論HTRI軟件在管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化中的作用

孫常帥

摘 要：為了保證使用HTRI軟件進(jìn)行管殼類型換熱器設(shè)備設(shè)計(jì)以及優(yōu)化的時(shí)候有良好質(zhì)量，應(yīng)認(rèn)識(shí)到管殼類型換熱器設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)以及需要，并能科學(xué)的運(yùn)用HTRI進(jìn)行管道設(shè)計(jì)。本文就HTRl軟件在現(xiàn)代管殼類型換熱器設(shè)備設(shè)計(jì)以及優(yōu)化方面的作用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：管殼式；HTRI軟；換熱器；優(yōu)化；設(shè)計(jì)

化工類型企業(yè)生產(chǎn)階段中往往需要進(jìn)行大量的熱交換操作，進(jìn)而在化工類企業(yè)當(dāng)中有大量的熱交換設(shè)備，并且通常熱交換類設(shè)備能占到化工類企業(yè)設(shè)備總數(shù)的百分之三十左右。在當(dāng)代化工產(chǎn)業(yè)高水平發(fā)展中，也更需要換熱器設(shè)備性能有所提升，因此在當(dāng)代管殼類型換熱器設(shè)備的制造中運(yùn)用了HTRI軟件，以期實(shí)現(xiàn)管殼類型換熱器設(shè)備設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

1 管殼類型換熱器設(shè)備特點(diǎn)分析

從管殼類型換熱器設(shè)備組成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看，可以將其劃分浮頭類型、滑動(dòng)管板類型、固定管板類型、U形類型、薄管板式類型、填料函類型等種類的換熱器，每種類型的換熱器設(shè)備均有其性能特點(diǎn)，而在石油化工生產(chǎn)企業(yè)中，浮頭類型、固定管板類型以及U型管類型的換熱器設(shè)備使用較多，而這三種類型的換熱器設(shè)備也有其突出特點(diǎn)。

（1）固定管板類型換熱器設(shè)備，這種類型的管殼換熱器具有結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單、內(nèi)部設(shè)計(jì)緊湊的特點(diǎn)，在運(yùn)行的時(shí)候能承受較強(qiáng)的壓力。固定管板類型換熱器設(shè)備的整體造價(jià)較低，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)由于這種類型換熱器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，因此其不僅清晰便捷，而且在管道出現(xiàn)損壞時(shí)候也容易更換。

但這種類型的換熱器也有較明顯的缺點(diǎn)，在固定管板類型換熱器設(shè)備運(yùn)行的時(shí)候，一旦出現(xiàn)管道束和管道殼體結(jié)構(gòu)材料的膨脹值差異較大的時(shí)候，殼體結(jié)構(gòu)和管道束當(dāng)中就會(huì)產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，影響固定管板類型換熱器的正常運(yùn)行。

而從固定管板類型換熱器的適用范圍來(lái)看，主要適用管程結(jié)構(gòu)以及殼程結(jié)構(gòu)兩側(cè)溫度差較小的工作條件下，或者是要求殼程結(jié)構(gòu)清潔度較高且不容易出現(xiàn)結(jié)垢問(wèn)題工況下可以充分運(yùn)用，在實(shí)際的運(yùn)用中可以采用立式形式或者是臥式形式。

（2）U形管類型換熱器，這種類型管殼換熱器的U形管一端能充分的自由伸縮，因此也就具有了良好的補(bǔ)償性。其次，U形管類換熱器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，造價(jià)成本低，在運(yùn)行中能承載較大壓強(qiáng)，也更容易將管束抽出。

但U形管類型換熱器在使用中也存在不足，這種類型管殼換熱器雖然設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其內(nèi)部管子排列的緊密度較差，管道長(zhǎng)度分布也并不均勻。同時(shí)換熱設(shè)備中的管板實(shí)際利用率偏低，管子的實(shí)際報(bào)廢率較高。同時(shí)殼體流程容易導(dǎo)致短路，影響設(shè)備熱量的傳導(dǎo)。

而從這種U形管類型換熱器的適用工況來(lái)看，適用于管道內(nèi)部流體潔凈程度高的工況。同時(shí)也會(huì)用于對(duì)于管道結(jié)構(gòu)承壓性要求較高的工況，能滿足管壁結(jié)構(gòu)、殼壁結(jié)構(gòu)溫差較大的工況。另外，這種類型的管道換熱器設(shè)備特別適用于管道內(nèi)流動(dòng)清潔度高、不容易結(jié)垢，并且具有高溫、強(qiáng)勢(shì)腐蝕性、高壓強(qiáng)的物料。

（3）浮頭類型管殼換熱器，這種類型換熱器的浮頭能自由伸縮，具有良好的補(bǔ)償性，在使用的時(shí)候也不會(huì)產(chǎn)熱應(yīng)力，而設(shè)備的管束也能自由抽出，管間以及管道內(nèi)部清潔也較為方便。

