孙兰义教授新作《换热器工艺设计》第1章 换热器设计软件介绍与入门

第第1章章 换热器换热器设计软件介绍与入门设计软件介绍与入门 孙兰义孙兰义 2014-11-2 主要内容主要内容 1 ASPEN EDR软件软件 1.1 Aspen EDR简介简介 1.2 Aspen EDR图形界面图形界面 1.3 Aspen EDR功能特点功能特点 1.4 Aspen EDR主要输入页面主要输入页面 1.5 Aspen EDR简单示例应用简单示例应用 1.1 Aspen EDR简介简介 Aspen Exchanger Design and Rating（Aspen EDR）是美国AspenTech 公司推出的一款传热计算工程软件套件，包含在AspenONE产品之中。 Aspen EDR能够为用户用户提供较优的换热器设计方案，AspenTech 将工艺流程模拟软件和综合工具进行整合，最大限度地保证了数据的一 致性，提高了计算结果的可信度，有效地减少了错误操作。 Aspen7.0以后的版本已经实现了Aspen Plus、Aspen HYSYS和Aspen EDR的对接，即Aspen Plus可以在流程模拟工艺计算之后直接无缝集成转 入换热器的设计计算，使Aspen Plus、Aspen HYSYS流程计算与换热器详 细设计一体化，不必单独地将Aspen Plus计算的数据导出再导入给换热器 计算软件，用户可以很方便地进行数据传递并对换热器详细尺寸在流程 中带来的影响进行分析。 1.1 Aspen EDR简介简介 Aspen Shell & Tube Exchanger：能够设计、校核和模拟管壳式换热器的传热：能够设计、校核和模拟管壳式换热器的传热 过程过程 Aspen Shell & Tube Mechanical：能够为管壳式换热器和基础压力容器提供：能够为管壳式换热器和基础压力容器提供 完整的机械设计和校核完整的机械设计和校核 HTFS Research Network：用于在线访问：用于在线访问HTFS的设计报告、研究报告、用的设计报告、研究报告、用 户手册和数据库户手册和数据库 Aspen Air Cooled Exchanger：能够设计、校核和模拟空气冷却器：能够设计、校核和模拟空气冷却器 Aspen Fired Heater：能够模拟和校核包括辐射和对流的完整加热系统，排：能够模拟和校核包括辐射和对流的完整加热系统，排 除操作故障，最大限度的提高效率或者找出潜在的炉管烧毁或过度焦化除操作故障，最大限度的提高效率或者找出潜在的炉管烧毁或过度焦化 Aspen Plate Exchanger：能够设计、校核和模拟板式换热器；：能够设计、校核和模拟板式换热器； Aspen Plate Fin Exchanger：能够设计、校核和模拟多股流板翅式换热器：能够设计、校核和模拟多股流板翅式换热器 Aspen EDR的主要设计程序有：的主要设计程序有： 1.1 Aspen EDR简介简介 Aspen Shell & Tube Exchanger用于管壳式换热器的详细模拟和优化设 计，是新一代传热动力学模拟、设计软件。其前身是HTFS系列软件中的 TASC软件，TASC是世界上非常优秀的管壳式换热器软件，早在80年代 初就已进入中国，以计算准确性和工程实用性而闻名。归入Aspen EDR体 系的TASC软件功能更强，将所有管壳式换热器集为一体，融合了传热计 算和机械强度计算，可用于多组分、多相流冷凝器，釜式再沸器，降膜 蒸发器，多台换热器组等多种型式管壳式换热器的设计，并提供管束排 列图。 考虑到管壳式换热器是应用最广泛的换热器型式，所以将着重对 Aspen Shell & Tube Exchanger 管壳式换热器的热力设计进行介绍，下文 中的Aspen EDR如无特别说明，均指Aspen Shell & Tube Exchanger软件。 1.2 Aspen EDR图形界面图形界面 标题栏 菜单栏 工具栏 程序工具栏 数据浏览区 程序提示区 数据输入区 程序状态栏 1.3 Aspen EDR功能特点功能特点 Aspen EDR的计算模式的计算模式 Design（设计）（设计）回答了“怎样的换热器能够满足给定的工况需要”回答了“怎样的换热器能够满足给定的工况需要” 。最关。最关 键的结果是换热器的几何信息。键的结果是换热器的几何信息。 Rating/Checking（校核）（校核）回答了“这台换热器能否达到这样的热负荷”。需要回答了“这台换热器能否达到这样的热负荷”。需要 设定热负荷，同时给出流体入口条件和压降估计值，软件会确定某台特定的换设定热负荷，同时给出流体入口条件和压降估计值，软件会确定某台特定的换 热器是否有足够的换热面积以满足用户要求，同时计算流体的实际压降。热器是否有足够的换热面积以满足用户要求，同时计算流体的实际压降。 