论文部分内容阅读
摘 要：为了保证使用HTRI软件进行管壳类型换热器设备设计以及优化的时候有良好质量，应认识到管壳类型换热器设备的运行特点以及需要，并能科学的运用HTRI进行管道设计。本文就HTRl软件在现代管壳类型换热器设备设计以及优化方面的作用进行了分析。
关键词：管壳式；HTRI软；换热器；优化；设计
化工类型企业生产阶段中往往需要进行大量的热交换操作，进而在化工类企业当中有大量的热交换设备，并且通常热交换类设备能占到化工类企业设备总数的百分之三十左右。在当代化工产业高水平发展中，也更需要换热器设备性能有所提升，因此在当代管壳类型换热器设备的制造中运用了HTRI软件，以期实现管壳类型换热器设备设计的优化。
1 管壳类型换热器设备特点分析
从管壳类型换热器设备组成结构特点来看，可以将其划分浮头类型、滑动管板类型、固定管板类型、U形类型、薄管板式类型、填料函类型等种类的换热器，每种类型的换热器设备均有其性能特点，而在石油化工生产企业中，浮头类型、固定管板类型以及U型管类型的换热器设备使用较多，而这三种类型的换热器设备也有其突出特点。
（1）固定管板类型换热器设备，这种类型的管壳换热器具有结构组成简单、内部设计紧凑的特点，在运行的时候能承受较强的压力。固定管板类型换热器设备的整体造价较低，具有良好的经济性。同时由于这种类型换热器结构较为简单，因此其不仅清晰便捷，而且在管道出现损坏时候也容易更换。
但这种类型的换热器也有较明显的缺点，在固定管板类型换热器设备运行的时候，一旦出现管道束和管道壳体结构材料的膨胀值差异较大的时候，壳体结构和管道束当中就会产生巨大的热应力，影响固定管板类型换热器的正常运行。
而从固定管板类型换热器的适用范围来看，主要适用管程结构以及壳程结构两侧温度差较小的工作条件下，或者是要求壳程结构清洁度较高且不容易出现结垢问题工况下可以充分运用，在实际的运用中可以采用立式形式或者是卧式形式。
（2）U形管类型换热器，这种类型管壳换热器的U形管一端能充分的自由伸缩，因此也就具有了良好的补偿性。其次，U形管类换热器设计结构较为简单，造价成本低，在运行中能承载较大压强，也更容易将管束抽出。
但U形管类型换热器在使用中也存在不足，这种类型管壳换热器虽然设计结构简单，但其内部管子排列的紧密度较差，管道长度分布也并不均匀。同时换热设备中的管板实际利用率偏低，管子的实际报废率较高。同时壳体流程容易导致短路，影响设备热量的传导。
而从这种U形管类型换热器的适用工况来看，适用于管道内部流体洁净程度高的工况。同时也会用于对于管道结构承压性要求较高的工况，能满足管壁结构、壳壁结构温差较大的工况。另外，这种类型的管道换热器设备特别适用于管道内流动清洁度高、不容易结垢，并且具有高温、强势腐蚀性、高压强的物料。
（3）浮头类型管壳换热器，这种类型换热器的浮头能自由伸缩，具有良好的补偿性，在使用的时候也不会产热应力，而设备的管束也能自由抽出，管间以及管道内部清洁也较为方便。
而这种类型管壳换热器的不足之处就在于其结构设计复杂度高，造价成本也较高，设备整体较为笨重，在设备制造阶段中需要消耗大量的材料，并且在设备制造阶段也需要较高的密封性，进一步增加了设备制造的难度。
这种浮头类型的管壳换热器设备的适用方面较为广泛，管道结构内部以及外部均可以承受较高的温度以及压强。能满足壳体结构和管束结构之间温差较大的工况，壳程部分介质容易出现结构的工况也能正常运行。
这些类型的管壳类型换热器设备在设计特点方面、运行工况方面均有各自的特点，在使用HTRI软件进行设计优化时候，需要能结合换热器设备的设计需要，保证工厂生产阶段中的各方面要求均能得到满足。
2 设计方案分析
2.1 工艺参数
管壳式换热器工艺设计计算前需要确定的工艺参数：热负荷（冷或热流体的流量）、操作压力、操作温度、允许压力降和冷热流体的进出口温度、组分、污垢系数及其物性参数、换热器允许尺寸等。工艺流体的流量和进出口温度由工艺要求决定。另一种流体即加热剂或冷却剂的进口温度，一般由来源定，但其用量或出口温度则由设计者选定。污垢系数可参考TEMA标准或根据经验数据确定。冷热流体的物性参数，可用AspenPlus等工艺流程模拟软件计算后自动导入。
2.2 换热器结构型式
换热器的结构型式根据流体的温差、压力、结垢等情况确定。每种换热器都有其适用场合，上述介绍的三种管壳式换热器的特点和适用范围可作为选择参考。
