管壳式换热器串联的Aspen EDR优化设计

魏春华，任占胜，周婷婷

（浙江巨化装备工程集团有限公司，浙江 衢州324004）

换热器广泛使用于化工、制药、食品、轻工和航天等工业部门[1]。尤其在化工厂中，换热器的投资约占总投资的10%～20%[2]。管壳式换热器是化工行业应用比较广泛的换热器类型，其适用的操作范围和压力范围较大，且制造成本低、清洗方便、处理量大[2]。

Aspen exchanger design and rating （Aspen EDR）是一款传热计算软件，可以在工艺流程模拟软件比如Aspen Plus的计算之后，直接集成转入换热器的设计计算并校核，极大程度地降低了人工输入数据的错误率，并节省大量的人工计算时间，提高了结果可信度和设计效率[2-3]。

在管壳式换热器设计中，由于温度交叉（即冷流侧出口温度高于热流侧出口温度）引起的逆向传热对设计结果有极大的影响，不但会造成换热面积过大，甚至无法满足工艺要求[4]。换热器串联使用可以有效地解决温度交叉的设计工况。以笔者工程参与设计换热器出发，借助Aspen EDR软件，对温度交叉情况下串联换热器的设计以及优化提出了一种较为便捷的计算方法。

1 换热器中的温度交叉

对于无相变换热器，简单来说，温度交叉是指冷流侧出口温度高于热流侧出口温度，即t2＞T2，如图1所示。

图1 换热器中的温度交叉Fig 1 Temperature cross of heat exchanger

对于纯逆流的单管程换热器来说，图1(a)的设计在工艺上是允许的。在实际工况中，很大部分的换热器采用多管程设计，目的是提高管内流动速度，达到降低热阻、减轻结垢程度的效果，利用传热和减小换热面积[2]。在多管程设计条件下，在某个区域会出现冷流体温度高于热流体温度的现象，如图1(b)所示，这种恶性温度交叉会使冷侧流体的热量反向地传给热侧地流体，传热效果恶化，换热器内部发生无效的换热面积[5]。

工艺设计中解决温度交叉的方法就是设计多壳程换热器。实现多壳程的方法一般有2 种，1 种是添加壳程分程纵向隔板，但制造相对困难，且易于泄露[6]；另1 种就是采用单壳程换热器串联，制造简单，安装、维修方便。

2 串联设计计算

2.1 计算输入

打开Aspen EDR，进入信息输入页面，将管壳式换热器中冷热流体的相关条件，输入对应界面进行内容完善。

2.1.1 工艺条件

设计的换热器作用是用凝结水预热冷侧制冷剂1,1,1,3,3-五氟丙烷（R245fa），无相变过程，其工艺参数见表1。

表1 设计参数Tab 1 Design parameters of heat exchanger

2.1.2 物性数据

凝结水的物性数据可以使用Aspen EDR 等计算软件的数据库中直接获取。工质侧的物性数据一般因为实际物料的复杂性，通过文献检索、资料查询或者项目工艺包自带直接在计算软件中输入。本例中的制冷剂物性数据，通过Aspen Plus模拟换热器的相关数据直接导入Aspen EDR，简单但不失准确性，对缺失工艺包物性数据的前提下，其结果有很大的参考价值。

2.1.3 结构参数

管径的选择主要考虑流体介质黏度、工作压力以及压降的要求，一般情况下真空度越大，管子规格选择大一些。本例题参数选择φ19 mm×2 mm规格，对应中心距25 mm，管子排列方式选用正三角形排列。换热器的管箱壳体型式选用BEM，水平放置。

2.2 换热器模型

首先使用Aspen Plus模拟换热器，进行物料能量计算，软件中有关参数的规定如表2所示。

表2 Aspen Plus模型参数Tab 2 Aspen Plus model parameters of heat exchanger

物料、能量衡算的目的是为了获得简洁计算的相关数据，为管壳程介质提供相对准确的物性参数。最后，将流程模拟的换热器导入至Aspen EDR中，进行详细设计。

2.3 设计模式运行

2.3.1 参数设置

首先选择design模式，根据流体空间优先顺序限定工质走壳程[2]。

软件中工艺参数侧的进出口状态参数由Aspen Plus导入自动生成，并输入工艺要求的管壳侧的允许压降和热绝缘系数，如表3所示。

表3 工艺参数Tab 3 Process parameters of heat exchanger

换热器的相关结构参数按规定设置，如表4所示。管子选择30°排列方式，单弓型折流板。其他选项在设计模式下按默认设置。

表4 结构参数设置Tab 4 Structure parameter Settings of heat exchanger

2.3.2 参数运行

Aspen EDR设计模式的运行给了壳体直径与管长、串并联台数等不同的组合结果，并选择了较为合适的一种结构组合，给出运行的具体结果，如表5所示。

表5 换热器设计基本信息Tab 5 Basic information list of the designed heat exchanger

2.4 Aspen EDR校核模式的优化

从工艺角度出发，换热器的优化设计要综合考虑流速、压降、流股分率，最大化实现传热效率；从制造成本出发，设计的换热器应该能实现最优参数最合适成本的目标。

2.4.1 基本参数优化

将软件默认的设计结果传递到校核模式，在校核模式下对换热器的相关结构尺寸做进一步的优化。具体优化的参数如表6所示，壳体内径圆整至450 mm，厚度暂选定12 mm；换热管长输入4 000 mm，双管程；布管根数程序自行运算。

