在Shell& Tube 导航栏中,输入(Input)页面下主要包含以下几个输入选项:定义问题、物性参数、换热器几何尺寸、设计说明和程序选项。
问题定义(Problem Definition)
标题/评价(Headings/Remarks)
填写TEMA表头,并在Remarks中简单介绍有关换热器的设计信息和结果。
应用选项(Application Options) – Calculation Mode, Fluid allocation, Application Types, Equipment Types
在应用选项下有两个标签:应用选项(Application Options)和应用控制(Application Control)。应用选项标签用于确定计算的一般性要求和冷热流体的计算方法,如下图所示。
Calculation Mode(计算模式)
在Calculation Mode(计算模式)选择相应的计算模式。EDR中有四种计算模式:设计模式(Design mode)、校核模式(Rating / Checking mode)、模拟模式(Simulation mode)和确定污垢模式(Find Fouling Mode)。
Design mode(设计模式)
设计模式用于确定一个或多个满足换热负荷和压降要求的换热器。在这里你必须输入换热器的一些必要参数,比如需要指定换热器壳体、箱体和折流板的类型,换热管的布置和换热管的尺寸。另外也可以指定壳体、管长等几何尺寸的范围。换热器的其他尺寸则由程序来计算,如管程数、壳程数、接管尺寸等。一般得到的成本最低、并满足换热要求的最小换热面积。
Rating / Checking mode(校核模式)
在校核模式下,主要回答这台换热器是否满足换热要求的问题。因此需要提前输入换热器的几何参数以及工艺参数。计算的结果用实际换热面积/所需换热面积的比值来表示,大于1表示满足要求。但一般我们在设计换热器时需要有10~30%的面积裕量,如果不满足需要调整换热器的尺寸。
一般情况下我们先通过设计模式计算得到某些满足换热要求的换热器,将其中感兴趣的换热器切换到校核模式下进行校核和调整。
在校核模式下,换热负荷、进口压力保持不变,通过计算压降得到流体出口压力。
Simulation mode(模拟模式)
模拟模式是在已知一台换热器结构的基础上,研究它能够胜任多大的换热负荷。所以你必须确定换热器的几何尺寸以及相应的工艺参数,通过计算得到流体的出口参数以及能够交换的热负荷。标准模拟计算(Standard Simulation)用于确定流体的出口参数,通用模拟计算(Generalized Simulation)会根据热平衡的计算结果对其中的出口参数、入口参数或流体的流量进行修正。
注意:在校核模式下,冷热流体的进出口参数和流量保持不变,通过计算得到实际换热面积与所需换热面积的比值,并且在校核模式与模拟模式两种情况下流股的进口压力保持不变,出口压力通过计算得到。
Find Fouling Mode(确定污垢热阻模式)
有时候又称为最大污垢热阻模式( MaximumFouling mode), 也即是通过计算得到某一具体换热过程最大可能的污垢热阻是多少。
计算过程与校核模式相似,但结果是为了得到最大的污垢热阻值,这种情况下实际的换热面积与所需的换热面积之比被调整为1,你可以确定是哪一侧的最大污垢热阻,或者两侧总共的最大污垢热阻。
Location of Hot Fluid(热流体的位置)
也就是确定热流体走管程侧(Tube side)还是走壳程侧(Shell side),你可以自己指定,也可以有系统默认(Program)。当然系统设置的不一定合适,所以运行后会给你一个警告,让你来判断是否合适。所以强烈建议你自己来指定热流体的位置。
在模拟模式下,或者对一个已知的换热器进行校核时,如果系统对热流体的位置发出警告或报错,一般意义不大。但在设计阶段,如果你不确定热流体到底应该走哪里,可以尝试走壳程或管程两种情况,并比较一下哪种性能更好。
通常根据安全性、可靠性、经验、维护要求和成本等几个方面考虑冷热流体的位置。一般的原则有:
具有膨胀节的固定管板换热器,或者P型填料函换热器,W型浮头换热器一般不要将有害性流体走壳程。
容易结垢的流体走可以进行机械清洗的一侧,一般为管程。
与贵重材料接触的流体走管程。
高压流体走管程。
流量大的流体走壳程,因为壳程流通面积大、流速小,避免产生过高的压降。
Select Geometry based on this Dimensional Standard(选择尺寸标准)
尺寸标准不同,所确定的筒体的厚度、管长、接管尺寸或有所不同。一般有US和SI两种标准。
注意:在US标准中,一般厚度以0.0625 mm为单位变化,而在EU标准中,通常以 1 mm为单位变化。
Calculation Method(计算方法)
在计算方法可选择高级方法(Advanced calculation method)和标准方法(Standard Shell&Tube method)进行换热器的计算,当然你也可以不同调整,直接按默认的方法(Set default)计算。两者计算结果差别不大,一般按默认的高级法计算。
Hot Side 和Cold Side两项中用于确定冷热流体的相态,你知道的话可以自己设定,从而为系统确定折流板的类型、冷热流体的位置等提供额外的信息。当然也可以有系统根据(Program)项自行计算,一般情况下不会有什么问题。
同一页面下的 Application Control 标签内的设置可以控制或节省非必要运算或数据加载的时间。
Recalculate properties before run: 运行前是否重新加载物性数据,默认为 No,非必要不加载,减少运行时间。
Output all repeat messages: 重复的警告或错误等要不要输出。默认为 No。
Storage for recap of designs: recap of designs 可以对前后设计一些关键数据进行比较。如果你想把某种设计的全部数据恢复过来的话,需要选择Full recovery,当然这比较消耗时间。只恢复 recap of designs 中的数据可以选择 Table only 。