Simulation（模拟）（模拟）回答了“这台换热器能够达到多大的热负荷”回答了“这台换热器能够达到多大的热负荷” 。需要提供。需要提供 换热器尺寸和大致估算的热负荷，通常将换热器尺寸和进料热换热器尺寸和大致估算的热负荷，通常将换热器尺寸和进料热/冷流体条件以及冷流体条件以及 流量固定，软件会计算出另一股流体的条件以及相应的热负荷。流量固定，软件会计算出另一股流体的条件以及相应的热负荷。 Find Fouling（最大污垢热阻）（最大污垢热阻）回答了“对于已知的换热器，多大的污垢热阻回答了“对于已知的换热器，多大的污垢热阻 值能够使其达到需要的热负荷”值能够使其达到需要的热负荷” 。之所以命名为最大污垢热阻是指该污垢热阻。之所以命名为最大污垢热阻是指该污垢热阻 值是该换热器在现有换热能力下污垢热阻的最大数值。值是该换热器在现有换热能力下污垢热阻的最大数值。 理论理论基础基础: Q=UAt（Q-热负荷，热负荷，U-传热系数，传热系数，A-换热面积，换热面积，t-传热温差）传热温差） 1.3 Aspen EDR功能特点功能特点 Aspen EDR可计算的换热器类型可计算的换热器类型 1.3 Aspen EDR功能特点功能特点 Aspen EDR的计算方法的计算方法 标准算法标准算法是首先规定一系列壳侧的焓是首先规定一系列壳侧的焓/压力点压力点， 然后结合相对应的管侧的点来确定这些焓然后结合相对应的管侧的点来确定这些焓/压力压力 点的位置点的位置。 高级算法高级算法是首先定义换热器内的一系列位置是首先定义换热器内的一系列位置， 然后计算壳侧及管侧流体流经这些点的状态然后计算壳侧及管侧流体流经这些点的状态 （焓和压力焓和压力）。 一般来说，标准算法和高级算法计算出来的结果是一般来说，标准算法和高级算法计算出来的结果是 相似的，但在计算末端空间较大的换热器时，推荐相似的，但在计算末端空间较大的换热器时，推荐 采用高级算法。采用高级算法。 1.3 Aspen EDR功能特点功能特点 Aspen EDR的物性数据来源的物性数据来源 物性计算的一般步骤：选择物性数据库定义组分指定 组分分率选择物性计算方法指定温度、压力范围规定间 隔点个数（将温度区间分成多少个点）获得物性数据。 Aspen EDR自身带有庞大的纯组分物性数据库，为用户提供 四种物性数据库 软件默认的B-JAC Databank 油气加工领域中处于领先地位的物性数据库COMThermo Aspen Properties 需要用户自行输入物性数据的User specified properties选项 1.4 Aspen EDR主要输入页面主要输入页面 Aspen EDR的许多输入项都有缺省值，这些缺省值以红色显 示，需要用户输入的数据项的背景为青绿色。每次输入或者改变 输入项的值，程序会自动检查输入项是否合理和完整，如果输入 的值合理，则背景为无色，如果用户输入一个不符合常规的数值 ，数值项的背景会以暗红色显示以进行警告。窗口底部的状态栏 中会显示当前程序的状态和输入框的状态： ，第一项用于 观察输入是否完成，第二项用于表示当前的输入和计算结果是否 吻合，第三项用于表示结果是否可以显示。 下面对一些主要的输入界面进行介绍： 1.4 Aspen EDR主要输入页面主要输入页面 Application Options是进行 换热器计算时 首先设置的应 用项，主要用 于设置计算模 式、冷热物流 位置、计算方 法和冷凝器、 汽化器的类型 等选项。 1.4 Aspen EDR主要输入页面主要输入页面 Process Data用于 输入冷热流体的 工艺数据，包括 质量流率、温度 、气相质量分率 、操作压力（绝 压）、换热器热 负荷、估计压降 、允许压降以及 污垢热阻等。 1.4 Aspen EDR主要输入页面主要输入页面 Geometry Summary用于设 定最基本的换 热器结构信息 ，包括封头和 壳体的类型、 安装方位、壳 体和换热管的 一些具体尺寸 等参数。 1.4 Aspen EDR主要输入页面主要输入页面 Shell/Heads/Flanges/Tubesheets（壳体/封头/法兰/管板类型） 窗口主要用于设置壳体、管箱、封头、法兰和管板类型，部分基 本的选项与Geometry Summary界面重复，包括四个子界面， Shell/Heads用于设置壳体的各项参数，Covers用于设置管箱端盖 的各项参数，Tubesheets用于设置管板的类型和各项参数， Flanges页面用于设置法兰的类型。 1.4 Aspen EDR主要输入页面主要输入页面 Tubes 页 面 用 于输入换热管 的参数，包括 管子总数、管 长、管子类型 、壁厚、外径 、管间距、排 列方式等。 