艺流体换热。
2）管束可抽出，能进行机械清洗，能适用于结垢比较严重和管束腐蚀严重的场合。
缺点是：
密封处易泄漏，不适于有毒、易挥发与贵重介质的场合。
第2章冷凝器设计
2.1冷凝器选型
因为本章主要介绍管壳式冷凝器，所以选型问题也仅限于管壳式冷凝器。
[10]
对冷凝器的选型，应根据实际情况进行分析，针对膜式冷凝的特点，结合正确的工艺计算，选择出适当的冷凝器。
对饱和气体冷凝和含不凝气的气体分别加以说明。
2.1.1饱和蒸汽冷凝
因为在传热、压降、清扫等方面分配比较合理，故一般情况下选择卧式壳程冷凝器。
1.当冷凝工艺流体量和冷凝器的型号一样时，卧式冷凝器的传热系数比立式冷凝器的传热系数的0.77（L/D）0.25倍。
2.壳程冷凝时，饱和蒸汽的压力降比管程的小。
3.当用水做冷凝介质时，冷却水走管有利于清洗产生的水垢，并且容易保证较高的流速，从而产生较大的传热系数。
对于饱和蒸汽冷凝，在特殊的情况下才不优先考虑卧式壳程冷凝。
1.当被冷凝的介质压力较高或严重腐蚀管材时，在管程冷凝比较合适，这样壳体可使用普通钢材，能够减少设备投资。
一般是指立式管程冷凝。
2.对冷凝传热系数较高的物料（水蒸汽、氨气等），可以选择立式冷凝器。
虽然冷凝膜传热系数比卧式的低，但如果冷却水沿管子壁成膜状流下，由于这样水的膜传热系数比水充满时的膜传热系数大，从而提高了总膜传热系数。
常用的立式氨冷器就是典型的例子。
2.1.2含不凝气的冷凝冷却过程
1.低压
通常采用卧式壳程冷凝器。
如果采用立式壳程冷凝器，在死角累计的不凝气不易排出。
同时冷凝液沿管壁流到折流版后，又在折流板的边缘落到下层折板上。
这样凝液就不能很好的与管子接触，也就得不到充分的冷却。
2.中压
近年来趋向采用立式管程冷凝，因为：
1）凝液呈降膜形状向下流动，对凝液的过冷有利。
2）中压状况气速较高，使凝液的液膜厚度薄，从而气膜的热阻低。
气速高时不凝气也不易在冷凝器里积聚。
3）在立式塔顶冷凝器中，气体与凝液始终充分接触，所以传热系数比卧式高。
4）压力降较低。
对立式冷凝器，当冷凝介质走壳程时，通过改变折流板间距能够获得较高的膜传热系数。
如果立式冷凝器的管壳程分配能够保证完全逆流（单管程、单壳程），凝液过冷效果就更好，可凝气的损失也越少。
3.高压
近来多采用卧式冷凝器，在设计时主要考虑采取合适的流速以免液体与气体分层。
2.1.3安装注意事项
1.卧式冷凝器
为了便于凝液的排出，安装时保持大约1%的坡度（角度小，对传热的影响忽略不计）。
同时折流挡板的切口保持与竖直，以利于排除凝液和不凝气。
2.立式冷凝器
为保证较大的传热系数，避免因气节式的两相流动引起的操作不稳定，管流体流动时需自上而下。
2.2冷凝器设计依据
2.2.1管壳式冷凝器类型的选择
1.封头
前封头的类型对换热器影响因素压降和热传递没有影响，但后封头的型式会对压降和传热产生影响。
1）一般前封头选择“B”。
2）对水冷却器，当管侧需要定期清洗时且管侧设计压力小于10bar（g）时前封头选择“A”型。
3）“M”型后封头一般为固定管板式换热器的选择，“S”型后封头为浮头式换热器选择。
4）对高压下操作的换热器，前封头一般选择“D”型。
2.壳体
1）“E”型较为经济，是选择壳体时的首选类型。
2）“F”型当换热器存在温度交叉或者需要多个换热器串并联时，可选择此类型壳体。
管程数必须为偶数。
3）“J”型当“E”型壳体压降不能满足要求时选择此类型壳体。
分为J21和J12两种类型。
即两个进口一个出口和两个出口一个进口。
2.2.2换热器合理压降的选择
较高的压降会有较大的流速，能导致较少的设备投资，但运行费用增高。
小压降与此相反。
所以，要在设备投资与运行投资之间进行经济分析。
下表列出常用换热器的压降值以供参考。
表2-1管壳式换热器的合理压降
操作情况
操作压力
合理的压力降
减压操作
P＝0100Kpa（绝）
P/10
低压操作
P＝070Kpa（表）
P/2
P＝701000Kpa（表）
35Kpa
中压操作（包括用泵）
P＝10003000Kpa（表）
35180Kpa
较高压操作
P＝30008000Kpa（表）
70250Kpa
2.2.3工艺条件经验温度的选择
1.为避免结垢，冷却水的出口温度一般低于60℃。
低温端温差在5℃之外，高温端温差应大于20℃。
对工艺流体的换热，低温端温差一般高于20℃。
2.采用多管程、单壳程，以水为冷却剂时，为防止产生温度交叉，冷却水的出口温度一般低于工艺物流的出口温度。
2.2.4管长
12.2m长的碳钢管，21.3m长的铜合金管通常在国不能够生产。
6m长的管子比较普遍。
在一样传热面积时，长管较好。
原因如下：
1.减少管程数，
2.减少压力，
3.每平方传热面的价格低。
由于国不能够生产太长的管子，国一般选用4~6m的管子。
在冷凝器中选用长管子会增大设备放置平台的钢结构面积进而增加费用。
对浮头式冷凝器会增加管子的抽出空间，从而增加设备的占地面积。
2.2.5管径与管壁
管径越小换热器越紧凑，造价也就越低。
但小管径会导致大压降。
因此，在设计换热器时，首先选用19mm管径来保证满足允许压降。
当设计易结垢的流体换热时，可选用25mm的管径，这样更方便清洗。
表2-2常用国换热管的规格
材料
钢管标准
外径mmx厚度mm
碳钢
GB8163-87
19x2
碳钢
GB8163-87
25x2
碳钢
GB8163-87
25x2.5
不锈钢
GB2270-80
19x2
不锈钢
GB2270-80
25x2
2.2.6折流板圆缺高度