Generate full out: 将模拟器,如Aspen Plus或HYSYS的运行数据输出的方式,一般选择Off, 仅输出最后一次模拟结果,以节省运行时间。
Use Phase Compositions:调用模拟器组分的方式,选择Off,仅调用最优模拟器的组分,减少非必要组分的调用。
Program calling this EDR program: 调用 Aspen HYSYS或Aspen Plus模拟器数据方式,标准情况下选择Standalone,减少非必要数据的交换,从而节省运行时间。
工艺数据(Process Data) – Temperatures, Pressures, Flows, Quality, Pressure Drops, Fouling, Heat Load
在这里输入冷热流体的名称、质量流量、温度、汽相组成、绝对压力、换热负荷、允许的压降及污垢热阻的大小等内容。
Fluid Name(流体名称)
TEMA表中显示的流体名称,一般不超过19个字符。
Mass Flow Rate(质量流量)
输入冷热流股的质量流量。当冷热流体的进出口参数、热负荷等参数都输入以后,可能会出现输入数据过多、并相互矛盾的情况,所以系统计算时会忽略某个质量流量。
在模拟模式下,流体的流量通过计算得到。如果在这里也输入了质量流量,系统默认为是估计值。
在热虹吸再沸器的模拟计算时,热虹吸流体的流量必须计算得到,在冷凝流股的模拟计算时,冷凝水的流量根据换热负荷由计算得到。
Temperature(温度)
一般冷热流体的进出口温度都需要输入。
流体的进出口温度与进出口压力相关,在真空操作下,这种关联十分重要,因为压力的变化会造成温度的明显改变。
进出口温度已经蒸汽组成共同决定了流体的进出口条件。当两者都是已知的情况下,尽量全部输入。在绝热沸腾或冷凝流体的计算中,流股中的汽相组成非常重要。汽相组成为0时表示泡点进料,为1是表示露点进料。
在模拟模式下,省略出口条件。其值大小由系统根据换热 负荷估算。
确保工艺数据与流体的物性数据一致,相差不大时系统会检测出来并予以纠正,差别较大时可省略出口温度,当然要确保流体的图形没有明显的错误。
一般系统根据入口温度来计算流体的物性,当省略流体的入口温度时,要确保流体的物性与温度范围相一致。
在设计模式和校核模式下,流体的入口和出口条件都是固定不变的,相应的流体的比热和换热负荷等也保持不变。
Vapor Mass Fraction(质量分数)
与流体的温度共同确定了流体的进出口状态。
Pressure(absolute)(绝压)
输入流体的进出口压力。一般情况下,必须属于进口压力,如果能估算压降的话,最好把出口压力也输入上。系统根据压力范围确定流体的性质。当Estimated Pressure Drop(估计压降)或允许压降输入以后,系统会据此估算流体的出口压力。或者也会根据进出口压力计算估算压降和允许压降。
Pressure at Liquid Surface in Column(虹吸管液面压力)
在热虹吸管中,你需要指定管内液面上的绝对压力。系统据此计算回路内其他位置的压力以及允许的摩擦损失和重力变化。
系统将入口压力视为估算值,并根据计算进行调整。
如果省略这个值,系统会根据入口压力估算,计算的结果会改变入口压力,因此最好输入。
Heat Exchanged(换热负荷)
系统会根据冷流体会热流体的条件计算换热负荷,如果两者都输入,有可能出现矛盾的情况。如果相差不大,系统会调整 Over-Specified指定的参数,但相差较大时系统会报错。
Exchanger Effectiveness(换热效率)
这是换热负荷的另一种输入方式,如果换热负荷已知,这里不需要输入。它表示冷热流体的换热负荷与最大可能的换热负荷之间的比值。
将热流体的出口温度加热到热流体的进口温度或将热流体的出口温度冷却到冷流体的进口温度,可以得到最大换热负荷。
Adjust if Over-Specified(条件过多时调整项)
有时候给的条件多了,系统会据此调整某项的输入值。
一般不要输入过多条件,或者自己删除不必要的条件。
Estimated Pressure Drop(估计压降)
用来估算流体的出口压力,在真空操作下这个值很重要,因为出口压力的变化会显著影响换热过程。其他情况下,影响不大。
你可以在这里输入大概的压降,系统也会根据输入的进出口压力计算流体的大概压降。
如果流体的出口压力和估计压降都没有输入,系统将允许压降作为估计压降。
系统会根据流体的进出口压力范围计算流体的物性参数,所以适当增大流体的压降值,以保证计算所用到的流体的性质都能在范围内找到。
在竖直安装的换热器内,流体自上而下流动,重力压差可能会大于摩擦损失压降,导致出口压力大于入口压力,这时候的压降值为负。这种情况下,系统运行输入负的压降。但这会导致警告的产生,如果这种情况真实发生了,忽略警告。
Allowable Pressure Drop(允许压降)
冷热流体允许的最大压降。
在设计模式下,必须输入冷热流体侧的允许压降,否则系统会提出警告,并且设计的换热器不能满足实际换热要求。
允许压降一般根据实际输送需要进行确定,学生进行换热器设计时一般由指导教师指定,或根据参考手册查取。
其他模式下,允许压降可能会被忽略。
当仅输入估计压降或允许压降时,系统默认将两者置为相同。
Fouling Resistance(污垢热阻)
在设计模式下一般需要输入流体的污垢热阻。
一般换热器内流体的污垢热阻值可以在《化工工艺设计手册》中查取。
物性数据(Physical Property Data)
EDR中换热器冷热流股的物性数据可以手动收入,也可以由系统自带的物性数据包计算,或者从Aspen Plus或HYSYS中调用数据。
自带的数据包有Aspen Properties、COMThermo和B-JAC Databank。
Aspen Properties
当希望通过Aspen Properties数据包计算流体的物性时,首先进入热流股或冷流股的compostions页面,在组成(Composition)标签内:
Physical Property Package选择 Aspen Properties.
