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化工CAD基础第三讲SimulationDesignofThermalProcesses热过程单元的仿真设计传热单元模型的分类1.加热器Heater2.换热器HeatX3.多物流换热器MHeatX4.热通量换热器HXFlux传热单元归属换热器类(HeatExchangers)，共7种模型，AspenPlus内部用的有4种，其余3种是与其它软件的接口模块：传热单元模型的分类(2)Heater加热器模型Heater模型用于模拟以下单元，改变单股物流的温度、压力和相态：1.加热器2.冷却器3.阀门（仅改变压力，不涉及阻力）4.泵（仅改变压力，不涉及功率）5.压缩机（仅改变压力，不涉及功率）Heater加热器模型（2）Heater——连接Heater模型的连接图如下：1、闪蒸规定(Flashspecifications)（1）温度Temperature（2）压力Pressure（3）温度改变Temperaturechange（4）蒸汽分率Vaporfraction（5）过热度Degreesofsuperheating（6）过冷度Degreesofsubcooling（7）热负荷HeatdutyHeater—模型参数Heater模型有两组模型设定参数：从中任选两项Heater—模型参数（2）2、有效相态(ValidPhase)（1）蒸汽（2）液体（3）固体（4）汽—液（5）汽—液—液（6）液—游离水（7）汽—液—游离水Heater—模型参数（3）Heater模型有两组模型设定参数：Heater—模型参数（4）温度20℃、压力0.41MPa、流量4000kg/hr的软水在锅炉中加热成为0.39MPa的饱和水蒸气进入生蒸汽总管。求所需的锅炉供热量。Heater—应用示例(1)流量为1000kg/hr（0.4MPa）的饱和水蒸汽用蒸汽过热器加热到过热度100℃（0.39MPa），求过热蒸汽温度和所需供热量。Heater—应用示例(2)流量为1000kg/hr、压力为0.11MPa、含乙醇70%w、水30%w的饱和蒸汽在蒸汽冷凝器中部分冷凝，冷凝物流的汽/液比（摩尔）=1/3。求冷凝器热负荷。Heater—应用示例(3)案例研究(CaseStudy)是ASPENPlus提供的模型分析工具(ModelAnalysisTools)之一。当需要对多个不同的工况条件的结果进行比较时，尤其是不同工况有多个且数目不等的参数需要改变时，案例研究工具提供了非常方便的手段:一次输入所有工况的参数值，通过批处理运行方式计算出全部结果，自动输出到结果文件中。CaseStudy—案例研究CaseStudy—案例研究（2）CaseStudy—参数定义首先在改变(Vary)表单中定义不同案例中需要改变的变量：•使用变量序号(Variablenumber)下拉框中的新建(new)选项增添新的变量；•使用调节变量(Manipulatedvariable)栏中的一组下拉框设定每一个变量的定义。CaseStudy—参数定义（2）CaseStudy—参数赋值然后在规定(Specification)表单中定义不同案例中调节变量的值：•使用案例序号(Casenumber)下拉框中的新建(new)选项增添新的案例；•在调节变量值(Valuesofmanipulatedvariable)表的单元格中按顺序输入相应案例里每一个调节变量的给定值。CaseStudy—参数赋值（2）CaseStudy—批处理运行完成案例定义后，从窗口的级联式菜单中选择“运行→批处理→提交”命令Run→Batch→Submit并在弹出的对话框中设定运行代号(RunID)，运行结果输出文件将采用运行代号作为文件名。CaseStudy—批处理运行（2）CaseStudy—批处理运行（3）CaseStudy—结果查看案例研究的模拟结果采用文件输出，不能直接从图形用户界面中查看。运行完成后，会在工作目录下自动生成输入(*.inp)、状态(*.sta)、简汇(*.sum)和输出(*.out)四个文本文件，结果数据在*.out文件中，可用文本编辑软件打开查看和编辑。流量为100kg/hr、压力为0.2MPa、温度为20℃的丙酮通过一电加热器。当加热功率分别为2kW、5kW、10kW和20kW时，求出口物流的状态。Heater—应用示例(4)Heater—物性计算利用Heater模块可以很方便地计算混合物在给定热力学状态下的各种物性数据，如泡点、露点、饱和蒸汽压、密度、粘度、热容、导热系数等等：只需将给定组成的物流导入Heater模块，根据给定的热力学状态设定Heater的模型参数，并在总Setup的ReportOptions中设定相应的输出参数选项即可。求压力为0.2MPa，含甲醇30%w、乙醇20%w、正丙醇20%w、水30%w的混合物的泡点和露点。Heater—应用示例(5)HeatX换热器模型1.逆流/并流（Countercurrent/Cocurrent)2.折流板壳程（SegmentalBaffleShell)3.棍式挡板壳程（RodBaffleShell)4.裸管/低翅片管（Bare/Low-finnedTubes)HeatX模型用于模拟下述结构的管—壳式换热器：计算两股物流之间的热量交换。HeatX换热器模型（2）HeatX——连接HeatX模型的连接图如下：1.计算类型Calculation2.流动方式Flowarrangement3.换热器设定ExchangerspecificationHeatX—模型设定HeatX的设定从规定(Specification)表单着手，有三组设定参数：HeatX—模型设定（2）计算栏目中有三个选项：1、简捷计算Short-cut2、详细计算Detailed3、Hetran精确计算HetranRigorous输出Hetran软件(换热器设计专用软件)的输入文件供其精确计算。