第三講 熱過程單元的仿真設(shè)計(jì)

1、化工CAD基礎(chǔ) 第三講,Simulation Design of Thermal Processes 熱過程單元的仿真設(shè)計(jì),傳熱單元模型的分類,加熱器 Heater換熱器 HeatX多物流換熱器 MHeatX熱通量換熱器 HXFlux,傳熱單元?dú)w屬換熱器類(Heat Exchangers)，共7種模型，AspenPlus內(nèi)部用的有4種，其余3種是與其它軟件的接口模塊：,傳熱單元模型的分類 (2),

2、Heater 加熱器模型,Heater 模型用于模擬以下單元， 改變單股物流的溫度、壓力和相態(tài)：,加熱器冷卻器閥門（僅改變壓力，不涉及阻力）泵（僅改變壓力，不涉及功率）壓縮機(jī)（僅改變壓力，不涉及功率）,Heater 加熱器模型（2）,Heater —— 連接,Heater 模型的連接圖如下：,1、閃蒸規(guī)定 ( Flash specifications) （1）溫度 Temperature （2） 壓力 P

3、ressure （3）溫度改變 Temperature change （4）蒸汽分率 Vapor fraction （5）過熱度 Degrees of superheating （6）過冷度 Degrees of subcooling （7）熱負(fù)荷 Heat duty,Heater — 模型參數(shù),Heater模型有兩組模型設(shè)定參數(shù)：,從中任選兩項(xiàng),Heater — 模型參數(shù)（2）,2、有效相態(tài)

4、( Valid Phase )（1）蒸汽（2）液體（3） 固體（4）汽—液（5） 汽—液—液（6）液—游離水（7） 汽—液—游離水,Heater — 模型參數(shù)（3）,Heater模型有兩組模型設(shè)定參數(shù)：,Heater — 模型參數(shù)（4）,溫度20℃、壓力0.41 MPa、流量4000 kg/hr 的軟水在鍋爐中加熱成為0.39 MPa的飽和水蒸氣進(jìn)入生蒸汽總管。求所需的鍋爐供熱量。,Heater — 應(yīng)用示例 (1),流量

5、為1000 kg/hr （0.4 MPa ）的飽和水蒸汽用蒸汽過熱器加熱到過熱度 100 ℃（0.39 MPa），求過熱蒸汽溫度和所需供熱量。,Heater — 應(yīng)用示例 (2),流量為 1000 kg/hr、壓力為 0.11 MPa、 含乙醇70 %w、 水30 %w的飽和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽/液比（摩爾）=1/3。求冷凝器熱負(fù)荷。,Heater— 應(yīng)用示例 (3),案例研究(Case Study)是ASPEN P

6、lus提供的模型分析工具(Model Analysis Tools)之一。當(dāng)需要對(duì)多個(gè)不同的工況條件的結(jié)果進(jìn)行比較時(shí)，尤其是不同工況有多個(gè)且數(shù)目不等的參數(shù)需要改變時(shí)，案例研究工具提供了非常方便的手段: 一次輸入所有工況的參數(shù)值，通過批處理運(yùn)行方式計(jì)算出全部結(jié)果，自動(dòng)輸出到結(jié)果文件中。,Case Study — 案例研究,Case Study— 案例研究（2）,Case Study— 參數(shù)定義,首先在改變(Vary)表單中定義不同案例中需

7、要改變的變量：,使用變量序號(hào)(Variable number)下拉框中的新建(new)選項(xiàng)增添新的變量；使用調(diào)節(jié)變量(Manipulated variable)欄中的一組下拉框設(shè)定每一個(gè)變量的定義。,Case Study—參數(shù)定義（2）,Case Study— 參數(shù)賦值,然后在規(guī)定(Specification)表單中定義不同案例中調(diào)節(jié)變量的值：,使用案例序號(hào)(Case number)下拉框中的新建(new)選項(xiàng)增添新的案例；在調(diào)節(jié)變

8、量值(Values of manipulated variable)表的單元格中按順序輸入相應(yīng)案例里每一個(gè)調(diào)節(jié)變量的給定值。,Case Study— 參數(shù)賦值（2）,Case Study— 批處理運(yùn)行,完成案例定義后，從窗口的級(jí)聯(lián)式菜單中選擇“運(yùn)行→批處理→提交”命令 Run→Batch→Submit并在彈出的對(duì)話框中設(shè)定運(yùn)行代號(hào)(RunID)，運(yùn)行結(jié)果輸出文件將采用運(yùn)行代號(hào)作為文件名。,Case Study—批

