摘　要：提出基于國際流行的ASPEN PLUS模擬軟件,通過與必要的手工計算相結合,高效地設計出符合中國相關標準管殼式換熱器的步驟和方法。復雜而且繁瑣的能量平衡和壓力降計算由軟件來完成,設計者只需依照相關的標準,通過簡單的手工計算確定出離散變量的取值,再基于模擬軟件的計算結果,在壓力降和標準許可的范圍內,調整離散變量的取值以便進一步提高總傳熱系數,從而節省傳熱面積。通過重新設計一個文獻實例來演示所提方法的簡單性和有效性,所得的換熱面積比報道值節省了66. 7%。
　　換熱器是一種實現物料之間熱量傳遞的設備,廣泛應用于化工、冶金、電力、食品等行業。在化工裝置中換熱設備占設備數量的40%左右,占總投資的35% ~46%。目前,在換熱設備中,使用量最大的是管殼式換熱器,尤其在高溫、高壓和大型換熱設備中占有絕對優勢。一般來講,管殼式換熱器具有易于加工制造、成本低、可靠性高,且能適應高溫高壓的特點。隨著新型高效傳熱管的不斷出現,使得管殼式換熱器的應用范圍得以不斷擴大,更增添了管殼式換熱器的生命力。如何根據不同的生產工藝條件設計出投資省、能耗低、傳熱效率高、維修方便的換熱器,是工藝設計人員重要的工作,也是化工類專業學生必修的課程設計項目之一。換熱器的工藝設計主要包括傳熱和阻力計算兩個方面。由于換熱器的設計方法比較煩雜,且需要迭代計算,故借助于日益普及的計算機軟件進行優化設計則可以極大地提高工作效率。
　　目前,工程上已大量使用商業軟件進行換熱器的計算。最著名的專業換熱器計算軟件主要有成立于1962年的美國傳熱研究公司(HeatTrans-ferResearch Inc.,即HTRI)開發的XchangerSuite軟件;成立于1967年的英國傳熱及流體服務中心(HeatTransferand Fluid Flow Service,即HTFS)開發的HTFS系列軟件[1]和B-JAC軟件。換熱器計算軟件發展到今天,在功能上已經可以向制造廠商提供設備條件。
　　為了便于組織工業生產,換熱器的設計要盡可能符合相關的行業標準。對于管殼式換熱器,國外主要標準有TEMA(TubularExchangersManu-facturersAssociation)和ASME (American SocietyofMechanical Engineers);國內主要標準有國標GB151-1999(管殼式換熱器標準),行業標準JB/T 4715-92(固定管板式換熱器形式與基本參數)和HG 21503-92(鋼制固定式薄管板換熱器)。正是這些標準的制約,使得設計變量如殼體直徑和管長是非連續變化的,因而進一步增加了優化設計的難度。
　　隨著中國科技與經濟實力的不斷增強,愈來愈多的科研單位和高校引進了國際流行的化工過程模擬系統如ASPEN PLUS、ProII和HYSYS軟件,這些軟件都具有功能強大的物性計算系統和嚴格的換熱器單元計算模型。但到目前為止,采用這些功能強大的模擬軟件進行換熱器優化設計的研究還鮮有報道[9]。另外,雖然這些軟件所附帶的說明文檔介紹了軟件功能和使用方法,但如何充分利用這些功能高效地解決實際問題仍是使用者需要仔細思考的問題。還有從國外引進的軟件所用的默認值與國內相關的標準有差異,如何設計出符合中國相關標準的換熱器也是需要解決的重要問題。
　　本文選用在中國較為流行的ASPEN PLUS模擬軟件(2006. 5版)作為管殼式換熱器優化設計的工具,提出高效地設計出符合中國相關工業標準管殼式換熱器的詳細步驟和方法。應當指出,由于其他的模擬軟件與ASPEN PLUS在功能上是相通的,因而本文所提出的設計步驟和方法也可為使用其他模擬軟件進行換熱器優化設計提供十分有益的借鑒。
    1　問題定義
    已知要被加熱或冷卻的工藝物流的流量、壓力、組成、初始和目標溫度,以及與之匹配換熱的流股組成、初始和目標溫度。要求設計出符合相關行業標準的管殼式換熱器,且該換熱器能夠完成指定的熱交換負荷并符合給定的壓力降要求。優化的目標是在完成任務條件下所需的換熱面積最小。
    2　設計步驟
    基于研究者的設計經驗和ASPEN PLUS(2006.5版)現有的功能,主要的設計步驟總結如下:
    (1)根據換熱流股所涉及的組分、操作溫度和壓力,選擇適合的物性計算方法(PropertyMethod)。
    (2)選用ASPEN PLUS中的“Heater”單元模型(只需輸入一個流股數據,進行能量平衡計算),輸入工藝物流的相關數據,計算出換熱器的負荷Q。
    (3)選用“HeatX”模型(換熱器嚴格計算模型)替換“Heater”單元模型,并選用模型中的“Shortcut”計算類型和“Design”模式,以確定匹配熱流股的流量。
    (4)參考相關的國家和行業標準,根據工藝流股與匹配流股的物性以及操作條件,選定殼程與管程流股;選用“HeatX”模型中的“Detailed”計算類型和“Rating”模式,通過手工計算來選取離散變量和軟件運算來進行能量平衡和嚴格壓力降的計算;然后再基于所得結果進行調優直至滿意為止,調優的原則是在壓力降和標準許可的范圍內,調整離散變量的取值以便提高總傳熱系數,從而節省傳熱面積。
    (5)選用“HeatX”模型中的“Detailed”計算類型和“Simulation”模式進行核算與驗證。
    (6)若上一步所得設計結果不符合面積裕度或者壓力降約束,則返回至第4步。
    3　設計實例
    3. 1　給定條件
    換熱器工藝流程如圖1,二氟二氯甲烷(氟里昂-12)(Freon-12, CCl2F2)作為工藝冷流股,流量是10 560 kg·h-1,壓力為7. 58×105Pa(絕壓,下同),其溫度需要從240 K升至300 K;與之匹配換熱的熱流股是乙二醇( ethylene glyco,lC2H6O2),其初始溫度是350 K,壓力為2. 02×105Pa。要求設計管殼式換熱器完成上述任務。另外,現場工程師推薦乙二醇的出口溫度應當至少比冷流股的出口溫度高10 K,且使用碳鋼傳熱管,要求殼程和管程的壓力降均不超過6. 8×104Pa。優化設計的目標是,在完成給定任務條件下,所需的換熱器面積最小。
                 