下部的下拉式选择框中也有三个选项：1、设计Design2、核算Rating3、模拟Simulation两组选项按下述方式配合使用：HeatX—计算类型HeatX—计算类型（2）1、简捷计算简捷计算只能与设计或模拟选项配合。简捷计算不考虑换热器的几何结构对传热和压降的影响，人为给定传热系数和压降的数值。使用设计选项时，需设定热(冷)物流的出口状态或换热负荷，模块计算达到指定换热要求所需的换热面积。使用模拟选项时，需设定换热面积，模块计算两股物流的出口状态。HeatX—计算类型2、详细计算详细计算只能与核算或模拟选项配合。详细计算可根据给定的换热器几何结构和流动情况计算实际的换热面积、传热系数、对数平均温度校正因子和压降。使用核算选项时，模块根据设定的换热要求计算需要的换热面积。使用模拟选项时，模块根据实际的换热面积计算两股物流的出口状态。HeatX—计算类型流动方式设定包括：1、热流体(Hotfluid)流动空间：壳程(Shell)/管程(Tube)2、流动方向(Flowdirection)：逆流(Countercurrent)并流(Co-current)多管程流动(Multiplepasses)HeatX—流动方式HeatX—流动方式(2)1、逆流CountercurrentHeatX—流动方向2、并流Cocurrent1.热物流出口温度(Hotstreamoutlettemperature)2.热物流出口温降(Hotstreamoutlettemperaturedecrease)3.热物流出口温差(Hotstreamoutlettemperatureapproach)4.热物流出口过冷度(Hotstreamoutletdegreessubcooling)5.热物流出口蒸汽分率(Hotstreamoutletvaporfraction)HeatX—换热器设定共有13个选项HeatX—热物流出口温差6.冷物流出口温度(Coldstreamoutlettemperature)7.冷物流出口温升(Coldstreamoutlettemperatureincrease)8.冷物流出口温差(Coldstreamoutlettemperatureapproach)9.冷物流出口过热度(Coldstreamoutletdegreessuperheat)10.冷物流出口蒸汽分率(Coldstreamoutletvaporfraction)HeatX—换热器设定(2)共有13个选项HeatX—冷物流出口温差11.传热面积(Heattransferarea)12.热负荷(Exchangerduty)13.几何条件(Geometry)在详细计算时采用。HeatX—换热器设定(3)共有13个选项由于换热器内的流动并非理想的并流或逆流，因此有效传热推动力需在对数平均温差(LMTD)的基础上进行校正。校正因子的计算方法有四个选项：1、常数Constant由用户指定校正系数，可查手册。2、几何结构Geometry由软件根据换热器结构和流动情况计算。3、用户子程序User-subr4、计算值Calculated流动方向为多管程流动时采用。HeatX—LMTD校正HeatX—LMTD校正（2）压降(PressureDrop)分别指定热侧和冷侧的出口压力(Outletpressure)指定值0，代表出口的绝对压力值指定值≤0，代表出口相对于进口的压力降低值HeatX——简捷计算HeatX——简捷计算（2）总传热系数方法(Umethods)•常数(Constant)•相态法(Phasespecificvalues)分别指定冷热两侧不同相态组合下的传热系数•幂函数(Powerlawexpression)U=Uref(Flow/Flowref)^exponentHeatX——简捷计算（3）HeatX——U-相态法压降(PressureDrop)•分别指定热侧和冷侧的出口压力(Outletpressure)•根据几何结构计算(Calculatedfromgeometry)HeatX——详细计算HeatX——详细计算（2）总传热系数方法(Umethods)•常数(Constant)•相态法(Phasespecificvalues)•幂函数(Powerlawexpression)•换热器几何结构(ExchangerGeometry)•传热膜系数(Filmcoefficients)详细计算采用后两种方法HeatX——详细计算(3)膜系数法根据换热器的几何结构和流动情况分别计算热流体侧和冷流体侧的传热膜系数(Filmcoefficients)，根据管壁材料和厚度计算传导热阻，再结合给定的污垢热阻因子(Foulingfactor)计算出总传热系数U。HeatX——U-膜系数法HeatX——U-膜系数法(4)HeatX—几何结构详细计算时需输入换热器的几何结构参数。从数据浏览器左侧的目录树中选择几何(Geometry)项目，然后在右侧的壳程(Shell)、管程(Tubes)、管翅(Tubefins)、挡板(Baffles)和管嘴(Nozzles)表单中输入相应的数据。HeatX—几何结构（2）HeatX—壳程参数壳程(Shell)表单中包含以下参数：壳程类型TEMAshelltype管程数No.oftubepasses换热器方位Exchangerorientation密封条数Numberofsealingstrippairs管程流向Directionoftubesideflow壳内径Insideshelldiameter壳/管束间隙ShelltobundleclearanceHeatX—管程参数（2）HeatX—壳程类型壳程类型包含六种结构供选用：HeatX—壳程类型（2）HeatX—其它壳程参数HeatX——管程参数管程(Tubes)表单中包含以下参数：•选择管类型Selecttubetype裸管Baretube翅片管Finnedtube•管程布置Tubelayout总管数Totalnumber管长Length排列模式Pattern中心距Pit