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1、 HTRI设计实例-最实用的初学者入门教材 目 录第1章 前言11.1 课题研究背景及意义11.2 换热器简介21.2.1 换热器分类21.2.2 管壳式换热器的结构和使用特点3第2章 冷凝器设计82.1 冷凝器选型82.1.1 饱和蒸汽冷凝82.1.2 含不凝气的冷凝冷却过程82.1.3 安装注意事项92.2 冷凝器设计依据92.2.1 管壳式冷凝器类型的选择92.2.2 换热器合理压降的选择102.2.3 工艺条件经验温度的选择102.2.4 管长102.2.5 管径与管壁112.2.6 折流板圆缺高度112.2.7 折流板间距112.2.8 密封条112.3 HTRI设计判据122.3.
2、1 管壳侧流速(velocity)122.3.2 设计余量(overdesign)122.3.3 热阻(thermal resistance)122.3.4 流型 (flow fraction)132.3.5 Window and crossflow132.3.6 常见warning message及解决方法132.4 HTRI设计实例（HTRI6.0计算）152.4.1 饱和蒸汽的冷凝152.4.2 含有不凝气的气体冷凝292.4.3 油气冷凝冷却39第3章 结论593.1 饱和蒸汽冷凝冷凝器数据593.1.1 饱和蒸汽冷凝器结构数据593.1.2 饱和蒸汽冷凝器工艺数据593.2 含不凝气
3、的蒸汽冷凝冷凝器数据603.2.1 含不凝气的蒸汽冷凝器结构数据603.2.2 含不凝气的蒸汽冷凝器工艺数据603.3 油气冷凝冷却冷凝器数据613.3.1 油气冷凝冷却冷凝器结构数据613.3.2 油气冷凝冷却冷凝器工艺数据61致 62参考文献63 第1章 前言1.1 课题研究背景及意义 我国的能源现状存在着两个突出的问题。第一，能源结构不合理。相比国外而言，我国能源效率利用率低，单位产品能耗高于世界同级水平。第二，由于我国人口众多，虽然国能源储量较大，但人均水平处于世界人均水平较低地位。因此,设计出一种能够大幅节能的设备具有重大的战略意义1-4。换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，
4、其性能对能量利用效率、产品质量、工艺系统的可靠性与经济型起着重要的作用，有时甚至起决定作用。在石油、化工、能源等高能消耗工厂中，换热器数量占工厂总设备数目的40%左右，设备投资占全部投资的30%40%左右，海水淡化工艺装置基本全有换热器组成5。近年来，利用换热器对高低温热能回收带来了巨大的经济效益。管壳式换热器由于结构稳定、操作弹性大、技术成熟、适用面广、使用材料围广等优点，是最为常用的热交换设备之一。近年来，一些新型强化换热器的出现促进了管壳式换热器的发展。随着换热器设计方法和传热技术的发展，管壳式换热器有了较大的改进和发展。在换热器结构上，折流挡板由单弓形发展到双弓形、圆环形、螺旋形等来强
5、化壳侧流体的流动以增强传热。管程数有单程变化为双程、四程甚至六程等，从而增加了管程流速，减少结垢。6在设计方法上，国际上有1962年成立的美国换热研究公司HTRI和1968年英国成立的传热与流体流动服务公司（HTFS，现为ASPEN EDR）,其软件能较为快捷准确的模拟出换热器的换热效果。国的中国寰球工程公司和石油化工总公司等制定了相应的设计规和技术标准，推动了我国换热技术的发展，对换热器的研究和设计作出了巨大的贡献7。对设计的换热器通常有一些基本的要求：首先需要满足石油、化工等生产工艺的换热要求，保证所设计的设备能在指定的情况下完成换热任务，正常工作；其次还需要保证换热器能够长时间的运行而不