    3. 2　設計過程
    3. 2. 1　選擇合適的物性計算方法
    由于匹配換熱所涉及的流股組分為極性、非電解質且操作壓力小于1. 01×106Pa,故選擇NRTL類模型進行相關的物性計算[10]。應當指出,基于流股Freon-12數據,既使采用同屬于NRTL類模型的不同物性計算方法,所得換熱器的加熱負荷也有明顯差異,具體數據見表1,最大偏差為6%。由此可見,用可靠的物性數據或者實驗數據來選擇合適的物性計算方法是十分必要的。這里選擇NRTL-HOC僅用于舉例目的。
                   
    3. 2. 2　確定換熱負荷
    選用“Heater”單元模型,輸入冷流股Freon-12的相關數據,計算出所需的熱負荷為173 840.5W(見表1)。應當指出,僅用圖1中Freon-12流股的數據是不足以來計算熱負荷的,還需設定出口壓力或者氣相分率,這里給定的入口到出口的壓力降是5. 05×104Pa。原因是允許的壓力降是6. 8×104Pa,若壓力降大于7. 07×104Pa,則該流股在出口處會發生氣化(這一點可以由泡點曲線(如圖2)或者給定出口的氣相分率來確定),意味著換熱過程中涉及相變。這種情況應盡可能避免。
                
    3. 2. 3　確定匹配流股流量
    用HeatX”模型替換“Heater”單元模型,并輸入熱流股相關數據,選用“Shortcut”計算類型進行換熱器熱量平衡計算。此時乙二醇的流量待求,故在模型運行前需輸入其流量的估計值6 083kg·h-1,對應的出口溫度是308. 2 K,不符合給定條件。通過“Design Spec(設計給定)”模塊,調整乙二醇的流量使其離開換熱器時的出口溫度正好為310 K,計算得到的值為6 342. 18 kg·h-1,其他的流股數據見表2。由于這一步僅涉及物料和能量平衡計算,管程和殼程的壓力降不考慮,暫時均視為零。
       
    3. 2. 4　換熱器結構設計
    選用“HeatX”模型中“Detailed”計算方法和“Rating”模式,進行換熱器的設計。首先,需要選定殼程與管程流股。基于上一步計算得到的物性數據,乙二醇流股的粘度在3 cp以上,而Freon-12的粘度均小于1 cp;另外Freon-12的壓力為7. 58×105Pa,大于乙二醇流股的2. 02×105Pa;故選擇Freon-12流股走管程,乙二醇流股走殼程。其次,設定以下計算方法: ( a)傳熱溫差LMTD(即△tm)校正系數基于“Geometry”(幾何尺寸)計算; (b)管程與殼程的壓力降均基于“Geom-etry”計算; (c)總傳熱系數U基于“Film Coeffi-cient”(膜系數)計算,即
                 
    式中,Uo為以管外側傳熱面積為基準的總傳熱膜系數,hi,ho分別為管內和管外傳熱膜系數; rif, rof,rt分別為管內、管外污垢熱阻以及管壁熱阻。應當注意,傳熱系數的計算是以換熱管外表面為基準的,因而式(1)中管內膜系數和污垢熱阻應是乘了換熱管的外徑與內徑的比(do/di)之后的校正值; (d)管內和管外的分傳熱膜系數均基于“Ge-ometry”計算,管內外側的污垢熱阻均取3. 52×10-4m2·K·W-1(依據國標GB151-1999)。最后,借助手工計算確定換熱器的結構尺寸。
    ①計算平均傳熱溫差
    先按純逆流計算
                  
