HTRI5.0使用手册中文版

HTRI Exchanger 使用手册

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。

(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。

小结

换热器壳型及封头选取小结

1.3换热器壳型及封头选取

(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；并建议设置纵向隔板，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；

(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；

(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。 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。

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。

设置

2.3测量单位

测量单位设置

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)

Tube wall thickness(换热管厚度) TEMA shell style(壳类型) Tube diameter(换热管直径) Number of crosspasses(折流通道数目) Tube pitch(换热管倾斜度) Number of tubepasses(管程) Tube length(换热管管长) Shell diameter(壳径) Tube type(plain or low-finned)

除了上述的换热器的几何参数外，还要输入工艺条件和物流的性质。上述的底划线表示的项目在“Design”条件下可以为空。

流体分配－－Fluid Allocation

2.4流体分配

一般而言，下列情况介质走管程：

(1)腐蚀性介质，可降低对壳侧材料的要求；

(2)毒性介质，泄漏的几率小；

(3)易结垢的介质，便于清洗和清扫；

(4)高压流体，可减小对壳体的机械强度的要求；

(5)高温介质，可改变材质，满足介质要求；

(6)如果壳侧流体是曾流，可放管侧，看能否达到湍流；

(7)循环冷却水在管侧流动。

聚合污垢对管侧温度特别的敏感，下面的设计可以使清洗变的容易：

（1）一般把最容易结垢的流体在管内流动；

（2）如果利用化学清洗法，把易结垢流体放在壳侧流动；

（3）如果管侧利用机械清洗法，那么利用直的水平安装管；

（4）如果壳侧用高压清洗，那么管安装的倾斜度要大，45°或90°，这样也要求壳侧Diameter较大；

（5）当清洗必须要移动管束时，利用焊接的方式连接管子，因为接头处容易出现泄漏的危险。

（6）当你认为壳侧结垢会很严重时，那就要慎重利用翅片结构管。

（7）循环冷却水在管侧流动。

℃时应引起注意。

（8）冷却水的污垢热阻在水温超过125℉(52)

允许压降(Available Pressure Drop)：决定哪个流体放在管侧，哪个流体放在壳侧。这样可以充分利用现有的压力降来进行传热。IST程序也利用此值来计算管口的尺寸。

换热器压力降参考值表

操作压力P(MPa) 压力降?P(MPa)

0～0.1(绝压) P/10

0～0.07(表压，下同) P/2

0.07～1.0 0.035

1.0～3.0 0.035～0.18

3.0～8.0 0.07～0.25

壳侧流体：许多压降在壳和管之间形成的漩涡流产生，这样温度驱动力很小或者不存在。

下面的流体用于壳侧：

（1）在管侧流体形成层流（在壳侧有可能是湍流）；

（2）建造要求限制了管束的数量，压降在管侧不能有效利用，尝试利用足够的折流板来有效利用壳侧的压降；（3 你的设计目标是传递尽可能多的热量，但压降不要太多。（流体流动导致的管振动会限制你的设计）；

(4) 传热膜系数较小的物流(如气体)应走壳程，这样易于提高传热膜系数；

(5) 饱和蒸汽及被冷却的流体走壳程；

(6)高黏度流体。

如果一个流体的压降是可以控制，而设计的热传递是受其他流体制约，那么流体的放置位置对最佳设计不会产生太大的影响，要小心研究这样的案例。

注意注意：：对压力降有特定要求的物料要走管程对压力降有特定要求的物料要走管程，，因其传热系数和压降计算误差较小因其传热系数和压降计算误差较小。。

2. 5 HTRI 主功能按钮

Input 当你打开软件时就出现，在此用来指定模拟需要的基本的输入参数 Reports 在模拟完成后显示最后的结果 Graphs 在模拟完成后创建图表和曲线图

Drawings

显示换热器的图片，可以显示模拟前和模拟后的换热器的图

Shells-in-Series 当你运行一个Shells-in-Series 模拟时自动被选中，当模拟进行时，显示一个中间条件 Design 当你运行一个Design 模拟时自动被选中，显示所有的Design 运行结果

2. 5. 1 Input

为新的换热器的模拟输入数据，第一个是Input summary ，其下面包含Geometry 、Piping 、Process 、Hot Fluid Properties 、Cold Fluid Properties 、Design 和Control 。需要输入数值的地方都以红框显示，软件默认值及单位都已显示在窗口上。

(1)Geometry ：换热器的类型选择。包括以下几个部分：

－Shell Geometry ：确定壳程的几何参数。在Rating 和Simulation 模式下，壳内径（ID ）是唯一需要输入的数据。有三种单位类型：SI ：mm MKH ：mm US ：inch