如果是混合物,注意选择组成含量的表示方法,默认的为质量分数 Weight flowrate or%.
由下面的 Search Databank 按钮调出 Find Compounds 对话框,搜索相应的物质组分。
若含有多种组分,需要在表格中输入各组分的质量分数,如上表中,水为0.4,乙醇为0.6.
在Property Methods标签下选择合适的物性方法。
有关物性方法的选择,可根据方法助手(Methods Assistant)的提示进行。
EDR还另外自带两个数据包 COMThermo和B-JAC Databank,如果在Aspen Properties中找不到相应的组分,可尝试从这两个数据包中查找。
User Specified Properties(手动输入物性数据)
对于一些复杂的流股,以上数据包中找不到相应组分,流体的物性数据是通过实验得来的,那么这时候需要手动输入流体的物性数据。在Composition 窗口内,Physical property Package 选择User Specified Properties,然后在Properties窗口中输入流体的已知参数:压力、温度、密度、比热、粘度和热导率。
注意流体的相态要保持一致。
换热器几何尺寸(Exchanger Geometry)
在这里你可以设定换热器的几何参数,主要的输入窗口有:
Geometry Summary(尺寸摘要)
Shell/Heads/Flanges/Tubesheets(壳体/封头/法兰/管板)
Tubes(换热管)
Baffles/Supports(折流板/支撑板)
Bundle Layout(管束布置)
Nozzles(接管)
Thermosiphon Piping(热虹吸管)
尺寸摘要(Geometry Summary )– Geometry, Tube Layout
有Geometry和Tube Layout的两个标签。
Geometry
在这个标签下,你也可以确定前端管箱、壳体和后端管箱的类型,换热器的安装方位、壳体和换热管的尺寸和数量,折流板的结构尺寸和数量。
Front Head Type(前端管箱类型)
A型:平盖管箱,是最常用的一种,平盖和管箱均可拆卸,便于维修和更换,管程清理比较方便,不用把管箱拆下,也不会影响箱体进出口的管道。当管程流体容易结垢,或者脏污的流体时,可选用A型管箱。缺点是容易泄露。
B型:封头管箱,封头与箱体采用焊接固定,箱体与壳体或管板采用法兰连接,可拆卸。管程流体要相对清洁,并且设计压力高于A型管箱,造价最低。
C型:管箱与管板焊接一体,采用平盖可拆卸连接。更换和维护比较困难,一般用于可拆卸管束、壳程侧需要经常清洗,并且管程侧压力较高(>100bar)的有害性流体。
N型管箱:与C型管箱相似,不同的是箱体不是焊接到管板上,而是直接与壳体焊为一体,缺点也是拆卸和更换比较麻烦,一般用于管程流体压力较高(>150bar)并且为有害性流体。
根据需要选择前端管箱的类型。如果管内壁需要经常机械清理,根据需要选择A型、C型或N型管箱,B型管箱的成本最低。
D型管箱为特殊设计的高压管箱,难以维修和更换,造价最高,用于压力超过150 bar 的场合。
A型前端管箱与B型相比,在清洗管头是不用拆卸管箱,不拆装管箱与外部管线的连接,不影响工艺管线,但对于小管径、多管程设备优点不明显。
注意:前端管箱又称为固定管箱( Stationary Head or Fixed Head)
Shell Type(壳体类型)
E type: 换热性能最好,但压降也最高。最常用的一种壳体,几乎使用于所有换热场合。纯逆流操作下热流体的出口温度可低于冷流体的出口温度。
F type: 将壳程分为两程,中间有纵向挡板,但泄露严重,壳程流体的温度变化范围最好在175°C以内。纯逆流或U形管换热器中可用。
G & H type: 可有效提高壳程流体的对流传热系数。相对来讲H型尺寸更大,压降更低一般用于水平布置的热虹吸再沸器。
J type: 用于壳程冷凝的冷凝器,上部为蒸汽的两个入口,下部为冷凝液的出口,可减少振动情况的发生。用作蒸发器时液体从下部接管进入壳程,蒸汽从上面两个出口流出。
K type: 一般用于再沸器、蒸发器和冷凝器的 设计,壳体空间较大,避免蒸汽中液沫的夹带。
X type: 可有效降低壳程流体的压降。可设置多个进出口,并采用支撑板隔离,以提供较为良好的错流换热。
D type: 具有超过壳体的纵向翅片,以提供更大的换热面积。u
M type: 可以设置纵向翅片,一般采用光滑管,并采用折流板强化错流。
注意:一般情况下采用E型壳体,当设计溢流式蒸发器时,若冷流体出口质量分数小于1,采用K型壳体,若冷流体出口质量分数等于1,采用X型壳体。
Rear Head Type(后端管箱类型)
换热器的类型通常取决于后端管箱的形式,固定管板式换热器的后端管箱通常为L、M和N型,U管换热器后端直接用封头堵上就行了,而浮头换热器的后端管箱为P、S、T、W。
L、M、N型后端管箱分别与A、B、N型前端管箱相对应。管板与壳体焊接,当壳程流体不需要机械清洗、检修时可采用。当壳体与换热管沿长度方向平均金属壁温差异较大的情况,需要设置膨胀节,如课程高参数,则设置膨胀节有风险,不用于壳程有高压的情况。
