这里我们通过一个简单的换热实例来向大家展示采用 Aspen Shell & Tube Exchanger (Shell&Tube)进行管壳式换热器设计的过程。简单起见，这里采用的冷热流体均为单相液体。

通过设计计算，主要是确定所需要换热器串联、并联壳程数、换热管长度、壳体直径、换热管数、管程数、折流板数、折流板切口比例、管程和壳程接管尺寸等。其他一些详细结构，如壳体、前端管箱和后端管箱的类型、折流板的类型、换热管直径和布置都按程序默认值处理。

通过 Shell&Tube中的设计搜索功能，我们可以得到不同的换热器优化方案，同时满足换热要求和压降约束，并使设备成本尽可能地低。

主要内容：

    工艺概述

    创建模型

    观察结果

    创建一个检查案例

工艺概述

在这个例子中，燃料油用来加热锅炉给水，相应的数据和燃料油的物性参数如下表所示：

创建模型

1. 从开始菜单里运行 Aspen Exchanger Design & Rating (EDR) 界面如下：

2.从File 菜单中选择 New ，创建一个新的换热器模拟，也可以直接点击界面上的 New。

3.选择 Shell & Tube ，并点击 Create 按钮，创建一个管壳式换热器。

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由此我们进入了 Shell & Tube 设计程序界面。

程序界面

打开程序后，你可以看到程序界面上主要有下面几部分组成：

功能区（Ribbon）：屏幕上面，主要集中了一些常用的控制命令，默认状态为 Home 功能。

导航树（Navigator）：屏幕的左边，包含所有的输入（Input）和结果（Results）表单，根据需要折叠和打开。

中间为主窗口区，展示各种输入输出结果。

EDR也允许你自己采用个性化的界面设置。

初始设定

在 Home功能的左上角，有单位（Units）一项，从下拉菜单中切换为 SI单位制。

切换前

切换后

Tip: 从File | Options | General Program Settings 页面下，你可以设置默认的单位制。

Note: Run Mode （运行模式）在Home（主功能区） 的中间，默认状态下为 Design（设计）模式。

在左侧导航树中，展开 Problem Definition | Application Options（应用选项）。

将热流体的位置( Location of hot fluid) 改为管程一侧(Tube side)。

工艺数据（Process Data）

点击下一步（Next），命令，EDR可引导我们进入的工艺数据输入界面 ，也可以直接点击Home功能区的 设置工艺数据( Set Process Data) 命令，或者从导航栏下Input| Problem Definition|Process Data，都可以进入工艺数据输入界面，如下图所示。

在输入工艺数据时一定要注意系统的单位和设计任务中的单位保持一致，比如对于质量流率，设计任务中给出的单位为kg/h, 但系统默认的单位为 kg/s，所以需要从下拉菜单中切换单位后再输入数据。

Tip: 将程序运行必要的数据输入完整后，导航栏中各项前面红色的“叉叉”就会自动消失，否则说明数据输入还不完整。

物性数据(Property Data)

从导航树中选择 Input | Property Data | Hot Stream Properties，输入冷热流体的物性参数。

换热器的热流体为燃料油，在设计任务中给出了在进出口温度下它的物性参数，EDR允许我们直接输入工艺流体的物性参数。你可以跳过热流体的组成(Hot Stream Composition) 一项，然后切换到Hot Stream Properties页面，直接输入进出口温度下，热流体的物性参数。

注意流体为液体，找“Liquid”的参数。如果热流体为气体，选择“vapor”。

数据输入后，如下表所示。

在页面内Pressure Levels下，系统默认了两个压力水平的物性参数，因为工艺数据中仅给了12 bar下两个温度点的物性参数，所以我们可以点击“Delete Set”，删除一个压力水平，并将剩下的一个压力改为12 bar。然后在表单中输入213和168°C两个温度下，热流体的密度、比热、粘度和热导率。

注意：当直接输入物性数据时，默认状态下复选框 Overwrite Properties 是处于勾选状态，表示新输入的数据替代了原有数据。

下面我们采用系统自带的物性程序获得冷流体的物性数据。在左侧导航树内，单击 Input | Property Data | Cold Stream Composition.

从 Physical Properties Package 下拉列表中选择 Aspen Properties，采用Aspen计算冷流体的物性参数。下拉列表中包含的可选项有：Aspen Properties/ComThermo/B-JAC/User specified properties/User specified properties using heat load，后面我们再详细介绍这几种方法的区别和选用条件。

加载物性计算程序可能需要一段时间，耐心等一会儿。

单击 Search Databank ，搜索我们所需要的冷流体介质。

在Name of Alias 文本框中输入介质的名称，这里可以输入 Water 或 H2O，然后单击 Find Now 按钮。

数据库中包含 15,000 以上的数可用物质，所以需要花费一段时间才能找到你想要的介质，再耐心一点。

从系统搜索到相关的介质表中，选择我们需要的介质——水，然后单击下面的 Add Selected Compounds ，添加到我们组分列表中。

通过下面的 Use Selected Compounds 按钮，确认我们的选择。

Tip: 如果需要，可以添加更多的介质。

返回到冷流体组成( Cold Stream Composition )表，这里因为我们只需要一种介质，所以其质量百分数默认为1。

点击物性方法( Property Methods) 标签， 在Aspen物性方法(Aspen property method ) 选择水的物性—— STEAMNBS.