表6 结构参数圆整Tab 6 Data correction for structure parameter of heat exchanger

2.4.2 折流板间距和圆缺率

壳侧的流动状态复杂，影响因素多方面，尤其折流板的设计对整个换热器的设计影响很大。在评价传热效率办法中，以壳侧流路为主要分析对象，通过调整折流板与壳体间隙，折流板管孔与管子间隙等办法实现A、B、C、D、E 5 个流股分率能满足合理经验量[7]。因此，首先以GB/T 151－2014 规定的对折流板管孔与换热管间隙的大小以及折流板与壳体间隙做统一化规定：以标准规定的最小参数输入折流板管孔与管子的间隙0.3 mm，流板与壳内壁间隙2 mm[8]。

折流板间距影响到壳程的流动方向和流速，从而影响到传热效率和压降[2]。其与壳径有一个经验关系，一般在壳径的0.3～0.6，最小不小于1/5，最大为壳径。单弓型折流板缺口高度可为直径的10%～45%。评价折流板间距和圆缺率2 个指标重要的条件是壳程流体窗口流速和错流流速[7]。在Aspen EDR运行结果中，可以通过计算错流流速与窗口流速的比，0.8～1.2是弓形折流板经验合适范围，最佳比为1，表示流动可以实现压力降到热传递的最大转化，最大程度提高了传热系数。

综上分析，折流板间距和圆缺率的调整将从以下步骤进行对换热器工艺设计的优化。首先，选择并固定无相变换热器推荐的折流板圆缺率25%，调整折流板间距，比较各流股分率、流速、传热系数、压降等参数。接着，固定优化的折流板间距，调整圆缺率，比较各流股分率、流速、传热系数、压降等参数。如表7和表8所示，分别是不同折流板间距和不同折流板圆缺率的相关参数计算结果。

表7 折流板圆缺率25%下不同折流板间距的计算结果Tab7 The calculation results of different baffle spacing

表8 板间距220 mm下不同圆缺率的计算结果Tab 8 The calculation results of different baffle cut

由表7可知，同等结构面积条件下，总传热系数随着折流板间距的变大而减少，面积余量均在要求范围内；折流板间距180～220 mm 设计结果中，壳侧压降在要求的80 kPa 内；结合折流板经验优化量为0.3～0.6倍壳径，以及错流流速与窗口流速比接近1 的经验量，确定优化折流板间距为220 mm。

接着保持折流板间距220 mm 不变，对改变折流板圆缺率做一个对比和优化，结果见表8。

由表8可知，同等结构面积和折流板间距条件下，总传热系数和面积余量随着圆缺率的变大而减少，管壳侧压降均在要求范围内；根据错流流速与窗口流速比接近1的经验量，确定折流板优化折流板圆缺率为25%。

2.5 结果分析

管壳式换热器的工艺设计过程一般要对流速、压降和振动等进行核实，并注意软件中给出的警告信息。

温度交叉工况下串联换热器的设计遵循各个换热器面积相同、结构相同和总传热系数相同的原则。Aspen EDR的设计报告给出的是，工质进出口工况下的各换热器结构数据。各个换热器的重要工艺结果，比如流速可以以报告中的结果作为参考。

报告结果显示，本例题需要2 台同样管壳式换热器串联使用，总换热面积108.7 m2；各换热器壳、程侧最高流速分别为0.81、1.59 m/s 左右，在工业生产积累的经验数据范围内；总降压均＜80 kPa，满足客户要求；总传热系数869.7 W/(m2·K)，在经验范围内；无振动和各管口的速度压头问题。

3 计算结果的理论验证

根据Aspen EDR的运行结果，2台串联换热器各进出口的温度状态如图2所示。换热器的主要工艺和结构参数如表9所示。

图2 换热器串联的进出口温度示意图Fig 2 Import and export temperature diagram of the heat exchange series

表9 主要工艺和结构参数Tab 9 The main technological and structural parameters of heat exchangers

在无相变管壳式换热器设计中，对其串联设计的理论研究以及经验计算已经比较成熟。计算结果准确与否，通过串联换热器应有的规律进行验证[6]。

验证方法1。根据换热器传热效率的定义[8]：

式中，ΦT和Φm分别为实际和最大可能热流量，qm,c和qm,h分别为冷流体和热流体的质量流量，cp,c和cp,h分别为冷流体和热流体的比热容。qmcp表示热容流率。(qmcp)m表示热容流率较小者，本例中，系统的热容流率较小者为冷流体，(qmcp)m的具体计算选择qm,ccp,c，因此选择式（1）作为总传热效率的计算公式。

系统总传热效率：

同理，换热器I传热效率：

换热器II的传热效率：

E1≈E2，符合串联换热器的设计原理。

验证方法2。对整体逆流串联换热器组的总传热效率计算。计算式为：

式中，n为串联的台数（本例为2），Ea为串联换热器单台传热效率，R为热容流量比（(T1-T2)/(t2-t1)）。

将计算出的Ea和R分别带入式（4）中，得到E=0.892，与式（3）计算得到的总传热效率一致，符合串联换热器的设计原理。

4 结 论

换热器串联一般用在温度交叉的设计条件下，用串联的方法代替多壳程，一方面可以实现单台多管程的工艺设计，另一方面制造、安装、维修方便。

通过Aspen EDR 的计算软件设计换热器，可以直接与Aspen Plus联用，将其的物性数据库直接导入，简单又不失准确性。

换热器的设计，需要不断调整各主要结构参数，进行合理设计，尽可能使换热器性能充分发挥。

多台串联的换热器，结构完全相同，操作弹性一致，能实现各个换热器零温度交叉。