U形管换热器:为可拆洗管束中造价最低的一种换热器形式,管束与壳体之间的间隙最小,采用F型壳体时可实现全逆流换热,允许管束和壳体自由膨胀,当管程为清洁流体时可用。
浮头式换热器:在浮头式换热器中,P型后端管箱采用填料函密封,成本较低,但容易泄露,仅用于低压和无害流体。S型造价最高,管束与壳体之间的间隙在所有浮头换热器中最小,相对来讲,T型后端管箱壳体与管束间隙最大,造价最高,W型一般用于低压和无害流体。
•L、M、N型后端管箱分别与A、B、N型前端管箱相对应。用于不需要机械清洗、检修的场合。当壳体与换热管沿长度方向平均金属壁温差异较大的情况,需要设置膨胀节,如课程高参数,则设置膨胀节有风险,不用于壳程有高压的情况。
•S、T为两种常见浮头结构,适用于管壳程需要进行机械清洗的场合,一般采用正方形或转角三角形布管。浮头结构经济性差,一般只适用于低参数场合。
•固定管板式换热器:AEL、BEM、NEN,壳程不能机械清洗,不能检修,不能用于壳程高压的场合。
•浮头换热器:AES、BES、AET、BET,管壳程均需要清洗的场合。
•填料函:AEP、BEP、AEW、BEW,适用于壳程低参数,壳程介质泄漏对环境无危害的场合。
•U形管式:AEU、BEU、CEU、NEU,双管程。
•釜式重沸器:AKT、BKT,AKU、BKU。
•高压管壳换热器:DEU、DFU。
Exchanger Position(换热器安装方位)
确实换热器时水平安装合适竖直安装。
某些情况下换热器的安装方位是强制性的,比如对于降膜蒸发器或管程回流冷凝器,必须竖直安装,管程采用热虹吸管的换热器也需要竖直安装,其他情况下根据需要,一般多采用水平安装。
Shell(s) - ID(壳体内径)
输入壳体的内径。
壳体、管箱壳体和封头共同组成了管壳式换热器的外壳。管壳式换热器的壳体通常是由管材或板材卷制而成的。当直径小于400mm时,通常采用管材和管箱壳体。当直径不小于400mm时,采用板材卷制壳体。其直径系列应与封头、连接法兰的系列匹配,以便于法兰和封头的选型。一般情况下,当直径小于1000mm时,直径相差100mm为一个系列;当直径大于1000mm时,直径相差200mm为一个系列,若采用旋压封头,其直径系列的间隔可取100mm。
当壳体直径小于400 mm时,一般采用无缝钢管作为壳体,这里不输入,仅输入壳体外径,系统根据壁厚确定内径的大小。
K型壳体输入入口侧壳体的内径。
在设计模式下,该值不需要输入。
Shell(s) - OD(壳体外径)
输入壳体的外径。
当壳体采用钢板卷制时,此处留白,由系统根据壳体壁厚和壳体内径计算得到。
当采用无缝钢管作为壳体时,注意这里的数据应与标准相一致。
Shell(s) - Series(串联壳体数量)
默认状态下壳体串联的数量为1。在校核、模拟和寻找污垢热阻模式下,根据实际输入串联壳体的数量。
Shell(s) - Parallel(并联壳体数量)
默认为1。在 Rating/Checking 、Simulation 或Find Fouling 模式下,根据实际输入壳体并联的数量。
Tubes - Number(换热管数)
在设计模式下EDR会自行计算所需换热管的数量,在校核模式下可根据需要进行调整。U形管换热器中,这里指的是总的换热管的数量。
Tubes - Length(换热管长)
指换热管的总长度,一般指两个管板之间换热管的长度,U形管换热器中,管长指的是直线段长度。
《GB/T 151-2014》中推荐的换热管长度规格有1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、4.5 m、6.0 m、7.5 m、9.0 m、12.0 m。
在校核模式下对换热器管长按上述标准进行圆整。
Tubes - OD(换热管外径)
可从EDR下拉列表中选择标准的换热管外径,但《GB/T 151-2014》给出的规格都是圆整后的值,有 14,16 ,19, 25, 30,32, 35, 38, 45, 50, 55, 57mm,常用的有19 mm,25mm,和38 mm,在校核模式下,据此进行圆整。
Tubes - Thickness(换热管壁厚)
换热管常用壁厚为2 mm和2.5 mm,据此对数据进行圆整。
Tube Layout - option(换热管布置)
Shell&Tube 根据以下三种方式布置每一根换热管。
1. 整体布管法(A set of internal rules), 确定换热器的尺寸后布置各个换热管。设计模式下总是使用这种方法,在校核和模拟模式下也是布管的默认模式。
2. 管程布管法(Pass Details specification), 确定每一管程的行数和列数,这样就可以确定所有换热管的布置。
3. 交互布管法,在布管图上由用户确定每根换热管的位置。
Tube Layout Option 输入包含四个选项:
新设计优化布置(New (optimum) Layout)采用方法1;
新设计并满足换热管数(New match tubecount) 也使用方法1,
新设计并满足分程要求(New, match pass details)使用方法2.