ID 项Design mode 不需填入壳的内径尺寸，Rating mode 时参考Design mode 计算后的结果,填入数值并根据结果进行调整（16"以下为pipe ，16"以上常以50mm 为进阶单位）。换热器的壳径越大，单位传热面积的金属耗量则越低，但注意：壳径不要大于壳径不要大于1000 inch(约25米)；

壳类型（Shell style ）影响热传递和压降。TEMA 中E 型是最常用的类型，代表单壳程，其他字母代表的作用是用来平衡热传递和压降要求。例如，TEMA 标准中X 壳程有最小的壳侧压降。 定位(Shell orientation)：有两种：

水平(Horizontal)：最常用的选择，TEMA 中E 壳程经验定位为垂直，其余的常定位为水平；

垂直(Vertical)：应用在以下几个方面 1. 简化的换热器模型； 2. 垂直管侧热虹吸；

3. 许多防止相分离的进料/出料换热器；

4.

当要求过冷时管侧冷凝。

要记住IST 不处理壳侧下流沸腾或上流冷凝，两相管侧流体的多管程系统换热管不能垂直定位。当壳侧为

单相流、管侧冷凝且管程为单管程时是允许有倾斜的（倾斜角度1-20度）。利用壳侧的倾斜确保冷凝物的

排出。

当温度差校正系数小于0.8时，应采用多壳程。但由于壳程隔板在制造、安装和检修方面都很困难，故一般不采用，常用的方法是将几个换热器串连使用，以代替多壳程。

注意：a)两个单壳程换热器串连→number of shells in series 设置为2，最好不要超过10；

b)2壳程应是根据分流型式，选择壳体型式为F、G或者H类型；

c)numbers of shells in parallel是指多台换热器并联，即将输入物流平均分配到几个换热器中。程序会平

均分配总输入物流到各个换热器，然后利用分割后的流量和Geometry参数来计算单个换热器的性能。但是最后给出的换热面积、热负荷等是所有换热器的总和。

流向(Flow Direction)：流体在壳程中的流向与管程中的流体的流向的相对位置，仅对E壳程可用，有两项：

a)Flow in 1st tubepass：Cocurrent→同向；Countercurrent→逆向。一般选择后者，但是当冷却粘度较

大流体时，顺流操作比逆流换热要好，因为冷流体可以获得较高的传热系数。

b)Flow in train：仅对两台或以上换热器串连时有用，Cocurrent→同向；Countercurrent→逆向。

－Tubes Geometry：定义换热管几何参数，有管型、管长、管外径（OD，对低翅片管来说，输入光滑端的管子外径）、管厚（Wall thickness）、管间距（pitch）、管排列角度（Tube layout angle）、管程数(Tubepasses)和管子数(Tubecount)。对于Design Mode，只需输入Pitch和Wall thickness，其他的数据有默认值或者可由IST自行计算。

一般利用光滑管(plain)，当壳程流体的膜传热系数只有管程的1/3时，需要采用低翅片管来强化传热（Low-finned），这时IST需要你输入翅片的几何参数。如果你利用低翅片管（Low-finned）来冷凝，要记住较高的翅片密度会影响冷凝持续力，这时IST就会给出一个警告信息。通常低翅片管只适用于污垢系数不大于0.00017m2K/W的介质，且流体对翅片没有磨蚀作用。翅片的直径不应大于其基管直径，在管壳式换热器中不使用高翅片管，但在套管式和多管式套管换热器中可以使用纵向高翅片管。

平均管厚(thickness)是必须要输入的，对于低翅片管，输入光滑端管的壁厚。壁厚影响管侧流动面积，按下拉键可以从壁厚数据库中选择一个合适的壁厚。管厚需要设备专业进行确认。数据单位可以设置为BWG(Birmingham Wire Gage)。管厚一般选择2.11mm。

管间距也是必须要输入的，有三个数据：1.25、1.3333和1.5，根据需要选择一个。

排列角度有4个：30、45、60和90度。其中30度最常用，固定管板式换热器大都是30度布置（除再沸器外）；浮头式换热器多采用30度和60度排列方式；正方形（90度）和旋转正方形（45度）布置形式用于壳侧为黏性流体的情况，适用于当进行机械清洗时需移动管束的情况。45度多用于壳程单相层流、易结垢、冷凝工况；90度可使壳程气相更好逸出。30°/60°排管：在相同壳体内比其他排管方式可多排15%管子，但壳程无法机械清洗。相同管心距和流量下，壳程传热膜系数（h0）和

