Aspen EDR Shell & Tube 运行以后,在导航树 Results 分支下,可查看如下运行结果:
Input Summary(输入汇总)
在输入(Input)分支下,所有的输入信息都汇聚于此。
Result Summary(结果汇总 )
Warnings & Messages(警告和提示信息)
Aspen Shell & Tube Exchanger 提供很多错误、警告和提示信息,它们主要分为以下几类:
Range Checking Warning
当输入参数超出正常预期的范围时,系统会发出此类警告。
Input Omission Error
如果缺少某些关键的数据,系统发出缺少某个参数输入的警告。
Range Checking Error
输入结果超过允许的范围后,系统会发出错误警告,并终止系统运行。
Results Warning
有运行结果,但结果有点不太正常,有些不确定性。
Results Error
有些重要的参数没有计算出来,或者很多结果都不太可靠。
Operation Warning
有运行结果,但系统估计不太好操作,不太实用。
Advisory
有些结果不是很正常,或有更好的选择。
Optimization Path(优化路径)
系统通过计算得到某些满足设计条件的换热方案。并给出了换热器设计的约束条件及优化的方向。不满足设计条件的用星号(*)标出,当换热面积不满足要求时,系统会在所需管长(required tube length)上标注星号;如果压降不满足要求,系统就在压降(pressure drop)旁标注星号。
在设计模式下,Shell&Tube 通过调整换热器的几何参数寻找满足设计要求的换热方案,但它不能找到全部满足要求的设计,也不能得到最好的设计,这时候需要你来调整某些参数来进一步改善设计的性能。
Shell&Tube 的设计方面主要满足如下要求:
(1)换热面积足够,实际面积与所需面积比(Area Ratio AR )大于1,但我们做设计时通常要求面积裕量在10~30%,所以一般需要我们自己再进行调整,从而使设计满足裕量的要求。
(2)壳程和管程压降不超过最大允许压降,计算压降与最大允许压降的压降比小于1(Pressure Drop Ratio PR ≤ 1)。
(3)设备尺寸在可接受的范围内。
(4)流体的流速在可接受的范围内。
(5)从机械的角度上看,设备的制造是可行的。
(6)满足TEMA 标准接管的的要求。
这些设计放慢没有考虑振动、虹吸的稳定性因素,无支撑管长。
另外 Shell&Tube 也估算了每种方案的预算成本。
有30多个几何参数影响到换热器的换热性能,但系统不可能对所有参数都意义优化,主要优化的参数有壳体直径、折流板的板间距、分程形式、管长、折流板的数量、壳程并联&串联数和换热管数等。对壳体的类型、换热管外径、放冲结构、换热器的类型、管间距、换热管的排列型式、接口尺寸、换热管类型、换热器的安装方位、管板类型、折流板类型、设备材料、折流板的缺口率、流体的流动位置、换热管壁厚等参数,你需要自己选择。
为了详细掌握换热器操作过程中存在的问题,EDR 对振动、虹吸不稳定、和无支撑管长四个操作问题进行分析,设计方案中上述问题的值应该都是No,否则设计可能存在问题。
各优化方案的设计状态( Design Status )标注为 OK 或 Near,依据如下:
(1)当 AR ≥ 1, PR ≤ 1, 并且无上述四个操作问题时,标注为 OK。
(2) AR ≥ 1 and PR ≤ 1, 但存在其中一个上述四个问题时,标注为(OK) 。
(3)如果0.8 ≤ AR < 1 ,1 < PR ≤ 1.5,标注为Near。
Shell&Tube 选择所有状态为 Ok 的方案中成本最低的一种作为最终设计方案。如果没有,则选择(OK)方案中成本最低的,否则,选择 Near 方案中成本最低的。
Recap of Designs(设计浏览)
换一种方式比较两种设计方案,一种是当前系统选择的方案,上图中的B方案,另一种是前面的设计方案。从这里你可以直观地看出参数调整以后对各个参数的影响。根据Customize按钮,你可以选择用于比较的参数。
选择某种想要的方案后,点击下面的Select Case按钮,可以保持方案。
TEMA Sheet(TEMA 表单)
在这里系统用TEMA标准表单给出热计算的结果,并且同时给出换热器的平面图。
Overall Summary (整体汇总 )
在 Overall Summary 里,系统简要地给出了换热器的工艺数据,流体的物性参数、压降、流速、温度变化和热负荷等数据。据此你可以快速评价整个换热器的总体性能。
Thermal / Hydraulic Summary(热、流体性能汇总 )
在该分支下,EDR从Performance,Heat Transfer, Pressure Drop, Flow Analysis, Vibration & Resonance Analysis和 Methods几个角度总结了换热器的热性能和流体力学性能。
Performance (性能)