9、處理運(yùn)行（2）,Case Study—批處理運(yùn)行（3）,Case Study— 結(jié)果查看,案例研究的模擬結(jié)果采用文件輸出，不能直接從圖形用戶界面中查看。運(yùn)行完成后，會(huì)在工作目錄下自動(dòng)生成輸入(*.inp)、狀態(tài)(*.sta)、簡(jiǎn)匯(*.sum)和輸出(*.out) 四個(gè)文本文件，結(jié)果數(shù)據(jù)在*.out文件中，可用文本編輯軟件打開查看和編輯。,流量為 100 kg/hr、壓力為 0.2 MPa、溫度為20 ℃的丙酮通過一電加熱器。當(dāng)加熱功

10、率分別為 2 kW、5 kW、10 kW 和 20 kW 時(shí)，求出口物流的狀態(tài)。,Heater — 應(yīng)用示例 (4),Heater — 物性計(jì)算,利用Heater模塊可以很方便地計(jì)算混合物在給定熱力學(xué)狀態(tài)下的各種物性數(shù)據(jù)，如泡點(diǎn)、露點(diǎn)、飽和蒸汽壓、密度、粘度、熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等等：只需將給定組成的物流導(dǎo)入Heater模塊，根據(jù)給定的熱力學(xué)狀態(tài)設(shè)定Heater的模型參數(shù)，并在總Setup的Report Options中設(shè)定相應(yīng)的輸出參數(shù)選項(xiàng)

11、即可。,求壓力為 0.2 MPa，含甲醇30%w、乙醇20%w、正丙醇20%w、水30%w 的混合物的泡點(diǎn)和露點(diǎn)。,Heater — 應(yīng)用示例 (5),,HeatX 換熱器模型,逆流/并流（Countercurrent / Cocurrent)折流板殼程（Segmental Baffle Shell)棍式擋板殼程（Rod Baffle Shell)裸管/低翅片管（Bare/Low-finned Tubes),HeatX 模型用

12、于模擬下述結(jié)構(gòu)的管—?dú)な綋Q熱器：,計(jì)算兩股物流之間的熱量交換。,HeatX 換熱器模型（2）,HeatX—— 連接,HeatX 模型的連接圖如下：,計(jì)算類型 Calculation流動(dòng)方式 Flow arrangement換熱器設(shè)定 Exchanger specification,HeatX—模型設(shè)定,HeatX 的設(shè)定從規(guī)定(Specification) 表單著手，有三組設(shè)定參數(shù)：,HeatX—模型設(shè)定（2）,

13、計(jì)算欄目中有三個(gè)選項(xiàng)： 1、簡(jiǎn)捷計(jì)算 Short-cut 2、詳細(xì)計(jì)算 Detailed 3、Hetran 精確計(jì)算 Hetran Rigorous 輸出Hetran軟件(換熱器設(shè)計(jì)專用軟件)的輸入文件供其精確計(jì)算。下部的下拉式選擇框中也有三個(gè)選項(xiàng)： 1、設(shè)計(jì) Design 2、核算 Rating 3、模擬 Simulation兩組選

14、項(xiàng)按下述方式配合使用：,HeatX—計(jì)算類型,HeatX—計(jì)算類型（2）,1、簡(jiǎn)捷計(jì)算 簡(jiǎn)捷計(jì)算只能與設(shè)計(jì)或模擬選項(xiàng)配合。簡(jiǎn)捷計(jì)算不考慮換熱器的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱和壓降的影響，人為給定傳熱系數(shù)和壓降的數(shù)值。 使用設(shè)計(jì)選項(xiàng)時(shí)，需設(shè)定熱(冷)物流的出口狀態(tài)或換熱負(fù)荷，模塊計(jì)算達(dá)到指定換熱要求所需的換熱面積。 使用模擬選項(xiàng)時(shí)，需設(shè)定換熱面積，模塊計(jì)算兩股物流的出口狀態(tài)。,HeatX—計(jì)算類型,2、詳