压降降低的顺序为：30°＞45°＞60°＞90°。要注意换热管的排列角度是由流过管子的流体决定的，而不是完全由管束的定位方向决定。三角形布置有利于壳程物流的湍流；正方形和旋转正方形布置有利于清洗。壳侧压降：30°＞45°＞60°＞90°。

两相流多管程：对管侧冷凝或单相流，IST 假定第一管程在壳程的最上方；对于管侧沸腾，IST 假定第一管程在壳程的最底端。这一点在管程布置窗口容易被忽略！！

Tube material ：从管子材料下拉列表中选择，或者输入管材的密度、导电性和弹性模数、最大无支持跨度。这些数据在计算热阻、振动和重量估算时要用到。当管内外流体均为腐蚀性流体时，采用双金属管。 Type ：指定换热管类型，有两种：光滑管（plain ）和低翅片管（low-finned ）。

Tube OD －管外径：输入管外径。对于低翅片管，输入光滑端管子的外径。下拉键中列出了标准管径，可以从中选取。19mm 的管子应用：水走管侧的冷却器、较小传热面积的换热器、管侧污垢热阻小于0.00041HrM 2/Kcal ℃。对于易结垢的物料，采用25mm 的管子，或者管侧再沸，或者管侧污垢热阻大于等于0.00041HrM 2/Kcal ℃；对于有气液两相流的物料，要选用较大的管径，如再沸器、锅炉等多采用32mm 的管子；对于直接火加热的采用76mm 的管径。

Tubepasses-管程：指定换热器的管程，当换热器的换热面积较大而管子又不能很长时，为了提高流体在馆内的流速，须将管子分程。IST 允许的值有1、2、3、4、6、8、10、12、14、16，最常用的是1，2和4。程数过多，导致管程流动阻力加大，动力能耗增大，同时多程会使平均温差下降，设计时应权衡考虑。管程数N p 可按下式计算：'p u

u N ＝

；u-管程内流体的适宜速度(m/s)；'

u -管程内流体的实际速度(m/s)。然后再根据管侧的流速及压降进行调整。

Tubecount-管子数：指定换热器管子数。对U 型管来说，管子数指的是管板上的管孔数。先参考Design mode 下run 出的数值填入(将计算数值打九折后取偶数根)，然后再根据结果进行调整。

管束的最大可移动重量为20吨。

管壳式换热器中常用的流速范围

流体的种类 一般流体 易结垢流体

气体 管程 0.5～3.0 >1.0 5.0~30 流速 m/s

壳程

0.2～1.5

>0.5

3.0~15

水的流速表(管内)

类别 管材 最低流速(m/s) 最高流速(m/s)

适宜流速(m/s)

凝结水 钢管 0.6～0.9 3.0 河水(干净的)

钢管

0.6～0.9

3.7

1.8~

2.4

循环水(处理的) 钢管0.6～0.9 3.7

海水含铜镍的管0.75～0.9 3.0

海水铝铜管0.75～0.9 2.4

不同黏度流体的常用流速

黏度/cP >1500 1500~500 500~100 100~35 35~1 <1

V max/m/s 0.6 0.75 1.1 1.5 1.8 2.4

Length-管长：系列标准钢管长度有：1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9和12m。TEMA标准管长：96、120、144、196、240inch(2438、3048、3658、4978、6096mm)。对于管子无支撑跨距超过上述规定值的0.8倍时，应在管束间设置支持板。对U型管来说，管长指的是管口到U型弯曲部分的切线之间的距离，它包括了所有管板的厚度。另外，管长L和壳内径ID的比例应适当，一般L/ID＝4～6。无相变换热时，管子长，传热系数增加，管程数少，压降低；但是过长会给制造带来麻烦，首选3048mm和6096mm。

换热管直径与管间距的选择：

管外径d 0/mm 10 14 16 19 25 32 38 管中心间距(pitch)/mm 14 19 22 25 32 40 48 Pitch Ratop 1.375 1.316 1.280 1.250 1.263 注：16mm应用于进出料换热器，操作介质较干净，目前使用较少；19mm的管子应用于以下情况：

(a)管侧流体的污垢系数≤0.00034m2K / W；(b)水做冷却介质走管内；(c)污垢没有严格要求。25mm

的管适用于以下情况：(a)管侧流体的污垢系数≥0.00034m2K / W；(b)出于工艺设计考虑，如换热器的允许压降较小时。32mm和38mm的管子只是出于工艺设计考虑，如换热器的允许压降较小时。32mm和38mm的管子只是出于工艺考虑，如换热器的允许压降较小时，目前使用较少。