单弓形圆缺型折流板的建议开口高度为直径的10~45%，双弓形折流板的建议开口高度为直径的15~25%。
2.2.7折流板间距
折流板间距影响到壳程流体的流速和流动状态，从而对传热速率产生一定的影响。
最小的折流板间距为壳体直径的1/5且不小于50mm。
建议的最大折流板间距为壳体直径的1/2。
2.2.8密封条
也称旁路挡板，主要防止bundle-shell的泄露流。
一般成对设置。
建议按照下面的数量进行设置。
DN小于500mm时，设置一对；DN在500~1000mm时，设置两对；DN大于1000mm时，设置三对较为适宜。
对固定管板式和U型管式换热器因为间隙不大，不必使用密封条。
对有相变的设备，由于密封条会影响气液相的分离，不建议使用密封条。
[14]
2.3HTRI设计判据
HTRI共三个计算模块。
分别包括核算、模拟、设计。
其中，设计（design）模式需要较少的工艺条件，软件根据提供的条件进行计算，初步得到其他缺少的几何结构，热传递系数和压力降等。
校核（rating）模式输入工艺条件和相关的几何参数，计算热负荷并通过不断的优化设计，得到最优化的合理结果。
设计模式和校核模式是最常用的计算模式，对经验丰富的设计人员，可以直接进行校核计算。
模拟计算是验证换热器热负荷是否满足要求。
HTRI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、管心距。
[15-16]
2.3.1管壳侧流速（velocity）
为防止结垢等不正常现象，管壳侧需要保证有一定的流速围。
常用流速如下表所示：
表2-3管壳式换热器中常用的流速围
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
表2-4水的流速表（管）
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
0.6～0.9
0.6～0.9
0.75～0.9
0.75～0.9
3.0
3.7
3.7
3.0
2.4
1.8~2.4
1.8~2.4
1.8~2.4
1.8~2.4
1.8~2.4
河水（干净的）
钢管
循环水（处理的）
钢管
海水
含铜镍的管
海水
铝铜管
2.3.2设计余量（overdesign）
对单相系统设计余量为0~5%，两相系统5~10%左右。
对于管壳式换热器，20~30%也是允许的，为了适应以后工艺条件变化。
2.3.3热阻（thermalresistance）
一般污垢热阻所占比例不宜超过50%。
2.3.4流型（flowfraction）
在HTRI设计结果report中，报告右下角给出了5种流体所占分率。
为保证换热器又较好的传热效率，建议B>0.6，E<0.15,A最好小于0.1，但不得大于0.2。
C一般小于0.1，F接近0。
若B流太小，E流太大，可增加折流板间距进行调整。
对C流，增加密封带（sealingstrips）或调节折流板数（crosspasses）值。
若F值过大，可调整管子的排列方式解决。
图2-1不同流型分布
流路A:
tube-to-baffleflow,leakageflow－折流板管孔和管子之间的泄漏流路；
流路B:
maincrossflow－－错流流路；
流路C:
bundle-to-shellflow,bypassflow－管束外围和壳壁之间的旁流流路；
流路E:
baffle-to-shellflow,leakageflow－折流板与壳壁之间的泄漏流路；
流路F:
TubefieldPassPartition,BypassStream－管程分程隔板处的中间穿流流路。
2.3.5Windowandcrossflow
对单弓形折流板，crossflow与window中较大值与较小值的比值在1.0~1.5之间，最好接近1；对NTIWbaffle，window/crossflow在2~3之间。
不满足要求可以调节bafflecut，但最大值不超过45%，最好在17~35%。
2.3.6常见warningmessage与解决方法
1.Thephysicalpropertiesofthehot（cold）fluidhavebeenextrapolatedbeyondthevalidtemperaturerange.checkcaculatedvalues.
热（冷）流体物性插值得到的温度超过了可用的温度围，检查计算值。
可以增大所设的温度围或者改物性包HTRI为VMGThermo，如果工艺设计已定，也可忽略此问题。
因为物性推算本来就是插值法得来，软件只是提醒一下超出温度围，对结果影响不大。
2.Aninternaltemperaturecrossexistsintheexchanger.theprogramhandlesthereverseheatflowproperlyinthecalculations,butyoumaywanttoconsiderchangingtheterminalprocessconditionstoavoidtheinternaltemperaturecross.
换热器存在温度交叉，软件在计算中适当的改变了流体的状况。
但是你也许会考虑改变工艺条件来避免这样的问题。
当管程数为1时不会存在温度交叉问题，但是对于多管程换热器出现此类问题时说明流体工艺流体不合适，试着增加传热温差或者更改流量等条件。
不可忽略。
3.Thedesignlogich
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