该窗口下包括Overall Performance, Resistance Distribution, Shell by Shell Conditions, Hot Stream Composition和 Cold Stream Composition几个标签
Overall Performance(总体性能)
通过总体性能( Overall Performance)表,我们 可以看出在没有污垢热阻(clean)给定污垢热阻和最大污垢热阻条件下所需要的换热面积。
根据热阻的分布,你很容易看出哪一侧是传热控制侧,也可以看出污垢热阻对换热的影响。从中你可以评估污垢热阻的适用性,比如由于污垢热阻的增加造成换热面积的增加量超过了50%,那么这个污垢热阻造成换热器的直径增加,流体的流速降低,并低到了污垢自实现的程度(self-fulfilling),——流速降低,容易形成污垢,污垢热阻就会增加。
底部换热热阻分布图给出壳程流动热阻、壳程污垢热阻、管壁热阻、管程污垢热阻和管程流动热阻的分布,可见热阻多是有管程流体和管程污垢所造成的。
Resistance Distribution(热阻分布)
该表给出各种热阻的占比和分布。
Shell by Shell Conditions
当换热器为多壳程串联使用时,该表列出了每一壳程的换热负荷、温度、压力和汽相分数。
当为单壳程换热器时,该表中的数据在其他位置也能得到。
Hot Stream Composition & Cold Stream Composition
冷热流体的物性参数。
Heat Transfer (传热性能)
Heat Transfer Coefficients(传热系数)
这里列出了流体中每种相态的传热膜系数。通过雷诺数你可以判断每一种流体的流动状态,层流、过渡流或湍流。
MTD & Flux (平均温差和热通量)
给出了传热平均温差、完全逆流条件的平均温差和温度校正系数。上表中温度校正系数为0.81,刚好超过临界值0.8,否则就会有报警给出。
Duty Distribution
流体中各相的换热负荷。
Pressure Drop (压降)
Pressure Drop, Thermosiphon Piping, Thermosiphon Piping Elements
压降的分布表是EDR的一个重要输出表。系统列出了从入口到出口各个位置上的压降大小和占比,其中你需要密切关注那些没有传热能力位置上的压降,如将进口(inlet nozzle), 进入管束区(entering bundle), 折流板缺口区(through baffle windows), 出管束区(exiting bundle), 和出口(outlet nozzle)。
如果接口处压降较大,考虑增加接管的直径;如果折流板缺口处压降较大,考虑增大折流板的缺口率。
表中还给出了进出口的流速作为参考。当有汽液两相时,为最大汽相流速。
另外两相Thermosiphon Piping和Thermosiphon Piping Elements适用于有热虹吸的场合。
Flow Analysis (流动分析)
有Flow Analysis, 和 Thermosiphons and Kettles两个标签。
Flow Analysis
管程流体流动比较简单,沿着直管往前冲就行了,但壳程流体的流动比较复杂,一般认为主要有如下几种流动,如下图所示。
(1)管外错流(B stream): 一般认为只有换热管外的错流和部分窗口(Window )流动才具有换热效果,错流部分的流体应该占总壳程流体的O 30-70 % ,低于这个范围的设计是不合适的,虽然会减少壳程的压降。
(2)管束外围与壳体内壁之间的间隙内的流动 (C stream): 这是一种短路现象,因为管束外没有换热管,在此位置上流动的流体不能形成有效换热。当管束外间隙较大时,比如S型或T型浮头换热器,系统会自动添加防短路的挡板,减少此处流体的流动。
(3)分程隔板后空隙内的流动 (F stream): 分程隔板后面对应的空间上不能布置换热管,所以空隙较大,不能形成有效换热。必要时在分程隔板后设置挡管,减少这里的流动量。
(4)Window (B+C+F flow): 主要包括:B、C和F型流动。
(5)折流板孔与换热管外壁之间的间隙内的流动(A stream): 应该称为折流板孔泄漏的流动,又称为一级泄漏。此处流动占比越多,壳程压降越小,但相应地传热系数会显著降低。
(6)折流板外沿与壳体内壁之间空隙内的流动 (E stream): 这里也是泄漏,称为二级泄漏,后果比一级泄漏能强些。
在下面的表中系统列出了进出口接管和进出口区的Rho*V2的值,并且给出了TEMA标准的极限值。
Vibration & Resonance Analysis (振动和共振分析)
Vibration & Resonance Analysis section includes the following screens:
Fluid-Elastic Instability(流体弹性不稳定性)