Tube若无给定数值，则一般首选长6m或3m，管外径25.4mm或19mm，壁厚2.77mm或2.1mm，排列方式选30度。

Rigorous Tubecount：指定严格管数计算方法，如果你勾选了此项，IST就会应用此方法计算，在在“Design”时一定要勾选此项

时一定要勾选此项！！

1.“Rigorous method”给出管束中每一根管的位置；

2.“Rigorous method”评估管束中处于交叉位置的管子的数量，如果你选择了此方法，那么管子排

列图片就不再可用。

Tube thermal conductivity：指定管材料的热传导性。当你的管材不在IST提供的材料库中时，就需要输入此值。

Taper angle-锥形度：只应用在管侧逆流冷凝模拟中，设置管子底部的锥度。这一角度水平测量，其

值范围0～75。

Tubepass Arrangement panel：换热器管束中管程的设置和通路的宽度设置。在此面板中，出现对称排列开关。

Number of parallel passlanes：设定平行于交叉流的管通路的数量。对无折流板换热器，这里设置：

1.水平壳程：垂直管通路的数量

2.垂直壳程：平行于壳侧管入口中心线的管通路的数量。

－Baffles Geometry：指定折流板的几何形状，定义其尺寸、类型、间距和其他一些设计参数，最重要的参数就是Baffle Spacing和Baffle Cut。除了K型壳程和X型壳程外，其余所有的壳程类型都可以使用折流板。对核算和模拟来说，你必须输入任何一个壳程交叉路数或者中心间隔；其他数据可用默认值或由IST 计算。折流板类型(Type)如下：

Single-segmental：最常用的折流板类型，能最有效的把压降转移到热交换中。

Double-segmental：当你利用单折流板无法满足压降限制时，就可以使用双折流板方式。

Segmental/NTIW：No-tubes-in-window（NTIW，弓形区不排管），即弓形缺口区（折流板窗口区）不布管，可保证所有管子都得到全部折流板的支承，一般用在当管振动破坏需要考虑时。它具备以下特点：

a 压降只有单弓形折流板的1/3左右；

b 壳程流动均匀且类似理想管束、传热系数高、不易结垢；

c 窗口区压降很小、旁路及泄流量小；

d 弓形缺口区不排的管子大约15%~25% ，可采用较小弓形缺口、提高壳程流速或适当调大壳径

以便维持相同数量管子。

None：无折流板

Cut orientation：切割定位，设置有以下几种：

－Program sets：default。IST根据工艺条件、关口位置等设定，Design时通常选择此项。

－Perpendicular(垂直)：当壳侧是沸腾流体时，考虑水平切割（管入口在上部的垂直切割）折流板或者垂直定向；在重力控制流体的流动时，垂直切割（管入口在上部的水平切割）折流板会引起相分离。

－Parallel（水平）：如果折流板切割方向与管口中心线平行，折流板间隔的入口和出口就产生旁路，这样就降低了设备的性能。

Cut：对大多数模拟，IST会确定折流板切割方向，使得热传递和压降达到最优化，一般20％~49%壳径，20%最佳（相同膜传热系数下压降最小），切口太大会形成滞流区，切口太小压降太大。

水平切口：

（1）少于4管程的U型管换热器；

（2）壳侧是单相流体，且污垢系数不大于0.00061m2?h?/kcal

℃；

(3) 所有竖直安装的换热器。

竖直切口：

（1）两相流流体或“F”型换热器；

（2）除水平切口所要求的换热器外，均为竖直切口。

Crosspasses：你必须至少输入折流板数或主要的折流板间隔中的一个数值。如果你两个都输入，并且你的数值与管长不一致的话，IST就改变折流板数但保留主要的折流板间隔数值。这个数值对计算的换热量和压降都产生影响。小的折流板间隔一般会增大流速和热传递系数，但它会增大压降并会导致换热管的振动。折流板主要间距低于80％的TEMA最大间距可避免换热管振动的问题。较好的模拟点是折流板间距是壳内径的40％。

Window area：窗口区域占整个区域（total window area- area of tubes in window）的百分比。如果你：输入这个数值→IST计算折流板切割高度；在折流板输入面板上指定折流板切割→IST忽略此区域的值；

输入的值超过最大值→IST忽略此值并设置折流板切割的最佳值。

Spacing影响壳程物流的流向和流速，范围1/5D~1D，40~50%D最佳，最小间距为壳程内径的20％，且不要小于50mm，一般取值为壳内径的30％－45％。通常不是首选填写项，如需填写，则先参考Design mode 下run出的crosspasses值填入。