采用现有布置(Use existing layout) 优先使用方法3,但也可以使用其他两种方法。
在确定换热管布置的方法之前, 你最好了解上述各种方法的区别。另外你还应该注意到,这里有个 Number of tubes i输入框,一般不需要你的输入,系统根据布管原则自行计算出排列的换热管根数。如果你输入的换热管数与系统计算得到的换热管数不同,系统会发出警告。在设计和校核模式下,你可以调整输入的换热管数,或者不输入换热管数,采用系统的计算值作为总换热管数。在模拟模式下,因为换热管数已经确定,系统将根据你的输入值计算换热负荷和压降大小。
Tube Layout - Tube Passes(管程数)
输入管程数。Shell&Tube 允许输入的最大管程数为16, 可以为奇数,也可以为偶数,一般情况下,奇数不太常见。
Tube Layout - Pitch(管间距)
系统根据管外径的大小,管间距按最小管间距计算,可根据《GB/T151-2014》值进行圆整。
Tube Layout - Pattern(换热管的布管形式)
换热管的布管形式有正三角形排列、转角正三角形排列、正方形排列和转角正方形排列,在EDR中分别与30°、60°、90°和45°排列相对应。
三角形和转角三角形排列布管紧凑,排布的换热管数多,但换热管的外壁不太容易机械清洗,所以一般用于壳程流体较清洁、不需要机械清洗的场合。
当壳程流体容易结垢,壳程侧需要经常机械清洗时,选择正方形或转角正方形排列。
Baffles - Spacing (center-center)(折流板板间距)
《GB/T151-2014》和TEMA没有给出标准的折流板板间距系列,我们可以根据需要自行确定折流板板间距的大小,按照我们的习惯板间距尽量圆整。在《GB/T151-2014》中对折流板板间距的布置给出如下要求:
1. 管束两端的折流板尽可能靠近壳程进出口接管,其余折流板宜按等间距布置;
2. 最小板间距不宜小于圆筒内径的1/5,且不小于50 mm,特殊情况下考虑较小的板间距;
3. 换热管无支撑跨距不应大于下表的规定,防止振动。当无支撑跨距超过要求时,EDR会发出警告。
Baffles - Spacing at Inlet(壳程入口管与第一块折流板距离)
按照《GB/T151-2014》的要求,这个距离尽量小,但一般不会将折流板直接置于入关口正下方,适当错开一定距离。在EDR中一般输入Spacing at Inlet数据,Spacing at Outlet的距离有系统计算得到,不再需要输入了。
Baffles - Number(折流板数)
输入换热器的折流板数。在校核、模拟和热虹吸计算中一定要输入此数据。注意块折流板将换热器的纵向空间分为
空间。对于无折流板或杆式折流板,这里不需要输入折流板数。
如果你没有输入,系统根据管长、板间距等数据会自行计算折流板数,但会给出一个相关警告。
Baffles - Spacing at Outlet(壳程出口与最后一块折流板距离)
该数据不需要输入,系统根据其他数据计算得到。
Baffles - Type(折流板类型)
在EDR中,有单弓形(Single Segmental)、双弓形(Double Segmental)、三弓形(Trible Segmental)和折流杆(Unbaffled Rod)几种类型可选。当然最常用的为单弓形折流板,它传热系数最高,相应的压降也最高。
Baffles - Tubes in Window(折流板缺口处是否布置换热管)
Tubes in window,也即是在折流板的缺口处布置换热管,由于此处换热管的支撑跨度较大,所以容易出现振动问题。
如果想解决换热管的振动问题,这里可选择 No Tubes in window ,当然代价就是壳体内部有大量空间没有得到有效利用
Baffles - Orientation(折流板的布置方向)
可选择水平布置和竖直布置。
Horizontal(水平布置)
折流板缺口上下水平布置,流体上下流动,如果壳程流体为单相,并且进出口管在上下两侧,这是一种不错的选择。
Vertical(竖直布置)
折流板缺口在左右两侧竖直布置。在蒸发或冷凝过程,采用水平布置的折流板不利于气液两相的分离,所以这时候可以选择竖直布置折流板。
Baffles - Cut (%d)(折流板的缺口率)
折流板的缺口高度与壳体内径之比。单弓形折流板的缺口率一般为20%~40%,尽量不要超过45%。最常用20%和25%两组数据。
双弓形折流板的缺口高度有两个:靠近壳体内壁侧的Y和靠近中心线处的X(如上图),两者范围在10%~25%和5%~15%之间。
没有输入的情况下,系统会进行估算,后期校核时可进行调整。
Tube Layout(换热管的布置)
当 Tube Layout Option 选项设置为 Use Existing Layout 时,Tube Layout 处于可编辑状态,此时根据需要你可以微调下列尺寸和位置:
Bundle Limits(布管圆)
Pass Regions(分程隔板)
Nozzles(接管)
Baffles(折流板)
Tie Rods(拉杆)
Tube Lines(换热管排数)
Impingement Plate(防冲挡板)
Impingement Rods(防冲杆)
Sealing Strips(挡板)
PP Lane Sealing Strips(分程隔板后挡板)
Plugged tubes(阻塞管)
Vibration tubes(振动管)
Bundle Runners(滑道)
Longitudinal Baffles(纵向隔板)
右键单击换热管,可以添加或删除换热管,或将换热管换成拉杆或阻塞管。
在设计换热器时一般先通过设计模式,得到一个布置后根据需要在这里进行微调,调整太多系统可能会报错。
壳体/管箱/法兰/管板(Shell/Heads/Flanges/Tubesheets )– Shell/Heads, Covers, Tubesheets, Flanges
在这个窗口下,有壳体/管箱(Shell/Heads)、封头(Covers)、管板(Tubesheets)和法兰(Flanges)四个标签。
壳体/管箱(Shell/Heads)
在Shell/Heads标签下,可以输入、选择或更改前端管箱、壳体和后端管箱的类型,换热器的摆放方位,竖直布置换热器的前端管箱的位置(Location of Front Head for Vertical Units)、E型壳体进口位置和壳程的尺寸。根据需要将直径和厚度尺寸进行圆整。
封头(Covers)
在封头标签下选择前端管箱、后端管箱的类型已经与管箱的连接方式,封头的类型与管箱类型有关。U形管换热器中需要指定壳体封头的类型(Shell Cover Type)和中心线上U形管直管末端到封头内壁的距离(Distance from U-bend center to shell cover)。