2.3 流体空间
由于影响选择流体空间的因素有很多，选择流体空间时主要考虑腐蚀和结垢两个因素，一般管侧流体空间选择优先顺序：腐蚀性强的流体、冷却水、易结垢的流体、低粘度流体、高压流体、高温流体；一般壳侧流体空间选择优先顺序：需要冷凝的蒸汽（具有腐蚀性的除外）、进出口温差较大的流体、传热膜系数较小的流体、高粘度流体。
3 工艺设计及优化
目前管壳式换热器的工艺设计计算基本都采用专业的计算机软件。在设计模式下将工艺流体的基本信息和相关参数输入到软件中進行计算。计算完成后，通常情况下软件会按费用最低等原则自动选择一组工艺计算方案。作为设计人员应依据工程实际情况，以换热器达到效率最高、耗能最小、成本最低为目标，对换热器结构的相关参数进行调整，得到最优的工艺计算方案。
此外，分析设计栏中数据，发现壳程流体流速太大，可通过放大壳体直径、放大支撑板间距、减少管数等方法进行调节；壳程工艺介质压降较大，可通过调整折流板间距、折流板圆缺率、改变折流板形式或管子排列方式、管间距进行调节。将设计模式转为校核模式，设计栏中得到的壳体直径、折流板间距圆整后输入，运行后分析结果，发现上述问题仍然存在。调整参数，输入壳体内径600，折流板间距300，圆缺率30%，圆整进出口接管直径。
4 结束语
当换热器工艺计算后，如何根据实际工况，来判断结果是否满足要求，出现问题后如何解决，对设计者来说非常重要。一般而言，各设计参数之间不能很好的相互匹配，这就看哪个因素最重要。不同的情况有不同的要求，如温升、压力降、流速、传热系数等，需要确定哪个是控制因素。只有这样，才能使换热器的设计既满足工艺过程本身的要求，又满足结构、造价、维修、消耗等各方面的综合要求，使企业降低成本，提高效益。
参考文献
[1]杨少越，俞一帆，孙淑飞，等.HTRI软件在LNG管壳式换热器设计中的应用[J].低温与特气，2018（2）.
[2]肖武，王开锋，姜晓滨，等.遗传-模拟退火算法优化设计管壳式换热器[J].清华大学学报（自然科学版），2016（7）：728-734.
[3]张庆，王学生，陈琴珠，等.轻柴油汽提塔底T形翅片管重沸器工艺设计与应用[J].现代化工，2017，37（11）：162-166.
[4]李玉辉，段斐，张海涛.蒸汽及热媒水换热器换热流程的优化设计[J].石化技术，2016，23（3）：174-174.
关键词：管壳式；HTRI软；换热器；优化；设计
化工类型企业生产阶段中往往需要进行大量的热交换操作，进而在化工类企业当中有大量的热交换设备，并且通常热交换类设备能占到化工类企业设备总数的百分之三十左右。在当代化工产业高水平发展中，也更需要换热器设备性能有所提升，因此在当代管壳类型换热器设备的制造中运用了HTRI软件，以期实现管壳类型换热器设备设计的优化。
1 管壳类型换热器设备特点分析
从管壳类型换热器设备组成结构特点来看，可以将其划分浮头类型、滑动管板类型、固定管板类型、U形类型、薄管板式类型、填料函类型等种类的换热器，每种类型的换热器设备均有其性能特点，而在石油化工生产企业中，浮头类型、固定管板类型以及U型管类型的换热器设备使用较多，而这三种类型的换热器设备也有其突出特点。
（1）固定管板类型换热器设备，这种类型的管壳换热器具有结构组成简单、内部设计紧凑的特点，在运行的时候能承受较强的压力。固定管板类型换热器设备的整体造价较低，具有良好的经济性。同时由于这种类型换热器结构较为简单，因此其不仅清晰便捷，而且在管道出现损坏时候也容易更换。
但这种类型的换热器也有较明显的缺点，在固定管板类型换热器设备运行的时候，一旦出现管道束和管道壳体结构材料的膨胀值差异较大的时候，壳体结构和管道束当中就会产生巨大的热应力，影响固定管板类型换热器的正常运行。
而从固定管板类型换热器的适用范围来看，主要适用管程结构以及壳程结构两侧温度差较小的工作条件下，或者是要求壳程结构清洁度较高且不容易出现结垢问题工况下可以充分运用，在实际的运用中可以采用立式形式或者是卧式形式。
（2）U形管类型换热器，这种类型管壳换热器的U形管一端能充分的自由伸缩，因此也就具有了良好的补偿性。其次，U形管类换热器设计结构较为简单，造价成本低，在运行中能承载较大压强，也更容易将管束抽出。
但U形管类型换热器在使用中也存在不足，这种类型管壳换热器虽然设计结构简单，但其内部管子排列的紧密度较差，管道长度分布也并不均匀。同时换热设备中的管板实际利用率偏低，管子的实际报废率较高。同时壳体流程容易导致短路，影响设备热量的传导。