15、細(xì)計(jì)算 詳細(xì)計(jì)算只能與核算或模擬選項(xiàng)配合。詳細(xì)計(jì)算可根據(jù)給定的換熱器幾何結(jié)構(gòu)和流動(dòng)情況計(jì)算實(shí)際的換熱面積、傳熱系數(shù)、對(duì)數(shù)平均溫度校正因子和壓降。 使用核算選項(xiàng)時(shí)，模塊根據(jù)設(shè)定的換熱要求計(jì)算需要的換熱面積。 使用模擬選項(xiàng)時(shí)，模塊根據(jù)實(shí)際的換熱面積計(jì)算兩股物流的出口狀態(tài)。,HeatX—計(jì)算類型,流動(dòng)方式設(shè)定包括：1、熱流體(Hot fluid)流動(dòng)空間： 殼程 (Shel

16、l) /管程 (Tube)2、流動(dòng)方向(Flow direction)： 逆流 (Countercurrent) 并流 (Co-current) 多管程流動(dòng) (Multiple passes),HeatX—流動(dòng)方式,HeatX—流動(dòng)方式 (2),1、逆流 Countercurrent,HeatX— 流動(dòng)方向,2、并流 Cocurrent,

17、熱物流出口溫度 (Hot stream outlet temperature)熱物流出口溫降 (Hot stream outlet temperature decrease)熱物流出口溫差

18、 (Hot stream outlet temperature approach)熱物流出口過冷度 (Hot stream outlet degrees subcooling)熱物流出口蒸汽分率

19、 (Hot stream outlet vapor fraction),HeatX — 換熱器設(shè)定,共有13個(gè)選項(xiàng),,HeatX — 熱物流出口溫差,,冷物流出口溫度 (Cold stream outlet temperature)冷物流出口溫

20、升 (Cold stream outlet temperature increase)冷物流出口溫差 (Cold stream outlet temperature approach)冷物流出口過熱度

21、 (Cold stream outlet degrees superheat)冷物流出口蒸汽分率 (Cold stream outlet vapor fraction),HeatX — 換熱器設(shè)定 (2),,共有

22、13個(gè)選項(xiàng),HeatX — 冷物流出口溫差,,傳熱面積 (Heat transfer area)熱負(fù)荷 (Exchanger duty)幾何條件

23、 (Geometry) 在詳細(xì)計(jì)算時(shí)采用。,HeatX — 換熱器設(shè)定(3),共有13個(gè)選項(xiàng),由于換熱器內(nèi)的流動(dòng)并非理想的并流或逆流，因此有效傳熱推動(dòng)力需在對(duì)數(shù)平均溫差(LMTD)的基礎(chǔ)上進(jìn)行校正。校正因子的計(jì)算方法有四個(gè)選項(xiàng)：1、常數(shù) Constant 由用戶指定校正系數(shù)，可查手冊(cè)。2、幾何結(jié)構(gòu) Ge

24、ometry 由軟件根據(jù)換熱器結(jié)構(gòu)和流動(dòng)情況計(jì)算。3、用戶子程序 User-subr4、計(jì)算值 Calculated 流動(dòng)方向?yàn)槎喙艹塘鲃?dòng)時(shí)采用。,HeatX — LMTD校正,HeatX — LMTD校正（2）,壓降 ( Pressure Drop )分別指定熱側(cè)和冷側(cè)的出口壓力 ( Outlet press

25、ure ) 指定值 > 0，代表出口的絕對(duì)壓力值 指定值 ≤ 0，代表出口相對(duì)于進(jìn)口的壓力降低值,HeatX—— 簡(jiǎn)捷計(jì)算,HeatX—— 簡(jiǎn)捷計(jì)算（2）,總傳熱系數(shù)方法 ( U methods )常數(shù) (Constant)相態(tài)法 (Phase specific values) 分別指定冷熱兩側(cè)不同相態(tài)組合下的傳熱系數(shù)冪函數(shù) (Power law expression) U

26、=Uref (Flow/Flowref)^exponent,HeatX—— 簡(jiǎn)捷計(jì)算（3）,HeatX—— U - 相態(tài)法,壓降 ( Pressure Drop )分別指定熱側(cè)和冷側(cè)的出口壓力 ( Outlet pressure ) 根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)計(jì)算 ( Calculated from geo