管板(Tubesheets)
在这里选择管板类型、管板厚度、换热管与管板的连接方式、换热管伸出管板的长度和膨胀节的类型。
管板的类型对换热器的换热性能和成本有重要影响。默认为单管板(normal)型式,当不允许壳程和管程流体有任何泄露时,选择双管板型式,并且主要用到固定管板换热器或者U型管或填料函换热器。双管板的结构使得换热管的有效长度减少,换热面积也减少,并且也会影响到壳程接管的位置和折流板的板间距。 间隔双管板( gap type double tubesheet )的管板间距通常为150 mm。集成式双管板( integral type double tubesheet)内部可有蜂窝状流体通道,泄漏至此的流体从这里排出,因需要特殊设备制造, 所以比较少用。
Tube to tubesheet jiont(换热管与管板的连接)
根据《GB/T 151-2014》6.6节,换热管与管板的连接方式分强度胀接、强度焊接、胀焊连用和内孔焊等。
强度胀接适用范围:
(1)设计压力小于或等于4.0 MPa;
(2)设计温度小于或等于300 °C;
(3)操作中无振动、无过大温度波动,无明显应力腐蚀倾向。
强度焊接
当压力较高、但无较大振动和缝隙腐蚀倾向时可采用强度焊接。
胀焊并用适用范围:
(1)有振动或循环载荷;
(2)存在缝隙腐蚀倾向;
(3)采用复合管板。
需要时采用内孔焊,不需要就不要选了。
在EDR中,首先按默认选项选择强度胀接(Expanded only),必要时调整连接方式。
Include Expansion Joint (膨胀节)
在固定管板换热器设计中,EDR根据壳体和管束膨胀差别的大小确定是否设置膨胀节。膨胀节的设置对传热性能影响不大,但会造成成本大幅上升。
优先选择无膨胀节的固定管板换热器,如不能满足管壳程的膨胀要求,根据需要设置膨胀节。选项有:
(1)Flange and flued (TEMA) type refers to an expansion joint with two radii.
(2)Flanged only (TEMA) type has a radius only at the outer edge. The joint with the shell is a straight angle.
(3)Unreinforced bellows (code)
(4)Reinforced bellows (code)
通常flanged type(U型)膨胀节造价最低,但柔韧性不如波纹管(bellows type)
法兰
在EDR Shell & Tube中,容器法兰分为与热流体接触(The Flange Type – Hot Side)和冷流体接触(The Flange Type – Cold Side)的容器法兰,每一种都有如下四种类型可选:ring flange(环形密封法兰,类似于榫槽面密封法兰), ring with overlay flange(带镀层环形法兰) lap joint flange(活套法兰), 或 hub flange(带颈法兰).
这些法兰类型可参照 ASME Section VIII Division 1, Appendix 2 或其他设备标准。
换热管(Tubes) – Tube, Low Fins, Longitudinal Fins, Inserts, KHT Twisted Tubes
常用的换热管类型为光滑管(Plain),为了增强管外壳程流体的对流程度,可选择Low Fins和Longitudinal Fins等类型的翅片管,需要增强管内流体湍流程度是可选择Inserts, KHT Twisted Tubes带内部对流强化元件的换热管。
通常情况下换热管的类型优先选择光滑管(Plain),管表面(Tube surface)按默认的光滑(Smooth),并满足普通工业换热器的使用要求。系统也允许你单独输入管壁的粗糙度,但需要谨慎,因为在使用过程,管壁的粗糙程度会随时变化的。
注意管长、管径和厚度等参数满足《GB/T 151-2014》的圆整要求。
折流板/支撑板(Baffles/Supports)
在折流板/支撑板页面下,包含折流板( Baffles), 支撑板( Tube Supports), 纵向折流板(Longitudinal Baffles), 可调折流板板间距(Variable Baffle Pitches)和消振板(Deresonating Baffles)等几个输入标签。
折流板( Baffles)
在折流板标签下,可设置参数如下:
Baffle Type(折流板类型):根据需要选择折流板的形式,一般选择单弓形折流板。
Tubes are in Baffle Window(折流板缺口处是否布置换热管):有Yes和No两个选项,默认选Yes。
Baffle Cut (% diameter) inner/outer/intermediate(折流板缺口高度与壳体内径之比):单弓形一般设置25%或20%,其他形式根据前述内容设置。
Align Baffle Cut with Tubes(折流板缺口是否与换热管对齐):默认选Yes。
Multi-Segmental Baffle starting Baffle(多弓形折流板起始类型选择):对于多弓形折流板,从前端管箱开始,选择一块、两块或三块折流板最为第一位置折流板。单弓形折流板不存在这个问题。
Baffle Cut Orientation(折流板缺口方位):水平(Horizontal )或竖直(Vertical)布置。
Baffle Thickness(折流板厚度):按《GB/T 151-2014》,折流板的最小厚度如下表:
Baffle Spacing Center-Center(折流板板间距):折流板的最小板间距不小于50 mm,也不能小于壳体内径的1/5,在此基础上选择合适的板间距。
Baffle Spacing at Inlet(进口位置折流板间距):如上图所示,该尺寸为入口折流板与管板内表面之间的纵向距离,若为U形管换热器,该距离为换热管直管末端到入口折流板之间的距离,当在直管段末端设置折流板时,该距离为0。当设置支撑板时,该距离为折流板到支撑板之间的纵向距离。
Baffle Spacing at Outlet(出口位置折流板间距):输入Baffle Spacing at Inlet后,该参数有系统计算得到,不需输入。
Number of Baffles(折流板数):
在设计模式下,EDR通过计算得到推荐的折流板数,在校核或模拟模式下,该数据可以调整,但必须输入。对于E型壳体,如果壳程进出口在换热器的同侧,对于水平放置的折流板,折流板数必须为奇数;若壳程进出口在换热器的上下两侧,折流板数需为偶数。若输入不一致,系统会自动调整。