因为不同的介质所需要的计算方法不同，如果选择不当，计算得到结果可能与实际相差很大。

在导航栏中选择 Input | Properties Data | Cold Stream Properties.

单击表格窗口中的Get Properties 按钮，系统会计算默认压力和温度范围内水的物性参数。

到这一阶段后，所有需要的数据已经输入完成，所以你可能希望保存一下现有的文件。通过文件(File )菜单中的另存为(Save As) 命令，把你的文件保存到你喜欢的位置。

Tip: 在 File |Options | General Program Settings 下你可以设置自动保存，系统每隔一段时间就会保存你当前处理的文件。

运行

在主菜单（Home）功能区，单击运行命令组( Run Control )中的 Run （运行）命令，系统便开始了自我设计模式。

如果你想观察系统的计算过程，点击Run Status （运行状态）命令。

运行结束后，你就可以查看运行结果了。EDR得到的设计结果有多个，它把成本最低的、并且能满足换热和压降要求的几种会给我们展示出来。这里EDR一共设计了300多种方案，其中超过80种方案能满足我们的换热和压降要求。W

查看结果

在主菜单（Home ）的结果（Results ）功能框中，可以快速查看EDR的运行结果。T

点击查看性能（Check Performance）按钮，可查看其中一种设计的性能结果。

上图中某些关键的数据用黄色标了出来，另外还要注意，这种设计方案不存在振动和冲蚀的风险—— vibration 和 rho v2 项的状态都为“No”，表示没有问题。

Tip: 底部带颜色的长条为热阻的分布状态。换热热阻总共分为五部分：壳程流动热阻、壳程污垢热阻、管壁热阻、管程污垢热阻、管程流动热阻，自左向右分布用黄色、红色、黑色、红色和黄色表示，对应的彩色条越长，说明相应的热阻就越大。可以看出这里管程的流动热阻和污垢热阻相对较大，如果想进一步提高换热性能，可重点从这两个方面进行改进。

从导航树中，选择 Results | Results Summary | TEMA Sheet.，或者直接点击功能区中的 Review Spec Sheet，打开TEMA表。

单击功能区的 Verify Geometry按钮，查看换热器的总体结构。

Note: 这里你也可以通过 Tubesheet Layout.标签，查看换热管的布置。

在图形中通过右键快捷菜单，可实现图形复制、保存等功能。甚至可以另存为可用CAD编辑的格式——DXF文件。

单击功能区的 Review Profiles 命令，查看换热器的关键数据。

右键单击图形，从快捷菜单中选择需要的复制、保存和打印等操作。

更多的设计结果从导航树中查看。

在Recap of Designs, 窗口中可以观察到设计参数的变化，并比较前后设计的异同，也可以通过下面的customize，命令，定义你想比较的参数。

或者在 Console 窗口中，快速查看设计参数的变化。

打印设计报告

在文件（File ）菜单下，选择打印（Print），定义你想打印的格式。

校核模式

在设计模式下，EDR将各种计算的设计方案设计参数通过表格的形式展示给我们们，并且得到了每一种方案的最低成本。通过 导航栏中 Results | Results Summary | Optimization Path 进行查看。如果满足换热负荷和压降要求，设计状态标记为“OK”。如果状态标记为“Near”,表示接近满足设计要求。表格的上面为当前所选的设计方案序号。

切换为校核模式（Rating/Checking）后，可对换热器进一步优化设计。

选择上表中EDR给出的设计方案，然后从运行模式（Run Mode）功能区中选择校核和检查（Rating/Checking ），将当前设计模式切换为校核模式。然后系统会弹出如下的对话框，询问你是否将当前所选的设计作为设计结果进行校核，选择使用当前选择（Use Current ），如果你选择New Rating , 那么所有的结果都被清空，然后你自己一个一个地来输入数据。

在校核模式下通过 Set Geometry 命令调整某些设计参数，如果需要的话。

按《GB/T 151-2014 热交换器》圆整如下参数：

1. 换热管直径、壁厚、管间距和管长；

2. 壳体直径和壁厚；

3. 折流板板间距、壁厚，第一块折流板定位尺寸；

4. 管板壁厚；

5. 按ISO标准确定管壳程接管尺寸；

最后仿照上述过程，用EDR设计一台管壳式换热器，用于下述物流的换热过程。