27、metry ),HeatX—— 詳細(xì)計(jì)算,HeatX—— 詳細(xì)計(jì)算（2）,總傳熱系數(shù)方法 ( U methods )常數(shù) ( Constant )相態(tài)法 ( Phase specific values ) 冪函數(shù) ( Power law expression )換熱器幾何結(jié)構(gòu) ( Exchanger Geometry )傳熱膜系數(shù) ( Film coefficients ) 詳細(xì)計(jì)算采

28、用后兩種方法,HeatX—— 詳細(xì)計(jì)算 (3),膜系數(shù)法根據(jù)換熱器的幾何結(jié)構(gòu)和流動(dòng)情況分別計(jì)算熱流體側(cè)和冷流體側(cè)的傳熱膜系數(shù)(Film coefficients)，根據(jù)管壁材料和厚度計(jì)算傳導(dǎo)熱阻，再結(jié)合給定的污垢熱阻因子(Fouling factor)計(jì)算出總傳熱系數(shù)U。,HeatX—— U-膜系數(shù)法,HeatX—— U-膜系數(shù)法 (4),HeatX—幾何結(jié)構(gòu),詳細(xì)計(jì)算時(shí)需輸入換熱器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。從數(shù)據(jù)瀏覽器左側(cè)的目錄樹中選擇幾何(

29、Geometry)項(xiàng)目，然后在右側(cè)的殼程(Shell)、管程(Tubes)、管翅(Tube fins)、擋板(Baffles)和管嘴(Nozzles)表單中輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)。,HeatX—幾何結(jié)構(gòu)（2）,HeatX—?dú)こ虆?shù),殼程(Shell)表單中包含以下參數(shù)：殼程類型 TEMA shell type管程數(shù) No. of tube passes換熱器方位 Exchanger orienta

30、tion密封條數(shù) Number of sealing strip pairs管程流向 Direction of tubeside flow殼內(nèi)徑 Inside shell diameter殼/管束間隙 Shell to bundle clearance,HeatX—管程參數(shù)（2）,HeatX—?dú)こ填愋?殼程類型包含六種結(jié)構(gòu)供選用：,HeatX—?dú)こ填愋停?）,HeatX—其它

31、殼程參數(shù),HeatX——管程參數(shù),管程(Tubes)表單中包含以下參數(shù)：選擇管類型 Select tube type 裸管 Bare tube 翅片管 Finned tube管程布置 Tube layout 總管數(shù) Total number 管長(zhǎng) Length 排列模式 Pattern 中心距 Pitch 材料 Mat

32、erial 導(dǎo)熱系數(shù) Conductivity,HeatX——管程參數(shù)（2）,HeatX——管程參數(shù)（3）,管程參數(shù)還有管尺寸(Tube size)，可用兩種方式輸入：,實(shí)際尺寸 Actual內(nèi)徑 Inner diameter外徑 Outer diameter 厚度 Tube thickness 三選二,公稱尺寸 Nominal 直徑 Diameter BWG規(guī)格 B

33、irmingham wire gauge,HeatX——管程參數(shù)（4）,HeatX— 列管排列模式,HeatX——管翅結(jié)構(gòu),對(duì)于翅片管，還需從管翅(Tube fins)表單中輸入以下參數(shù)：翅片高度 Fin height 翅片高度 / 翅片根部平均直徑Fin height /Fin root mean diameter翅片間距 Fin spacing:每單位長(zhǎng)度的翅片數(shù) / 翅片厚度Number of f

34、ins per unit length /Fin thickness,HeatX——管翅結(jié)構(gòu) (2),HeatX——管翅結(jié)構(gòu) (3),HeatX——擋板結(jié)構(gòu),有兩種擋板結(jié)構(gòu)可供選用： 1、圓缺擋板 Segmental baffle 2、棍式擋板 Rod baffle從擋板(Baffles)表單中進(jìn)行選擇并輸入有關(guān)參數(shù)。,HeatX——圓缺擋板,Segmental Baffle,HeatX——圓缺擋板（2）,圓缺擋板