折流板间距可以是不等距的，进口/出口间距大于板间间距。选中“Baffle Spacing”下的“variable”复选框，就可以在“Variable Baffle Spacing”面板中输入需要的间距。

－Clearance：所有的数据都是选填的，程序在计算后会给出默认值。这些值会影响模拟的结果。如果管束和壳体的直径空隙大于30mm，应首先考虑使用密封条。

－Nozzles(管口面板)：在此可以定义壳侧和管侧管口的尺寸、数量、位置和型式。尺寸要求：Nozzle的尺寸要小于等于50%Shell ID，通常Nozzle最小尺寸为2"。

Number at each position（inlet and outlet）：软件默认值为1。

Nozzle IDs（inlet and outlet）：

－如果你输入了一个允许压降的最大值，IST利用允许压降的12.5％来定义蒸气和两相管口的尺寸。

每一个液相管口的尺寸定义利用了5％的允许压降；

－如果你未输入最大允许压降，IST利用允许最大流速(声速的20％)的25％来定义蒸气和两相管口的尺寸，每一个液相管口的尺寸定义利用0.5psi(3.447kPa)的压降；

－在处理两相流时，要指定一个液相管出口来排出液体。

Shellside nozzle locations（与U型管或壳侧纵向定位相关）：壳侧管口位置的默认值由工艺条件确定。

－对水平和倾斜壳程要指定入口管的位置：Top→默认当壳侧为单相流或冷凝流体时、Bottom→默认当

壳侧为沸腾流体时、Side 。壳侧为竖直时，默认入口管位置在前封头。

－指定与入口管位置相关的壳侧出口管位置：有三个选择，分别是Program decides 、Same side as inlet 、Opposite from inlet 。一般IST 把水平壳侧冷凝的出口管位置放在底部，把水平壳侧沸腾的出口管放在顶部，软件的默认值是Program decides 。

－U 型管，如果已知入口管在前封头，那要考虑出口管的位置；反之亦然。 －Inlet ID ：指定壳侧和管侧的入口管内径；

－Number at each position ：指定壳侧和管侧的入口管数量； －Outlet ID ：指定壳侧和管侧的出口管内径；

－Number at each position ：指定壳侧和管侧的出口管数量；

Nozzle Sizes ：如果IST 计算管口尺寸的话，用以下表中的数据：

－壳侧管口最大尺寸：一壳程：ID ＝90％的壳程ID ；二壳程：ID ＝80％的壳程ID ；

－管侧管口最大尺寸：随着管程数量的不同而占壳程ID 的百分比不同。具体的比例如表二所示。

表二： 管程数

1

2 3 4 6 8 10 12 14 16 ％壳ID 90 80

70

50

47

44

41

38

35

32

Impingement panel （缓冲挡板）：壳侧进口区域防冲板的类型和形状的设置。 －需要设置的情形：a)非腐蚀性单相流体：()

222

sec /1500/2232V

??ft lb s m kg f ρ；

腐蚀性单相流体：22/740V

s m kg ?f ρ

b)定义了壳侧冷凝；

c)定义了壳侧沸腾并且入口管()

222

sec /500/744V

??ft lb s m kg f ρ。

－防冲板的类型：圆盘(设置它的直径、厚度、防冲高度)、方形盘（长度、宽度、防冲高度）和棒格栅型（排数、直径）。

(1)流体诱发振动(FIV)最容易产生破坏的区段：

a. 管束中两块折流板间距最大的未支承的中间跨度；

b. 管束周边在弓形折流板口区的管子；

c. U 形管束的U 形弯处；

d. 壳程进口管口下的管子；

e. 管束旁流和管程分程隔板流道内的管子。 (2)防FIV 设计及调整措施：

a .减小无支承管跨:调整折流板间距 或 采用弓形区不布管，折流板间距值不小于1/5的Shell ID ，流体全蒸汽或两相时最大值为450mm ；

在改造项目中，有时相同的壳体设计，原本没有FIV 问题，但在仅改变换热管材质后也有可能会产生

FIV问题。例如，原设计是碳钢或合金钢管，更换为薄壁管如钛管，其刚性减小，因此需要比原设计增加支承板来避免FIV产生。在改造设计或实际改造中有可能会遇到此类问题。

