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1、HTRI50 中文手册中文手册 HTRI Exchanger 使用手册 一、换热器的基础设计知识 1.1 换热器的分类 1按作用原理和实现传热的方式分类 (1)混合式换热器；(2)蓄热式换热器；（3）间壁式换热器 其中间壁式换热器按传热面的形状和结构分类：(1)管壳式：固定管板式、浮头式、填料函式、U型管式 (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

2、体。制冷剂有氨(Ammonia)、乙烯、丙烯、冷却水(Chilled water)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(Steam generator)（废热锅炉(waste heat boiler)）：用产

3、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(Shell and Tube Exchanger)：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

4、(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；HDouble split Flow 双分裂流 JDivided 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；KKettle 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 50100%。通常液体的高液位要浸没过换热管，需有液位控

5、制；XCross 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。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

6、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

7、”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 1.0 5.030 壳程 0.21.5 0.5 3.01

8、5 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 0.60.9 3.0 1.82.4 河水(干净的)钢管 0.60.9 3.7 循环水(处理的)钢管 0.60.9 3.7 海水 含铜镍的管 0.750.9 3.0 海水 铝铜管 0.750.9 2.4 不同黏度流体的常用流速 黏度/cP 1500 1500500 500100 10035 351 1 Vmax/m/s 0.6 0.75 1.1 1.5 1.8 2.4 Length-管长：系列标准钢管长度有：1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9和 12m。TEMA标

9、准管长：96、120、144、196、240inch(2438、3048、3658、4978、6096mm)。对于管子无支撑跨距超过上述规定值的 0.8倍时，应在管束间设置支持板。对 U型管来说，管长指的是管口到 U型弯曲部分的切线之间的距离，它包括了所有管板的厚度。另外，管长 L和壳内径 ID 的比例应适当，一般 L/ID46。无相变换热时，管子长，传热系数增加，管程数少，压降低；但是过长会给制造带来麻烦，首选3048mm 和 6096mm。换热管直径与管间距的选择：管外径 d 0/mm 10 14 16 19 25 32 38 管中心间距(pitch)/mm 14 19 22 25 32

10、40 48 Pitch Ratop 1.375 1.316 1.280 1.250 1.263 注：16mm 应用于进出料换热器，操作介质较干净，目前使用较少；19mm 的管子应用于以下情况：(a)管侧流体的污垢系数0.00034m2K/W；(b)水做冷却介质走管内；(c)污垢没有严格要求。25mm 的管适用于以下情况：(a)管侧流体的污垢系数0.00034m2K/W；(b)出于工艺设计考虑，如换热器的允许压降较小时。32mm 和38mm 的管子只是出于工艺设计考虑，如换热器的允许压降较小时。32mm 和 38mm 的管子只是出于工艺考虑，如换热器的允许压降较小时，目前使用较少。Tube若无给

11、定数值，则一般首选长 6m 或 3m，管外径 25.4mm 或 19mm，壁厚2.77mm 或 2.1mm，排列方式选 30度。Rigorous Tubecount：指定严格管数计算方法，如果你勾选了此项，IST就会应用此方法计算，在“Design”时一定要勾选此项！1.“Rigorous method”给出管束中每一根管的位置；2.“Rigorous method”评估管束中处于交叉位置的管子的数量，如果你选择了此方法，那么管子排列图片就不再可用。Tube thermal conductivity：指定管材料的热传导性。当你的管材不在 IST提供的材料库中时，就需要输入此值。Taper an

12、gle-锥形度：只应用在管侧逆流冷凝模拟中，设置管子底部的锥度。这一角度水平测量，其值范围 075。Tubepass Arrangement panel：换热器管束中管程的设置和通路的宽度设置。在此面板中，出现对称排列开关。Number of parallel passlanes：设定平行于交叉流的管通路的数量。对无折流板换热器，这里设置：1.水平壳程：垂直管通路的数量 2.垂直壳程：平行于壳侧管入口中心线的管通路的数量。Baffles Geometry：指定折流板的几何形状，定义其尺寸、类型、间距和其他一些设计参数，最重要的参数就是 Baffle Spacing和 Baffle Cut。除了

13、 K型壳程和 X型壳程外，其余所有的壳程类型都可以使用折流板。对核算和模拟来说，你必须输入任何一个壳程交叉路数或者中心间隔；其他数据可用默认值或由 IST计算。折流板类型(Type)如下：Single-segmental：最常用的折流板类型，能最有效的把压降转移到热交换中。Double-segmental：当你利用单折流板无法满足压降限制时，就可以使用双折流板方式。Segmental/NTIW：No-tubes-in-window（NTIW，弓形区不排管），即弓形缺口区（折流板窗口区）不布管，可保证所有管子都得到全部折流板的支承，一般用在当管振动破坏需要考虑时。它具备以下特点：a 压降只有单弓

