ASPEN 学习笔记 18：换热器 HeatX

这个官方的示意图的物料冷热实际上与现在的连接反了，因此下图我也要相应调整。

物料流

入口
- 一个热侧入口物流
- 一个冷侧入口物流
出口
- 一个热侧出口物流
- 一个冷侧出口物流
可选
- 在热侧一个水倾析物流可选的
- 在冷侧一个水倾析物流可选的

当规定 HeatX 模型时考虑下面这些问题

使用简单的简捷法核算还是严格核算，在setup specifications 中的calculation type 中心选择，简捷法输入的参数少，一般不需要换热器结构或者几何尺寸数据。而严格法一般需要用几何尺寸去估算如下参数

膜系数
压降
对数平均校正因子

变量	计算方法	简捷法可用	严格法可用
LMTD CF 校正因子	常数	Default	Yes
LMTD CF 校正因子	几何尺寸	NO	Default
LMTD CF 校正因子	用户子程序	NO	Yes
Heat Transfer Coefficient 传热系数	常数值	Yes	Yes
Heat Transfer Coefficient 传热系数	特定相态值	Default	Yes
Heat Transfer Coefficient 传热系数	幂率表达式	Yes	Yes
Heat Transfer Coefficient 传热系数	膜系数	No	Yes
Heat Transfer Coefficient 传热系数	换热器几何尺寸	No	Default
Heat Transfer Coefficient 传热系数	用户子程序	No	Yes
Film Coefficient 膜系数	常数值	No	Yes
Film Coefficient 膜系数	特定相态值	No	Yes
Film Coefficient 膜系数	幂率表达式	No	Yes
Film Coefficient 膜系数	换热器几何尺寸	No	Default
Pressure Drop 压降	出口压力	Default	Yes
Pressure Drop 压降	换热器几何尺寸	No	Default

模块应该有什么规定
应该怎样计算对数平均温差校正因子
应该怎样计算传热系数
应该怎样计算压降
可以得到什么设备规定和几何尺寸信息

关于计算对数平均温差校正因子，传热系数，以及压降，都有确定的办法，可能需要用到的换热器参数或者流体参数如下

换热器面积或几何尺寸
换热器热负荷
热流或冷流的出口温度
在换热器两端之一处的接近温度
热流或冷流的过热度/过冷度
热流或冷流的气相分率
热流或冷流的温度变化

基本计算

内容

换热器标准方程

$Q = U \cdot A \cdot LMTD$

其中LMTD为对数平均温差，其适用范围参考前文。

加上偏离逆流流动程度的校正因子F后，变成通用方程如下

$Q = U \cdot A \cdot F \cdot LMTD$

在setup specifications 中 LMTD CF 区域输入此校正因子，采用简捷法时，此F因子是恒定常数。

而在严格法中，则应当规定HeatX如何计算此F，可以参考上面的列举的几种办法。

传热系数计算，在HeatX中不计算膜系数，但在严格法中使用。

$\frac{1}{U}= \frac{1}{h_c} + \frac{1}{h_h}$

h为冷热流膜系数，在setup film coefficients 页上，选定calculation method。

实际上当考虑换热材质本身的热阻，考虑忽略内外表面积的微元传热模型如下，只是一般这个热阻比较小，可以忽略。

则热流密度相同

$q = \frac{T-T_w}{\frac{1}{h_h}}=\frac{T_w-t_w}{\frac{\delta}{\lambda}}=\frac{t_w-t}{\frac{1}{h_c}}$

$q = U(T- t ) = \frac{T-t}{\frac{1}{h_c}+\frac{\delta}{d}+\frac{1}{h_h}}=\frac{推动力}{阻力}$

上式后三相相等因此分子分母分别加和后再比的结果不变。

$\frac{1}{U}= \frac{1}{h_c} + \frac{\delta }{\lambda}+\frac{1}{h_h}$

其中

$\delta$

为管厚度，

$\lambda$

为管壁材料的导热系数

如果考虑表面积差异，以圆管传热为例，管内为冷流体，d为相应直径，此时热流密度不相等，但是总热量相同

$Q = q_h <em> A_h =q_c </em> A_c = q_w * A_m$

$Q = \frac{T-T_w}{\frac{1}{h_h}}A_h=\frac{T_w-t_w}{\frac{\delta}{\lambda}}A_m=\frac{t_w-t}{\frac{1}{h_c}}A_c =\frac{T-t}{\frac{1}{h_hA_h}+\frac{\delta}{\lambda A_m}+\frac{1}{h_c A_c}}$