b.设置U形弯头支承；

c.设置密封板/条以便增加流阻和限制在临界截面处的流动(如管束旁流区和分程隔板处)；

d.减少壳程流量(较少采用，除必要时)或增大壳径；

e.放大壳程进口管口；

f.设置壳程进口防冲挡板；

g.如果允许改变壳体形式，可将E 型改为X 或J 型；

h.改用双弓形折流板；

i.避免太大或太小的折流缺口(因为它们会导致流速分布不均和局部高流速)；

j.保持均匀的折流板间距；

k.用实心的管子（在：use tube layout drawing as)代替原部分管子所在的位置，起到支撑并减小振动的作用；

l.增大nozzle与bundle之间的距离m，添加Annular distributor。

Tubeside entry type

－管侧入口管类型：Radial（IST默认值）、Axial、Axial with distributor（分流器）。如果你指定管入口和/或出口环型分流器Annular distributor，那么它的所有的三维参数都需要输入。环形分流器影响壳侧压降，降低流体流速，从而会增加冷凝器和再沸器的负荷。单它可以避免管子的振动，减少腐蚀。

－对于管侧流体，下面几种情况也应做特别考虑，以减少流体对管子末端的磨蚀：

a)对于气体和蒸汽，入口处的ρV2超过7000kg/(m.s2)；

b)对于液体，入口处的ρV2超过9000kg/(m.s2)。

(2)Piping Input

面板图示给出了热虹吸管的示意图。主要的管线尺寸都可以直接输入。更多的细节可以在Inlet和Outlet 中输入。如果你选择了热虹吸式或强制流动再沸器，这些面板就会被激活并要求输入进口管和出口管的参数。

Inlet Piping panel：定义热虹吸式再沸器的入口管几何参数。当你选择热虹吸式或强制流动式再沸器后，面板上有一些数据是必须要输入的。如Main Inlet pipe length。如果你设置“Bend Allowance”为“NO”，那么这一长度包括了弯管和T型管的当量长度。

水平热虹吸

竖直热虹吸

Header pipe length，inlet：压头管长的输入。其余规定同上。Nozzle pipe length，inlet：入口管长的输入。Bend allowance：如果选择“NO”→无当量长度加入到指定的管长中。