14、形折流板的 1/3 左右；b 壳程流动均匀且类似理想管束、传热系数高、不易结垢；c 窗口区压降很小、旁路及泄流量小；d 弓形缺口区不排的管子大约 15%25%，可采用较小弓形缺口、提高壳程流速或适当调大壳径以便维持相同数量管子。None：无折流板 Cut orientation：切割定位，设置有以下几种：Program sets：default。IST 根据工艺条件、关口位置等设定，Design 时通常选择此项。Perpendicular(垂直)：当壳侧是沸腾流体时，考虑水平切割（管入口在上部的垂直切割）折流板或者垂直定向；在重力控制流体的流动时，垂直切割（管入口在上部的水平切割）折流板会引起

15、相分离。Parallel（水平）：如果折流板切割方向与管口中心线平行，折流板间隔的入口和出口就产生旁路，这样就降低了设备的性能。Cut：对大多数模拟，IST 会确定折流板切割方向，使得热传递和压降达到最优化，一般 2049%壳径，20%最佳（相同膜传热系数下压降最小），切口太大会形成滞流区，切口太小压降太大。水平切口：（1）少于 4管程的 U型管换热器；（2）壳侧是单相流体，且污垢系数不大于 0.00061m2h/kcal；(3)所有竖直安装的换热器。竖直切口：（1）两相流流体或“F”型换热器；（2）除水平切口所要求的换热器外，均为竖直切口。Crosspasses：你必须至少输入折流板数或主要

16、的折流板间隔中的一个数值。如果你两个都输入，并且你的数值与管长不一致的话，IST就改变折流板数但保留主要的折流板间隔数值。这个数值对计算的换热量和压降都产生影响。小的折流板间隔一般会增大流速和热传递系数，但它会增大压降并会导致换热管的振动。折流板主要间距低于 80的 TEMA最大间距可避免换热管振动的问题。较好的模拟点是折流板间距是壳内径的 40。Window area：窗口区域占整个区域（total window area-area of tubes in window）的百分比。如果你：输入这个数值IST 计算折流板切割高度；在折流板输入面板上指定折流板切割IST 忽略此区域的值；输入的值

17、超过最大值IST 忽略此值并设置折流板切割的最佳值。Spacing影响壳程物流的流向和流速，范围 1/5D1D，4050%D最佳，最小间距为壳程内径的 20，且不要小于 50mm，一般取值为壳内径的 3045。通常不是首选填写项，如需填写，则先参考 Design mode 下 run出的 crosspasses 值填入。折流板间距可以是不等距的，进口/出口间距大于板间间距。选中“Baffle Spacing”下的“variable”复选框，就可以在“Variable Baffle Spacing”面板中输入需要的间距。Clearance：所有的数据都是选填的，程序在计算后会给出默认值。这些值会

18、影响模拟的结果。如果管束和壳体的直径空隙大于 30mm，应首先考虑使用密封条。Nozzles(管口面板)：在此可以定义壳侧和管侧管口的尺寸、数量、位置和型式。尺寸要求：Nozzle的尺寸要小于等于 50%Shell ID，通常 Nozzle最小尺寸为 2。Number at each position（inlet and outlet）：软件默认值为 1。Nozzle IDs（inlet and outlet）：如果你输入了一个允许压降的最大值，IST 利用允许压降的 12.5来定义蒸气和两相管口的尺寸。每一个液相管口的尺寸定义利用了 5的允许压降；如果你未输入最大允许压降，IST利用允许最大

19、流速(声速的 20)的 25来定义蒸气和两相管口的尺寸，每一个液相管口的尺寸定义利用 0.5psi(3.447kPa)的压降；在处理两相流时，要指定一个液相管出口来排出液体。Shellside nozzle locations（与 U型管或壳侧纵向定位相关）：壳侧管口位置的默认值由工艺条件确定。对水平和倾斜壳程要指定入口管的位置：Top默认当壳侧为单相流或冷凝流体时、Bottom默认当壳侧为沸腾流体时、Side。壳侧为竖直时，默认入口管位置在前封头。指定与入口管位置相关的壳侧出口管位置：有三个选择，分别是 Program decides、Same side as inlet、Opposite

20、from inlet。一般 IST把水平壳侧冷凝的出口管位置放在底部，把水平壳侧沸腾的出口管放在顶部，软件的默认值是 Program decides。U型管，如果已知入口管在前封头，那要考虑出口管的位置；反之亦然。Inlet ID：指定壳侧和管侧的入口管内径；Number at each position：指定壳侧和管侧的入口管数量；Outlet ID：指定壳侧和管侧的出口管内径；Number at each position：指定壳侧和管侧的出口管数量；Nozzle Sizes：如果 IST计算管口尺寸的话，用以下表中的数据：壳侧管口最大尺寸：一壳程：ID90的壳程 ID；二壳程：ID80的