    ②估算傳熱面積
    根據熱流股是乙二醇,其粘度在1. 0 cp以上,冷流股也是有機物,粘度在1. 0 cp以下,總傳熱系數的范圍是150~300W·m-2·K-1 。這里選取200W·m-2·K-1作為總傳熱系數,則所需的傳熱面積為：
                  
    由于總傳熱溫差校正系數尚未考慮,故實際傳熱面積取估計值的120%,即14. 6×1. 2=17. 5 m2。

    ③管徑和管內流速
    由于冷熱流股的體積流量在100 L·min-1左右,流量較小,按照固定管板式換熱器形式與基本參數(JB/T 4715-92標準),選19×2的碳鋼換熱管。考慮到第(2)步確定的管程流股壓力降應不大于7. 07×104Pa,故管內流速選取較低值,為1 m·s-1(正常范圍為0. 5~3 m·s-1)。

    ④管程數和傳熱管總根數流股Freon-12的平均體積流量
                   
    式中,Vint和Voutt是在第(2)步得到流股在入口和出口的體積流量。單管程所需的傳熱管根數為：
                 
    ⑤查JB/T 4715-92標準
    根據換熱面積和管程數以及換熱管根數,選最接近的換熱器配置。這里選定換熱面積為17.9m2殼體公稱直徑為325 mm(壁厚12. 5 mm),管長為4.5 m,管子總數為68根的換熱器。采用正三角形排列,管心距取25 mm;采用單弓形折流板,缺口率為殼體內徑的25%,折流板間距取200mm。

    ⑥設定接管尺寸
                  
    ⑦數據輸入“HeatX”模型
    將以上手工計算的數據輸入“HeatX”模型,運行后得到初步設計結果,見表3。表3中各個符號所代表的意義見符號說明部分。
               

    3. 2. 5　對設計結果進行調優
    由表3數據可以發現,所得設計方案雖然是可行的,但殼程錯流速度和壓力降偏小(因為流速的正常范圍是0. 2~1. 5 m·s-1),需要進一步增加流速,從而提高殼程傳熱膜系數以達到降低所需傳熱面積的目的。此任務,可以通過縮小折流板間距和殼體直徑的方式來完成。

    ①折流板間距縮小至100 mm。即將折流板數目由21塊增加至44塊。所得主要結果見表4,可見所得的方案也是可行的。
                  
    ②由表4數據發現,實際的總傳熱系數為247. 5W·m-2·K-1,比估計值大25%,導致面積裕度大于30%,另外殼程流體速度依然偏小,因而需要重新選擇傳熱面積大于13. 5 m2,管程數為4,殼體內徑比325 mm小的換熱器。基于以上條件,查JB/T 4715-92標準發現,殼體外徑為273 mm,換熱面積為14. 7 m2,管程數為2,換熱管總數為56的這一組參數最為接近。但需要將管程數調整為4,以保證管程流體的速度在1 m·s-1附近,所付出的代價是換熱管總數需要減少16根(按每多一程少8根計算)用于放置分程隔板。這樣即減少28. 6%的換熱面積;作為補償,將換熱管的長度增加到6m,使傳熱面積增加33. 3%,達到基本平衡。采用單弓形折流板,缺口率為殼體內徑的25%,擋板間距取100 mm,擋板數目是59塊。將相關數據輸入后,所得的主要結果見表5。
                  
    從表5結果可以看出,雖然殼程的壓力降和流速都有進一步提升的空間,即進一步縮小折流板間距或者減少殼體的直徑,但由于目前折流板間距已是JB/T 4715-92標準中的最小值,另外,殼體直徑若減小到下一個檔(219 mm),則無法排40根4管程的換熱管,所以調優過程到此為止。
    3. 2. 6　設計結果驗證及對比
    選用“HeatX”模型中的“Detailed”計算類型和“Simulation”模式進行核算。結果發現,實際的換熱負荷為187 152W,比要求值增加了7. 7%,而且冷流股在出口處發生了2%的氣化,這說明設計合理。
    在忽略管內、外側的污垢熱阻,面積裕度為13. 2%的條件下所得的設計結果相比,其所需的實際換熱面積為43 m2,而本文所得結果為14. 3 m2,即節省了66. 7%的換熱面積。
    4　結　論
    提出了基于ASPEN PLUS(版本2006. 5)模擬軟件和手工計算的有機結合,進行管殼式換熱器優化設計的步驟和方法。通過對一個文獻實例的設計,說明了所提方法的簡單性和有效性。設計過程表明,借助于ASPEN PLUS模擬軟件多次運行,完全可以高效地設計符合中國工業標準的管殼式換熱器。