Fluid-elastic instability (流体弹性不稳定性) 可能是流体导致振动的最主要的一种原理,在几分钟之内就可能造成非常严重的后果。与其他共振机理不同,流体弹性失稳不是在某一特定频率下的共振现象,而是当超过某一临界速度后就会导致流体弹性失稳。其决定因素有:
(1)临界速度:超过临界速度后就会导致振动;
(2)换热管的阻尼系数;
(3)换热管的本征频率;
(4)换热器的尺寸;
(5)流体的相态和性能参数;
重要提示:
(1)必须避免流体弹性不稳定现象的发生。
(2)只要发生,就会在整根换热管上发生,而不是仅发生在管子的某个局部区域。
(3)非标准操作时更需注意(比如开停机时)。
Shell&Tube 通过比较进入换热器的实际质量流量与流体弹性不稳定性评价表(Tables of Fluid-Elastic Instability Assessment)中的临界流量来判断是否有发生流体弹性失稳的可能,如果比值(W/Wc)大于1,系统认为有振动的风险,并用星号(*)标注。
流体弹性不稳定性的计算主要取决于换热管的阻尼系数,阻尼系数的大小在流体弹性不稳定性评价表中用对数衰减率(logarithmic decrement ,L DEC)表示。
Resonance Analysis(声波造成的共振)
声波在换热器壳体腔内传递时,共振频率受下列因素的影响:
(1)壳体直径越大、共振频率越低;
(2)声音传播速度越高,共振频率越高;
壳体内声音传播的速度有壳程流体的相态和性能有关。一般情况下,在流体中声速很大,不太容易产生共振现象,只有在汽相或汽液混合物的情况下才有可能发生。
共振的主要特征有:
(1)主要考虑是否存在有涡街和湍流抖振频率之间的锁定效应。
(2)可能不会破坏换热管,但噪音可能很大。Damage to tubes may not occur, but the NOISE may be unacceptable.
(3)有多种共振频率存在,但Shell&Tube仅考虑的最低频率下的振动模式。
(4)在折流板之间插入防振板可能会防止共振的发生。
TEMA Fluid Elastic Instability
流动导致的换热管振动对换热器的破坏程度很大,在设计阶段就应该极力避免。因为现在的振动分析法都不十分准确,TEMA采用了两种方法对换热器的振动进行分析,这两种方法在Aspen Hetran 软件中也能使用。
TEMA Amplitude and Acoustic Analysis
EDR通常采用最新版的TEMA 来对换热器的共振进行分析。声音共振的破坏程度不大,但也应该尽量避免。
这两个表不能使用,是不是因为没有授权的原因?
Mechanical Summary(结构尺寸汇总)
Exchanger Geometry(换热器尺寸)
分别以表格的形式汇总了换热器的基本尺寸、换热管、折流板、支撑板、管束、强化元件、热虹吸管的结构尺寸。
Setting Plan(平面布置图)
换热平面图给出了换热器的总体尺寸、管束/抽出尺寸、接管安装尺寸、支座安装尺寸、折流板安装尺寸等,另外在表格中也给出了标题/注释、设计标准、工艺数据、总重和接管尺寸。
注:通过右键快捷菜单,可将此图另存为dxf格式,在CAD环境下编辑和修改。
Tubesheet Layout(管板布置图)
在管板布置图中,给出了壳程接管(Shell Side Inlet and Outlet Nozzles)、壳体(Shell Cylinder (Shell Kettle Cylinder - if K Shell))、换热管位置(Tube Locations)、分程隔板(Pass Partition Lanes)、折流板(Baffles)、拉杆(Tie Rods)、放冲挡板(Impingement Plate)、防短路挡板(Sealing Strips)、纵向隔板(Longitudinal Baffle)、滑道(Bundle Runners)、分程隔板后的防短路挡板(Pass Partition Lane Sealing Strips)等数据。从下拉列表中选择某个项目,可查看相关数据。在下面的表中点击某一列,在图中就以红色的样式显示。
右键快捷菜单Option点击一下,会有惊喜发生。
也可以另存为DXF文件,在CAD环境下编辑和修改。
Cost / Weights(成本和重量)
列出了各主要部件的质量和制造成本。
Calculation Details(计算细节)
Analysis along Shell(壳程分析)
The Analysis along Shell section includes the following screens:
Interval Analysis
Interval analysis 沿换热器纵向给出流体的性质、换热系数、换热负荷和温度等参数。
Physical Properties
这里给出了计算中使用到的流体的性能数据。
Plots
可将interval analysis 表中的数据用曲线的形式表示出来,选择你想绘制的横坐标和纵坐标变量。
Analysis along Tubes(管程分析)
管程数据的呈现形式同上述Analysis along Shell。