21、壳程ID；管侧管口最大尺寸：随着管程数量的不同而占壳程 ID的百分比不同。具体的比例如表二所示。表二：管程数 1 2 3 4 6 8 10 12 14 16 壳 ID 90 80 70 50 47 44 41 38 35 32 Impingement panel（缓冲挡板）：壳侧进口区域防冲板的类型和形状的设置。需要设置的情形：a)非腐蚀性单相流体：；腐蚀性单相流体：b)定义了壳侧冷凝；c)定义了壳侧沸腾并且入口管。防冲板的类型：圆盘(设置它的直径、厚度、防冲高度)、方形盘（长度、宽度、防冲高度）和棒格栅型（排数、直径）。(1)流体诱发振动(FIV)最容易产生破坏的区段：a.管束中两块折流板间

22、距最大的未支承的中间跨度；b.管束周边在弓形折流板口区的管子；c.U形管束的 U形弯处；d.壳程进口管口下的管子；e.管束旁流和管程分程隔板流道内的管子。(2)防 FIV设计及调整措施：a.减小无支承管跨:调整折流板间距 或 采用弓形区不布管，折流板间距值不小于1/5 的 Shell ID，流体全蒸汽或两相时最大值为 450mm；在改造项目中，有时相同的壳体设计，原本没有 FIV问题，但在仅改变换热管材质后也有可能会产生 FIV问题。例如，原设计是碳钢或合金钢管，更换为薄壁管如钛管，其刚性减小，因此需要比原设计增加支承板来避免 FIV产生。在改造设计或实际改造中有可能会遇到此类问题。b.设置

23、U形弯头支承；c.设置密封板/条以便增加流阻和限制在临界截面处的流动(如管束旁流区和分程隔板处)；d.减少壳程流量(较少采用，除必要时)或增大壳径；e.放大壳程进口管口；f.设置壳程进口防冲挡板；g.如果允许改变壳体形式，可将 E 型改为 X 或 J 型；h.改用双弓形折流板；i.避免太大或太小的折流缺口(因为它们会导致流速分布不均和局部高流速)；j.保持均匀的折流板间距；k.用实心的管子（在：use tube layout drawing as)代替原部分管子所在的位置，起到支撑并减小振动的作用；l.增大 nozzle与 bundle 之间的距离 m，添加 Annular distribut

24、or。Tubeside entry type 管侧入口管类型：Radial（IST默认值）、Axial、Axial with distributor（分流器）。如果你指定管入口和/或出口环型分流器 Annular distributor，那么它的所有的三维参数都需要输入。环形分流器影响壳侧压降，降低流体流速，从而会增加冷凝器和再沸器的负荷。单它可以避免管子的振动，减少腐蚀。对于管侧流体，下面几种情况也应做特别考虑，以减少流体对管子末端的磨蚀：a)对于气体和蒸汽，入口处的 V2超过 7000kg/(m.s2)；b)对于液体，入口处的 V2超过 9000kg/(m.s2)。(2)Piping In

25、put 面板图示给出了热虹吸管的示意图。主要的管线尺寸都可以直接输入。更多的细节可以在 Inlet 和 Outlet 中输入。如果你选择了热虹吸式或强制流动再沸器，这些面板就会被激活并要求输入进口管和出口管的参数。Inlet Piping panel：定义热虹吸式再沸器的入口管几何参数。当你选择热虹吸式或强制流动式再沸器后，面板上有一些数据是必须要输入的。如 Main Inlet pipe length。如果你设置“Bend Allowance”为“NO”，那么这一长度包括了弯管和 T型管的当量长度。水平热虹吸 竖直热虹吸 Header pipe length，inlet：压头管长的输入。其余

26、规定同上。Nozzle pipe length，inlet：入口管长的输入。Bend allowance：如果选择“NO”无当量长度加入到指定的管长中。如果选择“YES”IST 允许加入弯头。对所有壳程，IST 加 68 倍的入口管线的直径于主要入口管长度中；对 TEMA的 G、H、J21 壳程型式，IST 加 79 倍的 Header pipe直径于 Header pipe 长度中，没有长度加入入口管线长度中。(3)Process(工艺条件)：输入工艺条件和污垢信息。一般热流体侧（工艺流体）需填入其全部数值（包括污垢热阻系数）；冷流体侧若为公用工程流体（CW,SH 等）则仅需填写除流量外的其