而从这种U形管类型换热器的适用工况来看，适用于管道内部流体洁净程度高的工况。同时也会用于对于管道结构承压性要求较高的工况，能满足管壁结构、壳壁结构温差较大的工况。另外，这种类型的管道换热器设备特别适用于管道内流动清洁度高、不容易结垢，并且具有高温、强势腐蚀性、高压强的物料。
（3）浮头类型管壳换热器，这种类型换热器的浮头能自由伸缩，具有良好的补偿性，在使用的时候也不会产热应力，而设备的管束也能自由抽出，管间以及管道内部清洁也较为方便。
而这种类型管壳换热器的不足之处就在于其结构设计复杂度高，造价成本也较高，设备整体较为笨重，在设备制造阶段中需要消耗大量的材料，并且在设备制造阶段也需要较高的密封性，进一步增加了设备制造的难度。
这种浮头类型的管壳换热器设备的适用方面较为广泛，管道结构内部以及外部均可以承受较高的温度以及压强。能满足壳体结构和管束结构之间温差较大的工况，壳程部分介质容易出现结构的工况也能正常运行。
这些类型的管壳类型换热器设备在设计特点方面、运行工况方面均有各自的特点，在使用HTRI软件进行设计优化时候，需要能结合换热器设备的设计需要，保证工厂生产阶段中的各方面要求均能得到满足。
2 设计方案分析
2.1 工艺参数
管壳式换热器工艺设计计算前需要确定的工艺参数：热负荷（冷或热流体的流量）、操作压力、操作温度、允许压力降和冷热流体的进出口温度、组分、污垢系数及其物性参数、换热器允许尺寸等。工艺流体的流量和进出口温度由工艺要求决定。另一种流体即加热剂或冷却剂的进口温度，一般由来源定，但其用量或出口温度则由设计者选定。污垢系数可参考TEMA标准或根据经验数据确定。冷热流体的物性参数，可用AspenPlus等工艺流程模拟软件计算后自动导入。
2.2 换热器结构型式
换热器的结构型式根据流体的温差、压力、结垢等情况确定。每种换热器都有其适用场合，上述介绍的三种管壳式换热器的特点和适用范围可作为选择参考。
2.3 流体空间
由于影响选择流体空间的因素有很多，选择流体空间时主要考虑腐蚀和结垢两个因素，一般管侧流体空间选择优先顺序：腐蚀性强的流体、冷却水、易结垢的流体、低粘度流体、高压流体、高温流体；一般壳侧流体空间选择优先顺序：需要冷凝的蒸汽（具有腐蚀性的除外）、进出口温差较大的流体、传热膜系数较小的流体、高粘度流体。
3 工艺设计及优化
目前管壳式换热器的工艺设计计算基本都采用专业的计算机软件。在设计模式下将工艺流体的基本信息和相关参数输入到软件中進行计算。计算完成后，通常情况下软件会按费用最低等原则自动选择一组工艺计算方案。作为设计人员应依据工程实际情况，以换热器达到效率最高、耗能最小、成本最低为目标，对换热器结构的相关参数进行调整，得到最优的工艺计算方案。
此外，分析设计栏中数据，发现壳程流体流速太大，可通过放大壳体直径、放大支撑板间距、减少管数等方法进行调节；壳程工艺介质压降较大，可通过调整折流板间距、折流板圆缺率、改变折流板形式或管子排列方式、管间距进行调节。将设计模式转为校核模式，设计栏中得到的壳体直径、折流板间距圆整后输入，运行后分析结果，发现上述问题仍然存在。调整参数，输入壳体内径600，折流板间距300，圆缺率30%，圆整进出口接管直径。
4 结束语
当换热器工艺计算后，如何根据实际工况，来判断结果是否满足要求，出现问题后如何解决，对设计者来说非常重要。一般而言，各设计参数之间不能很好的相互匹配，这就看哪个因素最重要。不同的情况有不同的要求，如温升、压力降、流速、传热系数等，需要确定哪个是控制因素。只有这样，才能使换热器的设计既满足工艺过程本身的要求，又满足结构、造价、维修、消耗等各方面的综合要求，使企业降低成本，提高效益。
参考文献
[1]杨少越，俞一帆，孙淑飞，等.HTRI软件在LNG管壳式换热器设计中的应用[J].低温与特气，2018（2）.
[2]肖武，王开锋，姜晓滨，等.遗传-模拟退火算法优化设计管壳式换热器[J].清华大学学报（自然科学版），2016（7）：728-734.
[3]张庆，王学生，陈琴珠，等.轻柴油汽提塔底T形翅片管重沸器工艺设计与应用[J].现代化工，2017，37（11）：162-166.
[4]李玉辉，段斐，张海涛.蒸汽及热媒水换热器换热流程的优化设计[J].石化技术，2016，23（3）：174-174.