G、I和J型壳体,折流板沿中间接口两侧对称分布,所以折流板数为偶数。
H型壳体分四个区域布置折流板,所以折流板数为4的倍数。
End Length at Front Head (tube end to closest baffle)(前端管箱折流板距换热管起始端的距离)
End Length at Front Head = 换热管伸出前端管板长度(3 mm)+ 前端管板壁厚 + Baffle Spacing at outlet
上述数据确定后,该数据由系统计算得到,不需要输入,否则容易出现矛盾的情况,并发生报警。
End Length at Rear Head (tube end to closest baffle)(后端管箱出折流板距换热管末端距离)
End Length at Rear Head = 换热管伸出末端管板长度(3 mm)+ 末端管板壁厚 + Baffle Spacing at inlet
End Length at Front Head + End Length at Rear Head + 板间距×(折流板数-1)= 管长,这两个数据通常由系统计算得到,不必手动输入。
Distance between baffles at central inlet/outlet for G, H, I, J shells(G、H、I 和 J型壳体中间接管两侧相邻折流板距离),如下图所示
Distance between Baffles at Center of H shell(H型壳体中间区域两侧折流板间距)
近似为左右两侧纵向折流板之间间距。该区域可设置支撑板,一般置于两块纵向折流板的中间。
如果没有输入该数据,系统取换热器两段折流板间距平均值的2倍作为该值的输入值。
Baffle OD to Shell ID diametric clearance(折流板外侧与壳体内壁之间的间隙)
系统根据TEMA标准确定该值的大小,《GB/T 151 - 2014》表6-20规定了折流板的名义外径大小,也可据此确定该值。
Baffle Tube Hole to Tube OD diametric clearance(折流板管孔间隙)
EDR根据TEMA确定折流板上管孔间隙的大小,根据《GB/T 151 - 2014》该值大小如下表所示。
换热管材料不同,该值大小不同,具体可查《GB/T 151 - 2014》。
Tube Supports(支撑板)
根据需要设置支撑板,如下图所示。
一般存在振动情况时才考虑设置支撑板,否则不设置。
Longitudinal Baffles(纵向折流板)
F、J或H型壳体需设置纵向折流板。
Variable Baffle Pitch(可调折流板间距)
在换热器设计中,如果某些位置上折流板的板间距、缺口率等需单独设置,可在这里进行调整,EDR最多允许调整四个区域的折流板。
Deresonating Baffles(消共振折流板)
当存在振动情况时,可通过增加 Deresonating Baffles 折流板来降低换热管的振动情况。
没有振动,就不必要设了。当然消振的方法有很多,不一定非要增加折流板。
管束布置(Bundle Layout)
在管束布置(Bundle Layout)窗口中可设置布管参数(Layout Parameters)、布管限定区/分程隔板(Layout Limits/Pass Lanes)、拉杆/定距管(Tie Rods/Spacers)、布管调整(Tube Layout)和分程细节(Pass Details)等参数。
布管参数(Layout Parameters)
布管页面如下图所示,可设置参数如下。
Tube Layout option(布管选项)
Number of Tubes (total)(设定总管数)
Tubes in Layout(布管管数)
上述三个参数同Geometry Summary/Tube Layout设置。
Main input/Tube Layout inconsistencies
当设定总管数与系统布管管数不同时,系统应该采用哪个数据。共有四个选项:
Default (use layout):默认,采用系统布管管数;
Treat as Fatal Error:直接报错;
Use Layout Value (warning):采用系统布管管数,并报警;
Use Main Input value (warning):采用输入的设定管数,并报警。
仅 Tube Layout Option 设置为 Use Existing Layout 时,该选项才可用。
Tube Layout Design(布管设计)
可选择是否在接管下方布置换热管,选择Normal时将去除接管下方的换热管,选择Full时在接管下方布置换热管。
D型或无折流板的M型壳体,这里总是选择Full。
在设置壳程接管时, Remove Tubes below Nozzle 的设置与这里同步。
Tube Pattern(排列形式)、Tube Passes(管程数)和 Tube Pitch(管间距)同Geometry Summary/Tube Layout设置
Pass Layout(管程布置形式)
当管程数超过4时,管程布置有多重形式,布置的换热管数不尽相同,也会对换热过程造成影响。EDR将其分为Quadrant (double banded)、Mixed (H banded) 和 Ribbon (single banded) 三种布置形式
Quadrant (double banded)
Quadrant 布管通常可以得到最多的布管数(但并不总是如此),对于4管程以上的U形管换热器,通常采用这种分程形式,管程进出口通常需要偏离中心线,对于分程数为6、 10 和 14 的换热器,系统会自动避开这种分程形式 l。
Mixed (H banded)
好处是管程接管可以布置在中心线上,布管数接近于quadrant 的分程形式,当分程数为4, 8, 12, 或 16 并且带有纵向折流板的壳体,系统会避开这种分程形式。
Ribbon (single banded)
一般采用Ribbon 分程形式得到的换热管数最少,当分程数为奇数时,系统自动选择这种分程形式。X型壳体也使用这种分程形式。好处是管程温度从上至下缓慢变化,相应的热应力比其他两种分程形式小很多。l
Pass Layout Orientation(分程隔板的方位)
上面三种分程形式中,分程隔板主要有Standard (horizontal)水平布置(左)和Vertical竖直布置(右)两种,当分程数超过4时,也会有其他混合的分程形式。在这里确定分程隔板是按左边的水平布置还是按右边的竖直布置,或其他混合形式。