27、他数值（包括污垢热阻系数），若亦为工艺流体则填写内容与热流体侧要求相同。Process(工艺条件)：在核算和设计模式中，每一流体必须至少输入 5 个(共 6个)温度和流量的参数。在模拟模式中，每一流体的 23个工艺参数是必需的，IST跳过不一致的工艺条件。对核算和设计模式：输入换热器热负荷必须输入每一流体的 23 个工艺条件；未输入换热器负荷必须输入每一流体的 56 个工艺条件；对模拟模式：未输入换热器负荷必须输入每一流体的 23 个工艺条件。注：如果你输入的工艺条件多于最少输入个数，IST遵循以下规则处理：(1)IST 总是尊重温度的设定，如果有必要，IST将调整 Weight fracti

28、on vapor；(2)如果你未输入工艺温度的话，IST尊重 Weight fraction vapor 的输入；(3)IST 总是尊重流速的设定，如果流速未被指定，IST就会进行计算。如果你指定了所有 6个工艺条件和下面的参数，IST采取下述的动作：a)如果你未输入热负荷或者从给出的冷、热流体工艺条件计算出的热负荷不匹配IST 以输入的工艺参数运行模拟；b)如果热负荷差别超过 5IST 会给出相应的提示信息；c)热负荷差别超过 99IST 终止模拟。Process conditions 单相工艺参数 两相工艺参数 其他选项还有 Fluid phase（相态）：Liquid、Vapor、pha

29、se change等；Inlet temperature：入口温度，IST默认 0.0为未输入，如果想设为 0，输入0.001。Outlet Inlet temperature：出口温度，IST默认 0.0为未输入，如果想设为 0，输入0.001。Inlet pressure：入口压力，必须大于 0。Allowable pressure drop：输入最大允许压力降，设计模式下会用到此数值，用来计算管口尺寸。Exchanger duty：换热器热负荷，有两种情况：a)如果 IST 能够从输入的工艺条件中计算出热负荷这一热负荷在计算过设计是必需的，过设计计算：Overdesign(计算出的热负荷

30、需要的热负荷)/需要的热负荷 100 b)如果 IST不能够从输入的工艺条件中计算出热负荷IST 利用输入的热负荷计算缺少的工艺条件。Duty/flow multiplier（热负荷/流速增效器）：设置一个 IST增效热负荷和流速的增效因数。Process Fouling（工艺污垢）输入工艺污垢信息，如污垢热阻，污垢层厚度等。换热器设计者一般把污垢因素作为一个安全因素考虑，用污垢热阻的设计来弥补换热器负荷的不足。但是，在正常的操作条件下，许多工艺流体基本上不产生污垢，例如轻烃组分的冷凝。HTRI计算各参数的相互关系时不需要额外的安全因素。在要求的工艺条件下通过输入反映换热器热阻的数值可以获得最

31、佳设计。一个非常大的热阻也就表明是一个不符合要求的设计，要考虑另外一个。Fouling resistance：为冷、热流体设定热阻。你输入的任意一个值必须要大于或等于零。Fouling layer thickness：为冷、热流体设定热阻层厚度。污垢热阻大于0.00061HrM2/Kcal 时需要输入此值。你输入的任意一个值必须要大于或等于零。壳侧热阻层厚度268 壳侧污垢热阻；管侧热阻层厚度134 管侧污垢热阻。Fouling layer thermal conductivity：热传导性。如果你输入了此数值和相应的热阻层厚度，IST 会从中计算热阻值并与输入的热阻值进行对比。如果二者有差异

32、，IST就会发出一个警告信息，并使用输入的热阻值。Cooling water fouling：两项：(1)Use water type model：只用于管侧水为冷流体。(2)Use generalized water model：如果你选择了此项，IST利用输入的酸度、总碱度、钙硬度和总不溶固体量来估算热阻值。四个参数的限制范围如下表：(4)Hot/Cold Fluid properties(冷/热流体的性质)操作界面上给出了怎样把物流性质输入 IST：component-by-component 或者Mixture。冷热流体分开输入，选项除了沸腾流体(出现在冷流体输入界面中)外是相同的。在

33、此输入界面上，所有的项都有默认值。但是“Physical property input option”和“Heat release input method”中不同的选择对应着流体哪些流体的性质需要输入。Physical property input option：有三个选项供选择：Mixture Properties Via Grid：在指定的温度和压力下在一个混合物数据表格中输入各物质的物理性质；Component-by-Component：1)输入流体中的成分列表；2)输入每一个成分的物理性质。如果成分被选中，软件中成分性质数据库就会自动提供成分的物理性质。Component and Grid Properties：1)输入流体中的成分列表；2)在指定的温度和压力下不考虑混合物中某些成分的物理性质。如果流体为单相，纯物质，则第一步先在 Heat Release Input Metho