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HTRI Xchanger Suite 5.0

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。

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(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(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→Double split Flow 双分裂流

J→Divided 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；

K→Kettle 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50～100%。通常液体的高液位要浸没过换热管，需有液位控制；

X→Cross 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；并建议设臵纵向隔

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；

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(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(Jacketed pipe/Hairpin Exchanger)：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(Plate and Frame Exchanger)：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(Air cooler)：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；

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(3)T type(Pull-through floating head)：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)S type(Split-ring floating head)：壳侧和管侧都可进行机械清洗，但需要人工把管束抽出。

二、IST HTRI的应用 2.1 方法类型(Method mode) 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。

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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Design mode以确定初步优选方案，继而选择Simulation及Rating mode,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(Baffle cut)等参数细部计算及微调以符合设计要求。 2.2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dam baffle； (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)Input Summary-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Input Summary-Geometry-Optional下选择相应的项目为“Yes”；

(5)Design mode下run程序时，Input-Geometry-tubes下的tubecount处选择Rigorous tubecount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测量单位设臵

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；Set Units：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：

Fluid allocation（流体分配） Tube layout angle(管排列角度) Baffle type(折流板类型)

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