6、发生故障；再次，设计的换热器应尽可能结构紧凑、设备占用体积小、便于维修等特点。最后，换热器的热量泄露少，阻力小，比较经济等。HTRI软件作为国际上最为常用的换热器计算软件之一，在国也有很大的应用市场。然而，在HTRI相关教程上十分稀少。为了帮助学习者能够更快的了解相关计算，特编写此论文。1.2 换热器简介1.2.1 换热器分类换热器作为传热设备随处可见，在工业中得到大量的使用，特别在耗能用量十分大的石油、化工等领域。随着人类文明的进步，节能技术发展，所涉及的换热器越来越多。对处在不同介质、工况、温度、压力下的换热器，结构和形式有着很大的不同。其具体分类如下8-13：1. 按传热原理分类直接接触
7、式换热器两种介质接触，直接传递能量，实现传热。传热量直接受接触面积影响。常用为气体与液体的传热。此类换热器主要以塔设备为主体，很难区分与塔器的关系，常归为塔式设备。a) 蓄能式换热器用量极少。热介质先加热热容较大的物质，待所加热物质到达一定的温度后，冷介质以热固体为换热媒介得以升温，从而达到换热的目的。b) 管板式换热器此类换热器占总量的99%以上。热物流通过某种导热系数较大的介质将能量传递到冷物流的换热器。此类换热器通常成为管壳式、板式、板翅式或板壳式换热器。2. 按传热种类分类a) 无相变传热分为加热器和冷却器。b) 有相变传热一般分为再沸器和冷凝器。再沸器又包括釜式再沸器、虹吸式再沸器、
8、废热锅炉等。3. 管壳式换热器分类a) 固定管板式换热器固定管板式换热器两端管板通过焊接的形式固定在壳体上。换热管则采用胀接、焊接等方法与管板联结。对于此类换热器，壳侧一般不清扫。故一般对含有污垢或者腐蚀性介质安排走管程侧。此类换热器是最为常用的类型，最为经济。因此在设计换热器时首选固定管板式换热器。b) 浮头式换热器当壳程侧与管程侧有较大的温差或较高的压力时，常采用此类换热器。同时，由于管束可以抽出壳体之外，便于机械清扫。因此，浮头式换热器也适用于管、壳程介质污垢系数较大，即管壳程都需要进行机械清理的场合。c) U型管式换热器管束膨胀可以通过U型管的弯曲部分变形来吸收，不受壳体的约束。还可以
9、进行机械清洗，结构比较简单。因而造价比浮头式换热器低。但是管程清洗较为困难，一般工艺设计让清洁流体走管程。d) 填料函式换热器e) 釜式再沸器1.2.2 管壳式换热器的结构和使用特点换热器作为节能设备之一，在国民经济中有着十分重要的作用。换热器的结构决定了换热器的性能。设计者合理的结构设计能够发挥换热器的某种性能。不同的换热环境有着不同的换热结构。设计者想要设计一个高效、节能的换热器就必须了解换热器的结构特点。管壳式换热器虽然种类繁多，但通常可以将其拆分为前封头、壳体、后封头。不同结构的部件用不同的英文字母表示。故换热器可以用三个字母来表示。例如BES等等。相对GB151-1999，TEMA标
10、准相比而言，少了I、Q、O壳体。TEMA分类及代号如图1-1所示：图1-1 主要部件及代号1. 浮头式换热器表1-1 换热器的主要部件（与图1-2到图1-5对应）序号名称序号名称序号名称1平盖21吊耳41封头管箱（部件）2平盖管箱（部件）22放气口42分程隔板3接管法兰23凸型封头43耳式支座（部件）4管箱法兰24浮头法兰44膨胀节（部件）5固定管板25浮头垫片45中间挡板6壳体法兰26球冠形封头46U形换热管7防冲版27浮动管板47导流筒8仪表借接口28浮头盖（部件）48纵向隔板9补强圈29外头盖（部件）49填料10壳体（部件）30排液口50填料函11折流板31钩圈51填料压盖12旁路挡板3