1.4 Aspen EDR主要输入页面主要输入页面 Baffles页面用 于输入折流板 的各项参数， 主要包括折流 板类型、圆缺 率、折流板数 目、折流板厚 度等。 1.4 Aspen EDR主要输入页面主要输入页面 Layout Parameters 页 面用于对管束 的排布进行详 细的设置，包 括换热管布局 方法、管子总 数、布管方式 、管程数等。 1.4 Aspen EDR主要输入页面主要输入页面 Shell/Tube Side Nozzles 页面用于设置 壳/管程接管 的各项参数， 包括接管直径 、数目、壁厚 、方位等。 1.4 Aspen EDR主要输入页面主要输入页面 Thermosiphon Piping设置页 面用于设置热 虹吸式再沸器 进出口管线的 参数，包括管 线压力降计算 方式、相对基 准线的塔釜液 面高度等。 1.5 Aspen EDR简单示例应用简单示例应用 例1.1 设计一台单相水平放置的BEM管壳式换热器，用燃料油预热锅炉给 水，工艺数据和物性数据见下表。 工艺数据和物性数据 工艺流体 冷流体（Boiler Feedwater） 热流体（Fuel Oil） 单位 总质量流率 进/出口温度 进/出口密度 比热 进/出口粘度 进/出口导热系数 进口压力（绝） 允许压降 污垢热阻 59100 50/165.3 50 1.5 0.000088 284000 213/168 879.4/909.8 2.34/2.18 1.94/3.37 0.1/0.107 12 1 0.0005 kg/h kg/m3 kJ/kg K mPa s W/m2 K bar bar m2 K/W 1.5 Aspen EDR简单示例应用简单示例应用 1. 建立和保存文件建立和保存文件 （1）依次点击开始开始|所有程序所有程序|Aspen Tech|Exchanger Design and Rating V8.0| Exchanger Design and Rating User Interface，点击菜单栏中的 File|New，或者点击菜单栏上的图标 ，出现如下的页面。 1.5 Aspen EDR简单示例应用简单示例应用 （2）选择New子页面下的第一项Shell & Tube Exchanger（Shell & Tube） ，点击OK，进入Shell & Tube|Console页面，在Console页面可以设置和 浏览主要的设计参数，并可以在运行后浏览所设计的换热器的主要参数 和草图，在此页面中的选项均有缺省值。本题选择在专门的输入页面输 入数据。 （3）点击File|Save As，选择保存位置，输入文件名称，本题中，将文件 名设为Example1.1_Single phase heat exchanger_BEM_Design.EDR，点击 保存文件。 1.5 Aspen EDR简单示例应用简单示例应用 2. 初始设置初始设置 （1）点击工具栏下的单位设置下拉列表，选择SI；也可以从菜单栏中， 点击Tool|Program Settings，在General页面下，将SI度量单位设置为默认 ，即Unit of Measure项下的Default set of the units of measure选择SI，然后 点击OK即可。这样设置后，在之后的管壳式换热器计算中，SI度量单位 将成为默认单位制。 （ 2 ） 在 数 据 浏 览 区 点 击 进 入 Input|Problem Definition|Application Options |Application Options页面，在General下，将Calculation mode选项 设为Design（设计模式），将Location of hot fluid选项设为Tube side，其 余选项保持默认设置。 1.5 Aspen EDR简单示例应用简单示例应用 3. 输入工艺数据输入工艺数据 点击进入Input|Problem Definition|Application Options|Process Data 页面，或者点击工具栏的Next按钮，输入工艺数据： 1.5 Aspen EDR简单示例应用简单示例应用 4. 输入物性数据输入物性数据 点击进入Input|Property Data|Hot Stream Compositions|Composition 页面，或者点击下一步按钮，输入热流体的物性，因为热流体组分未知 ，且题中给出了热流体的物性数据，所以，用自定义的方法得到热流体 的物性数据。在Physical property package的下拉列表中选择User specified properties选项。 1.5 Aspen EDR简单示例应用简单示例应用 点击进入Input|Property Data|Hot stream Prope