以外表面为基准的，则

$Q = U_h(T-t)*A_h$

$q = \frac{T-t}{\frac{1}{h_hA_h}+\frac{\delta}{\lambda A_m}+\frac{1}{h_c A_c}} \div A_h = \frac{T-t}{\frac{1}{h_h}+\frac{\delta A_h}{\lambda A_m}+\frac{A_h}{h_c A_c}}$

$\frac{1}{U_h}= {\frac{1}{h_h}+\frac{\delta A_h}{\lambda A_m}+\frac{A_h}{h_c A_c}}$

同理

$\frac{1}{U_c}= {\frac{1}{h_c}+\frac{\delta A_c}{\lambda A_m}+\frac{A_c}{h_h A_h}}$

对于同一圆管，其内外传热表面积与直径成正比，上面各结论式中的表面积A均可换成相应直径d

考虑shell层和tube层都有fouling 污垢的问题，以及shell的翅片效率问题，上式可以继续拓展写为

$\frac{1}{U_c}= [{f_s + \frac{1}{h_c \eta_s}+\frac{\delta A_c}{\lambda A_m}+\frac{A_c}{A_h}(f_t + \frac{1}{h<em>h})}] /U</em>{corr}$

fs 为 shell侧的污垢因子

ft 为tube侧的污垢因子

$\eta_s$

为shell侧翅片效率系数

$U_{corr}$

为传热系数校正因子

换热器的结构

在传热系数计算-膜系数计算或者压降计算过程中选择了Calculate from Geometry，则需要在Geometry shell页中输入换热器结构尺寸信息。比如

TEMA shell 换热器类型

在Geometry shell 页包含两个重要的壳体尺寸，壳体内径和壳体到管束的最大直径的环形面积，如下图所示

管程数
换热器方向
折流板上管数排布
密封圈数
垂直的换热器管程流动

折流板尺寸

壳侧膜系数和压降计算需要壳体内挡板的几何尺寸。在 Geometry Baffles 挡板的几何尺寸页上输入挡板的几何尺寸
HeatX 模型可以计算弓形折流挡板壳体和圆盘形折流挡板壳体的壳侧值需要的其它信息根据折流挡板的类型来确定。

对于弓形折流挡板需要的信息包括

折流挡板切口高度
折流挡板间距
折流挡板面积

对于圆盘形折流挡板需要的信息包括

环形直径
支承盘的几何尺寸

下面两个图显示了折流挡板的直径在 Dimensions for Segmental Baffles 弓形折流挡板的直径图中 Baffle Cut 折流挡板的切口高度是壳体直径的分率所有的中心距都是沿直径方向的

Baffle Cut 折流挡板的切口高度
Tube Hole 管孔
Shell to Baffle Clearance 壳层到折流挡板的环形面积

Rod Diameter 圆盘直径
Ring Outside Diameter 环外径
Ring Inside Diameter 环内径

管子几何尺寸

Geometry tubes 页中输入管的几何尺寸，诸如管子总数，长度，直径，排列，材质等

闪蒸规定

物性

要想替换全局或流程段性质规定使用 BlockOptions Properties 页你可以对换热器热侧和冷侧使用不同的物性选项如果你仅提供一套性质规定 HeatX 模型对热侧和冷侧计算都使用这一套性质规定。

例6.4

在逆流操作的管壳式换热器中,用温度 40℃ 、压力 1.4MPa 和流量222200kg/ h 的冷物流 (正十二烷)将温度200℃ 、压力2.8MPa和流量65800kg/ h 的热物流(苯)冷却至 100℃ ,热物流走壳程。采用 HeatX 模块进行简捷设计计算,估计换热器的总传热系数为 500W /( m 2 · K ),试求两股物流出口状态及换热器热负荷,并生成换热器 HEX 的加热曲线。将计算模式调整为严格设计模式,管程和壳程的污垢热阻均为 0.00018m 2 · K / W ,管程和壳程的允许压降分别为 0.05MPa 和 0.03MPa ,换热管 ϕ 19mm×2mm ,管心距 25mm ,比较两种设计方法的设计结果。热力学方法选择 PENG-ROB 。

这里已经给出总传热系数了，根据前面的表格，总传热系数方法可以用简捷方法或者严格方法。

简捷法

首先将各物料和基本的block的参数填入我们运行下整个流程。