11、2接管52浮动管板裙13拉杆33活动鞍座（部件）53部分剪切环14定距管34换热管54活套法兰15支持板35挡管55偏心锥壳16双头螺柱或螺栓36管束（部件）56堰板17螺母37固定鞍座（部件）57液面计接口18外头盖垫片38滑道58套环19外头盖侧法兰39管箱垫片59圆筒20外头盖法兰40管箱圆筒（部件）60管箱侧垫片图1-2 AES、BES浮头式换热器浮头式换热器最大的特点是管束可抽出，对由于温差造成的应力能够通过自由伸缩缓解，从根本上避免了温差应力的产生。其优点是：1) 管束抽出方便，便于清洗管、壳程2) 适用于壳体与管子金属温差超过30时或者冷热流体的极限温差超过110的条件，不会造成
12、因膨胀造成的泄露。3) 壳侧能够进行机械清理，能用于结垢比较严重的场合。但也存在一定的缺点：1) 小浮头容易发生泄露。2) 结构相对复杂，造价相对较高。2. U型管式换热器图1-3 BIU U形管式换热器U形管式换热器最大的特点是采用U形管式换热器，管子两端固定在同一管板上，因管束可以自由伸缩，故对热膨胀的适应能力较强，多用于高温高压和管壳壁之间传热温差较大的工况。其优点是：1) 管束可抽出进行机械清洗。2) 壳体与管束不受温差的限制。3) 管束可抽出进行机械清洗。缺点是：1) 最外排管子U形弯曲段因为无支撑，可能因跨度大而造成流动诱发振动问题。2) 不可更换单根管子。3. 填料函式换热器图1
13、-4 AFP填料函式换热器图1-5 AJW填料函式分流式换热器填料函式换热器最大的特点是管束可抽出，壳体与管束间可自由滑动，从而吸收因温差而引起的热膨胀。其优点是：1) 可用于高温差的工艺流体换热。2) 管束可抽出，能进行机械清洗，能适用于结垢比较严重和管束腐蚀严重的场合。缺点是：密封处易泄漏，不适于有毒、易挥发及贵重介质的场合。 第2章 冷凝器设计2.1 冷凝器选型因为本章主要介绍管壳式冷凝器，所以选型问题也仅限于管壳式冷凝器。10对冷凝器的选型，应根据实际情况进行分析，针对膜式冷凝的特点，结合正确的工艺计算，选择出适当的冷凝器。对饱和气体冷凝和含不凝气的气体分别加以说明。2.1.1 饱和蒸
14、汽冷凝因为在传热、压降、清扫等方面分配比较合理，故一般情况下选择卧式壳程冷凝器。1. 当冷凝工艺流体量和冷凝器的型号相同时，卧式冷凝器的传热系数比立式冷凝器的传热系数的0.77（L/D）0.25倍。2. 壳程冷凝时，饱和蒸汽的压力降比管程的小。3. 当用水做冷凝介质时，冷却水走管有利于清洗产生的水垢，并且容易保证较高的流速，从而产生较大的传热系数。对于饱和蒸汽冷凝，在特殊的情况下才不优先考虑卧式壳程冷凝。1. 当被冷凝的介质压力较高或严重腐蚀管材时，在管程冷凝比较合适，这样壳体可使用普通钢材，能够减少设备投资。一般是指立式管程冷凝。2. 对冷凝传热系数较高的物料（水蒸汽、氨气等），可以选择立式冷凝器。虽然冷凝膜传热系数比卧式的低，但如果冷却水沿管子壁成膜状流下，由于这样水的膜传热系数比水充满时的膜传热系数大，从而提高了总膜传热系数。常用的立式氨冷器就是典型的例子。2.1.2 含不凝气的冷凝冷却过程1. 低压通常采用卧式壳程冷凝器。如果采用立式壳程冷凝器，在死角累计的不凝气不易排出。