而這種類型管殼換熱器的不足之處就在于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜度高，造價(jià)成本也較高，設(shè)備整體較為笨重，在設(shè)備制造階段中需要消耗大量的材料，并且在設(shè)備制造階段也需要較高的密封性，進(jìn)一步增加了設(shè)備制造的難度。

這種浮頭類型的管殼換熱器設(shè)備的適用方面較為廣泛，管道結(jié)構(gòu)內(nèi)部以及外部均可以承受較高的溫度以及壓強(qiáng)。能滿足殼體結(jié)構(gòu)和管束結(jié)構(gòu)之間溫差較大的工況，殼程部分介質(zhì)容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的工況也能正常運(yùn)行。

這些類型的管殼類型換熱器設(shè)備在設(shè)計(jì)特點(diǎn)方面、運(yùn)行工況方面均有各自的特點(diǎn)，在使用HTRI軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)候，需要能結(jié)合換熱器設(shè)備的設(shè)計(jì)需要，保證工廠生產(chǎn)階段中的各方面要求均能得到滿足。

2 設(shè)計(jì)方案分析

2.1 工藝參數(shù)

管殼式換熱器工藝設(shè)計(jì)計(jì)算前需要確定的工藝參數(shù)：熱負(fù)荷（冷或熱流體的流量）、操作壓力、操作溫度、允許壓力降和冷熱流體的進(jìn)出口溫度、組分、污垢系數(shù)及其物性參數(shù)、換熱器允許尺寸等。工藝流體的流量和進(jìn)出口溫度由工藝要求決定。另一種流體即加熱劑或冷卻劑的進(jìn)口溫度，一般由來(lái)源定，但其用量或出口溫度則由設(shè)計(jì)者選定。污垢系數(shù)可參考TEMA標(biāo)準(zhǔn)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。冷熱流體的物性參數(shù)，可用AspenPlus等工藝流程模擬軟件計(jì)算后自動(dòng)導(dǎo)入。

2.2 換熱器結(jié)構(gòu)型式

換熱器的結(jié)構(gòu)型式根據(jù)流體的溫差、壓力、結(jié)垢等情況確定。每種換熱器都有其適用場(chǎng)合，上述介紹的三種管殼式換熱器的特點(diǎn)和適用范圍可作為選擇參考。

2.3 流體空間

由于影響選擇流體空間的因素有很多，選擇流體空間時(shí)主要考慮腐蝕和結(jié)垢兩個(gè)因素，一般管側(cè)流體空間選擇優(yōu)先順序：腐蝕性強(qiáng)的流體、冷卻水、易結(jié)垢的流體、低粘度流體、高壓流體、高溫流體；一般殼側(cè)流體空間選擇優(yōu)先順序：需要冷凝的蒸汽（具有腐蝕性的除外）、進(jìn)出口溫差較大的流體、傳熱膜系數(shù)較小的流體、高粘度流體。

3 工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化

目前管殼式換熱器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算基本都采用專業(yè)的計(jì)算機(jī)軟件。在設(shè)計(jì)模式下將工藝流體的基本信息和相關(guān)參數(shù)輸入到軟件中進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算完成后，通常情況下軟件會(huì)按費(fèi)用最低等原則自動(dòng)選擇一組工藝計(jì)算方案。作為設(shè)計(jì)人員應(yīng)依據(jù)工程實(shí)際情況，以換熱器達(dá)到效率最高、耗能最小、成本最低為目標(biāo)，對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到最優(yōu)的工藝計(jì)算方案。

此外，分析設(shè)計(jì)欄中數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)殼程流體流速太大，可通過(guò)放大殼體直徑、放大支撐板間距、減少管數(shù)等方法進(jìn)行調(diào)節(jié)；殼程工藝介質(zhì)壓降較大，可通過(guò)調(diào)整折流板間距、折流板圓缺率、改變折流板形式或管子排列方式、管間距進(jìn)行調(diào)節(jié)。將設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)為校核模式，設(shè)計(jì)欄中得到的殼體直徑、折流板間距圓整后輸入，運(yùn)行后分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)上述問(wèn)題仍然存在。調(diào)整參數(shù)，輸入殼體內(nèi)徑600，折流板間距300，圓缺率30%，圓整進(jìn)出口接管直徑。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)換熱器工藝計(jì)算后，如何根據(jù)實(shí)際工況，來(lái)判斷結(jié)果是否滿足要求，出現(xiàn)問(wèn)題后如何解決，對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)非常重要。一般而言，各設(shè)計(jì)參數(shù)之間不能很好的相互匹配，這就看哪個(gè)因素最重要。不同的情況有不同的要求，如溫升、壓力降、流速、傳熱系數(shù)等，需要確定哪個(gè)是控制因素。只有這樣，才能使換熱器的設(shè)計(jì)既滿足工藝過(guò)程本身的要求，又滿足結(jié)構(gòu)、造價(jià)、維修、消耗等各方面的綜合要求，使企業(yè)降低成本，提高效益。

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