如果选择“YES”→IST允许加入弯头。

－对所有壳程，IST加68倍的入口管线的直径于主要入口管长度中；

－对TEMA的G、H、J21壳程型式，IST加79倍的Header pipe直径于Header pipe 长度中，没有长度加入入口管线长度中。

(3) Process(工艺条件)：输入工艺条件和污垢信息。一般热流体侧（工艺流体）需填入其全部数值（包括污

垢热阻系数）；冷流体侧若为公用工程流体（CW,SH等）则仅需填写除流量外的其他数值（包括污垢热阻系数），若亦为工艺流体则填写内容与热流体侧要求相同。

－Process(工艺条件)：

在核算和设计模式中，每一流体必须至少输入5个(共6个)温度和流量的参数。在模拟模式中，每一流体的2～3个工艺参数是必需的，IST跳过不一致的工艺条件。

对核算和设计模式：输入换热器热负荷→必须输入每一流体的2～3个工艺条件；

未输入换热器负荷→必须输入每一流体的5～6个工艺条件；

对模拟模式：未输入换热器负荷→必须输入每一流体的2～3个工艺条件。

注：如果你输入的工艺条件多于最少输入个数，IST遵循以下规则处理：

(1)IST总是尊重温度的设定，如果有必要，IST将调整Weight fraction vapor；

(2)如果你未输入工艺温度的话，IST尊重Weight fraction vapor的输入；

(3)IST总是尊重流速的设定，如果流速未被指定，IST就会进行计算。

如果你指定了所有6个工艺条件和下面的参数，IST采取下述的动作：

a)如果你未输入热负荷或者从给出的冷、热流体工艺条件计算出的热负荷不匹配→IST以输入的工艺参

数运行模拟；

b)如果热负荷差别超过5％→IST会给出相应的提示信息；

c)热负荷差别超过99％→IST终止模拟。

Process conditions

单相工艺参数两相工艺参数

其他选项还有Fluid phase（相态）：Liquid、Vapor、phase change等；

Inlet temperature：入口温度，IST默认0.0为未输入，如果想设为0℃，输入0.001。

Outlet Inlet temperature：出口温度，IST默认0.0为未输入，如果想设为0℃，输入0.001。

Inlet pressure：入口压力，必须大于0。

Allowable pressure drop：输入最大允许压力降，设计模式下会用到此数值，用来计算管口尺寸。

Exchanger duty：换热器热负荷，有两种情况：

a)如果IST能够从输入的工艺条件中计算出热负荷→这一热负荷在计算过设计是必需的，过设计计算：

Overdesign％＝(计算出的热负荷－需要的热负荷)/需要的热负荷×100

b)如果IST不能够从输入的工艺条件中计算出热负荷→IST利用输入的热负荷计算缺少的工艺条件。

Duty/flow multiplier（热负荷/流速增效器）：设置一个IST增效热负荷和流速的增效因数。

－Process Fouling（工艺污垢）

输入工艺污垢信息，如污垢热阻，污垢层厚度等。换热器设计者一般把污垢因素作为一个安全因素考虑，用污垢热阻的设计来弥补换热器负荷的不足。但是，在正常的操作条件下，许多工艺流体基本上不产生污垢，例如轻烃组分的冷凝。HTRI计算各参数的相互关系时不需要额外的安全因素。在要求的工艺条件下通过输入反映换热器热阻的数值可以获得最佳设计。一个非常大的热阻也就表明是一个不符合要求的设计，要考虑另外一个。

Fouling resistance：为冷、热流体设定热阻。你输入的任意一个值必须要大于或等于零。

℃时需要输入此Fouling layer thickness：为冷、热流体设定热阻层厚度。污垢热阻大于0.00061HrM2/Kcal

值。你输入的任意一个值必须要大于或等于零。

壳侧热阻层厚度＝268×壳侧污垢热阻；管侧热阻层厚度＝134×管侧污垢热阻。

Fouling layer thermal conductivity：热传导性。如果你输入了此数值和相应的热阻层厚度，IST会从中计算热阻值并与输入的热阻值进行对比。如果二者有差异，IST就会发出一个警告信息，并使用输入的热阻值。

Cooling water fouling：两项：(1)Use water type model：只用于管侧水为冷流体。

(2)Use generalized water model：如果你选择了此项，IST利用输入的酸度、

总碱度、钙硬度和总不溶固体量来估算热阻值。四个参数的限制范围如下表：

(4)Hot /Cold Fluid properties(冷/热流体的性质)

操作界面上给出了怎样把物流性质输入IST：component-by-component 或者Mixture。冷热流体分开输入，选项除了沸腾流体(出现在冷流体输入界面中)外是相同的。在此输入界面上，所有的项都有默认值。但是“Physical property input option”和“Heat release input method”中不同的选择对应着流体哪些流体的性质需要输入。

－Physical property input option：有三个选项供选择：

Mixture Properties Via Grid：在指定的温度和压力下在一个混合物数据表格中输入各物质的物理性质；

Component-by-Component：1)输入流体中的成分列表；

2)输入每一个成分的物理性质。如果成分被选中，软件中成分性质数据库就

会自动提供成分的物理性质。

Component and Grid Properties：1)输入流体中的成分列表；

2)在指定的温度和压力下不考虑混合物中某些成分的物理性质。

如果流体为单相，纯物质，则第一步先在Heat Release Input Method中选择Program calculated项，然后在Physical Property Input Option中选择Component by Component，最后在Components项中选择所需物质即可；

若参加计算的物质为不纯物或Component列表中未列出的项目，选择COMPONENT AND GRID PROPERTIES，然后输入三个以上温度以及在温度下对应的物性或化学性质使得程式自行做出曲线以计算结果。

－Heat release input method：选择一个输入流体汽化或冷凝曲线的方法。这些信息只有两相流时才需要输入。－Flash type：只用在当你选择了“Program-Calculated”时，包括微分(Differential)和积分(Integral)。

－Composition Units（流体组成）：

Moles：默认设置，输入的成分为摩尔数或摩尔分率；

Mass：输入的成分是质量数或质量分率。

－Fluid name：冷热流体的名称，每一个流体输入时不要超过12个字母。这些名称在输出报告中会显示。

－Fluid compressibility(流体的可压缩性)：指定流体的压缩因子。如果你未指定气相流体的密度，IST会运用理想气体方程联合输入的压缩因子计算出气相流体的密度。

－Boiling range：为冷流体提供沸腾范围值。此值就是沸腾流体的露点(dew)和泡点(bubble)的差值。露点和泡点在换热器的入口压力值下计算。IST在此沸腾范围值被忽略的情况下会估算一个值。

－Number of boiling components：输入计算沸腾范围值时流体的组分数。

T&P ：如果你选择了“Mixture Properties Via Grid”或者“User Specified Heat Release Curve”，为冷、热流体物理性质输入参考温度和参考压力。一旦你输入了参考温度和参考压力的值，它们作为必须的数值出现在“Property Grid and Heat Release ”中。

(5)Design

温度分布分析：在设计中，做出一个温度分布图是非常有帮助的，它可以提示明显的设计选择或者能指出可能的问题点。当你运行完模拟后，你可以利用软件的绘图功能来获得温度分布曲线。

