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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)互换器(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(Chilled water)或盐水(brine)。(3)冷凝器(Condenser)：在此单元中，制程蒸汽被所有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运用。(5)加热器(Heater)：增长热函，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互换器，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l 管壳式换热器(Shell and Tube Exchanger)：重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，最佳小于等于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减少压降，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，需有液位控制；XCross Flow 交叉流，规定壳侧压降和流速非常低，因此可减少换热管振动的也许性，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，最合用于单相流体；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干满足规定期，为减少串联换热器的台数，可选择“F”型；(2)G型及H型多合用有相变流体，多用于卧式热虹吸再沸器或冷凝器；并建议设立纵向隔板，有助于防止轻组分飞溅、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，由于G型温度校正因子与F型相称,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，合用于气体加热、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型管的结构不合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具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 1.05.030壳程0.21.50.53.015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0.60.93.01.82.4河水(干净的)钢管0.60.93.7循环水(解决的)钢管0.60.93.7海水含铜镍的管0.750.93.0海水铝铜管0.750.92.4不同黏度流体的常用流速黏度/cP15001500500500100100353511Vmax/m/s0.60.751.11.51.82.4l 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，应在管束间设立支持板。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，它涉及了所有管板的厚度。此外，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，传热系数增长，管程数少，压减少；但是过长会给制造带来麻烦，首选3048mm和6096mm。l 换热管直径与管间距的选择：管外径d 0/mm10141619253238管中心间距(pitch)/mm14192225324048Pitch Ratop1.3751.3161.2801.2501.263 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)污垢没有严格规定。25mm的管合用于以下情况：(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。l Rigorous Tubecount：指定严格管数计算方法，假如你勾选了此项，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”评估管束中处在交叉位置的管子的数量，假如你选择了此方法，那么管子排列图片就不再可用。l 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。l Taper angle-锥形度：只应用在管侧逆流冷凝模拟中，设立管子底部的锥度。这一角度水平测量，其值范围075。l Tubepass Arrangement panel：换热器管束中管程的设立和通路的宽度设立。在此面板中，出现对称排列开关。l 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，这里设立：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：l Single-segmental：最常用的折流板类型，能最有效的把压降转移到热互换中。l Double-segmental：当你运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。l 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所有折流板的支承，一般用在当管振动破坏需要考虑时。它具有以下特点：a压降只有单弓形折流板的1/3左右；b壳程流动均匀且类似抱负管束、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。l None：无折流板Cut orientation：切割定位，设立有以下几种： 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）折流板会引起相分离。Parallel（水平）：假如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，这样就减少了设备的性能。Cut：对大多数模拟，IST会拟定折流板切割方向，使得热传递和压降达成最优化，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）除水平切口所规定的换热器外，均为竖直切口。Crosspasses：你必须至少输入折流板数或重要的折流板间隔中的一个数值。假如你两个都输入，并且你的数值与管长不一致的话，IST就改变折流板数但保存重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。折流板重要间距低于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）的比例。假如你：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；输入的值超过最大值IST忽略此值并设立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。这些值会影响模拟的结果。假如管束和壳体的直径空隙大于30mm，应一方面考虑使用密封条。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。尺寸规定：Nozzle的尺寸要小于等于50%Shell ID，通常Nozzle最小尺寸为2。l Number at each position（inlet and outlet）：软件默认值为1。l Nozzle IDs（inlet and outlet）：假如你输入了一个允许压降的最大值，IST运用允许压降的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运用了5的允许压降；假如你未输入最大允许压降，IST运用允许最大流速(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运用0.5psi(3.447kPa)的压降；在解决两相流时，要指定一个液相管出口来排出液体。l 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拟定。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 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，假如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；l Nozzle Sizes：假如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的比例不同。具体的比例如表二所示。 表二：管程数12346810121416壳ID90807050474441383532l Impingement panel（缓冲挡板）：壳侧进口区域防冲板的类型和形状的设立。需要设立的情形：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(设立它的直径、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也许会产生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长支承板来避免FIV产生。在改造设计或实际改造中有也许会碰到此类问题。b.设立U形弯头支承；c.设立密封板/条以便增长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.设立壳程进口防冲挡板；g.假如允许改变壳体形式，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(由于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 distributor。l Tubeside entry type管侧入口管类型：Radial（IST默认值）、Axial、Axial with distributor（分流器）。假如你指定管入口和/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，减少流体流速，从而会增长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 Input面板图示给出了热虹吸管的示意图。重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。假如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规定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 p