論HTRI軟件在管殼式換熱器工藝設計與優化中的作用

孫常帥

摘 要：為了保證使用HTRI軟件進行管殼類型換熱器設備設計以及優化的時候有良好質量，應認識到管殼類型換熱器設備的運行特點以及需要，并能科學的運用HTRI進行管道設計。本文就HTRl軟件在現代管殼類型換熱器設備設計以及優化方面的作用進行了分析。

關鍵詞：管殼式；HTRI軟；換熱器；優化；設計

化工類型企業生產階段中往往需要進行大量的熱交換操作，進而在化工類企業當中有大量的熱交換設備，并且通常熱交換類設備能占到化工類企業設備總數的百分之三十左右。在當代化工產業高水平發展中，也更需要換熱器設備性能有所提升，因此在當代管殼類型換熱器設備的制造中運用了HTRI軟件，以期實現管殼類型換熱器設備設計的優化。

1 管殼類型換熱器設備特點分析

從管殼類型換熱器設備組成結構特點來看，可以將其劃分浮頭類型、滑動管板類型、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備均有其性能特點，而在石油化工生產企業中，浮頭類型、固定管板類型以及U型管類型的換熱器設備使用較多，而這三種類型的換熱器設備也有其突出特點。

（1）固定管板類型換熱器設備，這種類型的管殼換熱器具有結構組成簡單、內部設計緊湊的特點，在運行的時候能承受較強的壓力。固定管板類型換熱器設備的整體造價較低，具有良好的經濟性。同時由于這種類型換熱器結構較為簡單，因此其不僅清晰便捷，而且在管道出現損壞時候也容易更換。

但這種類型的換熱器也有較明顯的缺點，在固定管板類型換熱器設備運行的時候，一旦出現管道束和管道殼體結構材料的膨脹值差異較大的時候，殼體結構和管道束當中就會產生巨大的熱應力，影響固定管板類型換熱器的正常運行。

而從固定管板類型換熱器的適用范圍來看，主要適用管程結構以及殼程結構兩側溫度差較小的工作條件下，或者是要求殼程結構清潔度較高且不容易出現結垢問題工況下可以充分運用，在實際的運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償性。其次，U形管類換熱器設計結構較為簡單，造價成本低，在運行中能承載較大壓強，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計結構簡單，但其內部管子排列的緊密度較差，管道長度分布也并不均勻。同時換熱設備中的管板實際利用率偏低，管子的實際報廢率較高。同時殼體流程容易導致短路，影響設備熱量的傳導。

而從這種U形管類型換熱器的適用工況來看，適用于管道內部流體潔凈程度高的工況。同時也會用于對于管道結構承壓性要求較高的工況，能滿足管壁結構、殼壁結構溫差較大的工況。另外，這種類型的管道換熱器設備特別適用于管道內流動清潔度高、不容易結垢，并且具有高溫、強勢腐蝕性、高壓強的物料。

（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，具有良好的補償性，在使用的時候也不會產熱應力，而設備的管束也能自由抽出，管間以及管道內部清潔也較為方便。

而這種類型管殼換熱器的不足之處就在于其結構設計復雜度高，造價成本也較高，設備整體較為笨重，在設備制造階段中需要消耗大量的材料，并且在設備制造階段也需要較高的密封性，進一步增加了設備制造的難度。

這種浮頭類型的管殼換熱器設備的適用方面較為廣泛，管道結構內部以及外部均可以承受較高的溫度以及壓強。能滿足殼體結構和管束結構之間溫差較大的工況，殼程部分介質容易出現結構的工況也能正常運行。

這些類型的管殼類型換熱器設備在設計特點方面、運行工況方面均有各自的特點，在使用HTRI軟件進行設計優化時候，需要能結合換熱器設備的設計需要，保證工廠生產階段中的各方面要求均能得到滿足。

2 設計方案分析

2.1 工藝參數

管殼式換熱器工藝設計計算前需要確定的工藝參數：熱負荷（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出口溫度、組分、污垢系數及其物性參數、換熱器允許尺寸等。工藝流體的流量和進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口溫度，一般由來源定，但其用量或出口溫度則由設計者選定。污垢系數可參考TEMA標準或根據經驗數據確定。冷熱流體的物性參數，可用AspenPlus等工藝流程模擬軟件計算后自動導入。

2.2 換熱器結構型式

換熱器的結構型式根據流體的溫差、壓力、結垢等情況確定。每種換熱器都有其適用場合，上述介紹的三種管殼式換熱器的特點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，選擇流體空間時主要考慮腐蝕和結垢兩個因素，一般管側流體空間選擇優先順序：腐蝕性強的流體、冷卻水、易結垢的流體、低粘度流體、高壓流體、高溫流體；一般殼側流體空間選擇優先順序：需要冷凝的蒸汽（具有腐蝕性的除外）、進出口溫差較大的流體、傳熱膜系數較小的流體、高粘度流體。

3 工藝設計及優化

目前管殼式換熱器的工藝設計計算基本都采用專業的計算機軟件。在設計模式下將工藝流體的基本信息和相關參數輸入到軟件中進行計算。計算完成后，通常情況下軟件會按費用最低等原則自動選擇一組工藝計算方案。作為設計人員應依據工程實際情況，以換熱器達到效率最高、耗能最小、成本最低為目標，對換熱器結構的相關參數進行調整，得到最優的工藝計算方案。

此外，分析設計欄中數據，發現殼程流體流速太大，可通過放大殼體直徑、放大支撐板間距、減少管數等方法進行調節；殼程工藝介質壓降較大，可通過調整折流板間距、折流板圓缺率、改變折流板形式或管子排列方式、管間距進行調節。將設計模式轉為校核模式，設計欄中得到的殼體直徑、折流板間距圓整后輸入，運行后分析結果，發現上述問題仍然存在。調整參數，輸入殼體內徑600，折流板間距300，圓缺率30%，圓整進出口接管直徑。

4 結束語

當換熱器工藝計算后，如何根據實際工況，來判斷結果是否滿足要求，出現問題后如何解決，對設計者來說非常重要。一般而言，各設計參數之間不能很好的相互匹配，這就看哪個因素最重要。不同的情況有不同的要求，如溫升、壓力降、流速、傳熱系數等，需要確定哪個是控制因素。只有這樣，才能使換熱器的設計既滿足工藝過程本身的要求，又滿足結構、造價、維修、消耗等各方面的綜合要求，使企業降低成本，提高效益。

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