(6)Control

－Name：输入case的一些描述性的东西；

－Methods：包括三个方面的内容：

(1)Single Phase Friction Factor(摩擦因数)，它包括壳侧和管侧，有两种选择，分别是Commercial和Smooth，

对碳钢换热管，一般选择Commercial；对于铜管或者不锈钢管，当管内走不易结垢的流体时，选择Smooth 较好。

(2)Condensation(冷凝)：选择物料是否冷凝，如果冷凝，采用哪种计算方法。

(3)Boiling(沸腾)：选择物料是否沸腾，如果沸腾，采用哪种计算方法。

－Safety(安全性)：可以设置冷热流体和传热系数的安全系数。

－User-Defined Method：用户定义计算沸腾流体的方法

－Vibration(振动)：对换热管的振动进行设置。

所有流经管束的壳侧流体被HTRI程式分为5个部分（A,B,C,E,F），如下图所示：

在应用HTRI 程序计算时，需考虑上述几种流型的情况对换热器使用效率等方面的影响。 2.5.2 Report

给出模拟结果的详细信息，通过窗口左下角的Prev 或Next 按钮可浏览不同的页面，同时还可以Review 输入的基本信息。 2.5.3 Graphs

利用输入或模拟结果进行作图，还可以给出换热器的3D 模型。 2.5.4 Drawings

利用输入或模拟结果绘制换热器图形，同时还可以利用模拟结果绘出管排布及换热器的3D 模型。 2.5.5 Shells-in-Series

当换热器有几台串连情况时，给出基本的模型。

三、输出结论

模拟完成后，首先查看Program Messages ，看有没有输入错误或者操作问题，程序会提供给你许多这方面的信息，尤其是牵涉到冷凝相和沸腾相的信息。

3.1一般结论

(1)U 值-Transfer Rate ： 参考《化工工艺设计手册（上册）》内相关数值,以便确认计算结果；

稳态传热方程：Q ＝KA ﹒?t K －总传热系数W/(m 2﹒K)；A －传热面积m 2；?t －平均温差(MTD)。 总传热系数：

av

o w i o i i o

i o d d r d d r d d h h K ×+×+×+=111 i o h h ,－管外、管内流体的传热膜系数W/(m 2K)；i o r r ,－管外、管内流体的污垢热阻K?m 2/W ；

i o d d ,－管外径和管内径m ； av d －管的平均直径m ； w r ＝

w

w

l λ，管壁热阻K?m 2/W ；w l －管壁厚度m ，w λ－管壁材料导热系数W/(m 2K)

当数据不足时，可用Q = U ×A ×F × (LMTD)来估算，其中LMTD 的校正因子可取F = 0.9。

3.1.1 总传热系数(裕量)不足的调节措施

a. 增加管数(用换热面积弥补传热系数的不足)；

b. 减少管数(提高管侧流速以提高膜传热系数)。

(2)设计裕量Overdesign （换热器软件计算的裕量，非工艺提供的裕量）

Single Phase Overdesign ：0~5%；Two Phase Overdesign ：5~10%，或依据业主要求。若overdesign<0，则计算结果不能用；

(3)热阻Thermal Resistance ，%

若调整数值较大的相关项，则对结果影响较大，也即微调此项可得到较大的变动。 (4)流速Velocities

Shell side ：依据项目及流体的实际情况确定是否符合要求，若某些情况下如冷却水走壳侧，则流速一般都小于1m/s 。

换热管为钛管，则Cooling water 在管内的最小流速为1.5m/s ；若为其他材料，则最小为0.9m/s 。冷却水在不同管内的最大流速如下表。

Tube material Fresh Water(m/s)

Brackish or Salt Water(m/s)

Carbon Steel 3.0 \ Brass 2.4 \ Aluminum Brass 2.4 1.8 Cupro-Nickel(铜-镍合金) 3.6 2.4 Monel(蒙乃尔铜镍合金)

3.6 3.0 Stainless Steel

4.5 \ Titanium

No limit

No limit

当再沸器中油作为加热介质走管程时，最小流速为0.9m/s 。

壳侧的进口或出口流速过大，增大HEIGHT UNDER SHELLSIDE INLET/OUTLET NOZZLE 。

3.1.2 壳程流速过高的调节措施

a. 放大壳径(过大会导致管束旁路流过高，注意公制和英制的进级档不同)；

b. 放大支承板间距(过大会降低壳侧传热系数或超出TEMA 最大无支承跨距要求)；

c. 减少管数(注意不要明显影响到换热面积或增加管程流速/压降)；