35、需輸入以下參數(shù)：所有殼程中的擋板總數(shù) No. of baffles, all passes擋板切割分率 Baffle cut (fraction of shell diameter)管板到第一擋板的間距 Tubesheet to 1st baffle spacing擋板間距 Baffle to baffle spacing殼壁/擋板間隙 Shell-baffle clearance管壁/擋板間隙 Tube-ba

36、ffle clearance,HeatX——圓缺擋板（3）,HeatX——棍式擋板,Rod Baffle,HeatX——棍式擋板（2）,棍式擋板需輸入以下參數(shù)：所有殼程中的擋板總數(shù) No. of baffles, all passes圓環(huán)內(nèi)徑 Inside diameter of ring圓環(huán)外徑 Outside diameter of ring支撐棍直徑 Support rod diameter每塊擋板的支

37、撐棍總長(zhǎng) Total length of support rods per baffle,HeatX——棍式擋板（3）,HeatX——管嘴,管嘴即換熱器的物料進(jìn)出接口，需從Nozzle表單中輸入以下參數(shù)：輸入殼程管嘴直徑 Enter shell side nozzle d

38、iameters 進(jìn)口管嘴直徑 Inet nozzle diameter 出口管嘴直徑 Outlet nozzle diameter輸入管程管嘴直徑 Enter tube side nozzle diameters 進(jìn)口管嘴直徑 Inlet nozzle diameter 出口管嘴直徑 Outlet nozzle diameter,HeatX——管嘴（2）,HeatX——結(jié)果查

39、看,HeatX最重要的是熱參數(shù)結(jié)果(Thermal results)，其下包括五張表單： 概況 Summary 衡算 Balance 換熱器詳情 Exchanger details 壓降/速度 Pre drop/velocities 分區(qū) Zones,HeatX —— 概況,概況表單給出了冷、熱物流的進(jìn)、出口溫

40、度、壓力、蒸汽分率(Vapor fraction)，以及換熱器的熱負(fù)荷(Heat duty)。,HeatX —— 概況 (2),HeatX——換熱器詳情,換熱器詳情表單給出了需要的換熱器面積(Required exchanger area) 、實(shí)際的換熱器面積(Actual exchanger area) 、清潔(Clean)和結(jié)垢(Dirty)條件下的平均傳熱系數(shù)(Avg. heat transfer coefficient)、校正后

41、的對(duì)數(shù)平均溫差(LMTD corrected) 、熱效率(Thermal effectiveness)和傳熱單元數(shù)(Number of transfer units)等有用的信息。,HeatX——換熱器詳情（2）,HeatX——壓降/速度,壓降/速度表單給出了流道壓降(Exchanger Pressure drop)、管嘴壓降和總壓降；殼程錯(cuò)流(Crossflow)和擋板窗口(Windows)處的最大流速及雷諾數(shù)(Reynolds No

42、.)；管程的最大流速及雷諾數(shù)等有用的信息，我們可以根據(jù)這些信息調(diào)整管程數(shù)，擋板數(shù)目和切割分率，以及管嘴尺寸。,HeatX——壓降/速度（2）,HeatX —— 分區(qū),分區(qū)表單給出了換熱器內(nèi)根據(jù)冷、熱流體相態(tài)對(duì)傳熱面積分區(qū)計(jì)算的情況，包括各區(qū)域的熱流體溫度、冷流體溫度、對(duì)數(shù)平均溫差、傳熱系數(shù)、熱負(fù)荷和傳熱面積信息。我們可根據(jù)此信息分析換熱方案是否合理以及改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的方向。,HeatX —— 分區(qū)（2）,用1200 kg/hr飽和水蒸汽

43、(0.3 MPa)加熱2000 kg/hr 甲醇 (20 ℃、0.3 MPa)。離開換熱器的蒸汽冷凝水壓力為0.28 MPa、過冷度為2 ℃。換熱器傳熱系數(shù)根據(jù)相態(tài)選擇。求甲醇出口溫度、相態(tài)、需要的換熱面積。,HeatX — 應(yīng)用示例 (1),對(duì)上例選用下述換熱器進(jìn)行詳細(xì)核算：外殼直徑：325 mm ， 公稱面積：10 m2，管長(zhǎng)：3 m ，管徑：? 19?2 mm ，管數(shù)：76 ，排列方式：正三角，管程數(shù)：2 ，殼程數(shù)：1，折流