Tube Layout Symmetry(布管的对称性)
这里可以设置在管板上布管的对称性,有Standard Symmetry、Full Symmetry 和 No Symmetry Enforced 三个选项。布管有左右对称、上下对称两种。如果是水平布置的分程隔板,Standard Symmetry 表示仅沿竖直的主直径进行强制左右对称布管,Full Symmetry表示强制上下、左右对称布管,No Symmetry Enforced 表示没有对称的强制约束。
一般情况下仅从最外层调整布管的对称形式,三种布管方式的总布管数会有稍许差别,对称性越高,布管数越少,但也并不总是如此。
Bundle Limit Symmetry(布管限定区的对称性)
在多管程布管时,各个管程的区域面积不同,各区域布管的数量也不同。比如下图中1管程为管程进口区域,布管数量为196, 4管程为出口区,布管数量为213。如果强制要求管数对称,1、 4 管程的布管数量就会相同。布管的对称性就会自动设为 Full Symmetry。
对称布管的好处是上下折流板缺口的形状都相同,但会减少总的布管数量。
Number of Sealing Strip Pairs(旁路挡板对数)
当管束外围与壳体内壁之间存在较大空隙时,壳程流体容易在外围空间较大的区域汇集,造成中间换热区流动流体减少,影响换热效果,为降低这种情况发生,可在管束外围区域设置旁路挡板(Sealing Strip),一般旁路挡板成对设置,《GB/T 151 - 2014》规定,当管束外围短路宽度超过16 mm时,必须设置防短路结构,一般设旁路挡板。
在设计模式下,EDR根据计算结果,自动确定旁路挡板的数量和位置。在模拟模式下,你可以自行输入旁路挡板的数量。
旁路挡板的厚度一般与折流板厚度 相同,排布在管线外围,宽度根据间隙大小确定,与换热管间距与两个相邻换热管间距大致相同。
Sealing Strip Orientation(旁路挡板的方向)
设置旁路挡板的安装方向,一般与壳程错流流体流动的方向相垂直( transverse ),即与折流板切口方向平行。也可选择沿 radial 设置。
Orientation of U-bends(U形管方向)
U形管换热器中U形管的方向,一般 Shell&Tube 根据分程隔板的方向进行设置。有Horizontal和vertical两种情况。
接管(Nozzles) – , Tube Side Nozzles, Domes/Belts, Impingement
设置壳程接管和管程接管的尺寸。
Shell Side Nozzles(壳程接管)
壳程接管输入如下:
Use separate Outlet Nozzles for Hot/Cold side Liquid/Vapor flows:当壳程流体有气液两相时,可选择气液两相分别从两个接管中排出。选项有Yes或No。
Use the specified Nozzle dimensions in `Design' mode:设计模式下是否指定接管尺寸。
Nominal Pipe Size:接管名义尺寸。
Nominal Diameter / Actual OD / Actual ID:名义直径、实际外径、实际内径,Shell&Tube 根据名义直径,选择标准的接管尺寸,通常为国内标准系列中B系列无缝钢管。
Wall Thickness:接管壁厚,可根据国内标准进行圆整。
Nozzle Orientation:接管方向
Distance to Front Tubesheet:到管板的距离,也即是接管的定位尺寸,可以手动输入,也可以由系统计算确定。
Number of Nozzles: 接管数量,一般一个进口,一个出口。
Multiple Nozzle Spacing:多接管时各接管之间的间距,即定位尺寸。
Nozzle / Impingement Type:放冲结构类型
是否设置放冲挡板(Impingement)、防冲带(Vapor Belt)或导流筒(Dome)。
为了防止壳程进出流体对换热管的冲蚀,可在进出口下设置防冲结构。
TEMA和《GB/T 151》规定,下述情况之一需要设置防冲结构:
(1)非磨蚀性单向流体,入口流体动能因子超过 2232 kg/(m*s2) 或 1500 lb/(ft*s2) 时;
(2)入口流体为磨蚀性液体,动能因子超过 744 kg/(m*s2) 或 500 lb/(ft*s2) 时;
(3)饱和蒸汽;
(4)腐蚀性气体;
(4)汽液混合物;
Remove Tubes below Nozzle(移除接管下面的换热管)
选择是否移除接管下面的换热管,或移除的方式。移除方式有等流通面积(Equate Areas )和投射(In Projection )两种。默认为Equate Areas。
Maximum Nozzle RhoV2: 指定Shell&Tube 设计所依据的最大动能RhoV2 。
Shell Side Nozzle Flange Rating:壳程接管法兰压力等级
Shell and Tube 不能确定接管法兰压力等级,如需要转换到 Shell and Tube Mechanical 运行计算。
Shell Side Nozzle Flange Type :壳程接管法兰类型
slip on(平焊法兰)
slip on overlayed
Lap joint(活套法兰)
Weld neck(带颈对焊法兰)
Long weld neck(长颈法兰)
Shell Side Nozzle Location options
指定壳程进口接管和出口接管位于壳体的同侧还是两侧。
水平安装的换热器一般进出口安装在壳体的上下两侧,当壳程为热流体时进口在上,当壳程为冷流体时进口在下,对于冷凝器或蒸发器,这种布置也比较合理。如果是竖直安装的换热器,或者壳程为单相流体时,将进出口安装在壳体的同侧会更有利于管道的布置。
Location of Nozzle at U-Bend
对于U型管换热器,确定接口的位置。
Nozzle Diameter displayed on TEMA sheet
指定在TEMA标准注释接管尺寸的种类,是公称直径(Nominal)、外径还是内径。
标准管选择公称直径。
Tube Side Nozzles(管程接管)
管程接管的设置大致同壳程接管,只是在安装位置上有所不同。
另外需要时设置防冲装置。
虹吸管(Thermosiphon Piping) – Thermosiphon Piping, Inlet Piping Elements, Outlet Piping Elements
制造说明(Construction Specifications)
在Construction Specifications类里,主要指定换热器各零部件的材料和设计标准。