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HTRI xchanger Suite 6.0中文用户手册

HTRI Xchanger Suite 6.0 用户使用手册

（Shell and Tube Exchanger）

(Xist）

编制单位：洛阳石油化工工程公司

编制：

校审：

当用户打开一个HTRI输入数据文件或者新建一个HTRI输入数据文件时，出现在屏幕上的是Input Summary。这个简要输入界面只包括工艺条件和几何参数的一部分数据，不包括冷热流体的物性数据部分。因此，将Input Summary输入完成后还不能进行计算，必须完成冷、热流体物性数据的输入，才能进行工况计算。在输入过程中，带红框的输入项是必需的，如果没有数据，是不能进行工况计算的。下面按照每类数据对各输入项详细加以介绍。

Case Mode：计算类型

HTRI Xchanger Suite软件包中的管壳式换热器（Shell and Tube Exchanger）部分具有三种计算功能，分别为Rating（核算）、Simulation（模拟）和Design（设计）。缺省的计算类型为核算模式。

核算是对给定几何参数的换热器，根据提供的工艺条件确定换热器负荷。

模拟是对给定几何条件的换热器，在较少的工艺条件下，计算换热器的性能，其最终结果是换热器所能达到的最大热负荷。核算与模拟的唯一差别在于提供的工艺条件不同。对核算模式需提供足够的工艺条件，以确定换热器负荷；对模拟模式程序计算换热器性能，得出换热器所能达到的最大负荷。

设计模式中定义了换热器的大多数的几何结构和足够的工艺条件后，软件来计算需要的热负荷。然后计算其他缺少的几何结构、热传递系数和压力降。这一程序可以设计壳体类型、壳体直径、管长、折流板间距、折流板类型、管径和管心距。设计过程是交互式的，由用户来控制每一个几何参数的允许范围。

一般设计计算时先选择Design mode以确定初步优选方案，继而选择Rating mode 整壳和管的直径、折流板数(Crosspasses)、折流板间距(Spacing)、换热管数目(Tubecount)、折流板切口(Baffle cut)等参数细部计算及微调以符合设计要求。

Geometry：几何参数

当用户选择几何参数时，出现此部分的简要输入。对简要输入不作说明，参见以下各输入项的详细介绍。

Geometry→→shell：壳程部分

TEMA Type（TEMA类型）：分别指定前端头盖（管箱）、壳体和后端头盖型式。前端头盖型式有A、B、C、D和N；壳体型式分为E、F、G、H、J、K和X；后端头盖型式有L、M、N、P、S、T、U和W，参见图1。前端头盖型式对传热和压力降无影响，但壳体型式和后端头盖型式对传热和压力降有影响。

图1 前端头盖、壳体和后端头盖型式图

Shell inside diameter（壳体内径）：输入壳体内径值，对设计工况不需要。

注意：输入值必须小于25400mm(1000in)。对Kettle重沸器，是指壳体脖子处的直径，而不是釜的直径，参见图5。

Multipe Shells（多台设备）：此部分有两个输入项。

①Number of shells in parallel（并联台数）：给定并联台数，并联设备的几何参数是完全相同的。在计算时将总量除以并联台数得到单台设备的流率，然后以此值为基准对单台设备进行计算，但输出结果中的热负荷、换热面积等均为总的值。

②Number of shells in series（串联台数）：给定串联台数，输入值可以为1～10之间的任何整数值。

注意：在计算多台设备串联时，出现“Shells-in-Series View”视图，显示计算过程的中间状态。缺省情况下所有串联设备几何参数均相同，用户可以计算不同几何参数的设备串联。

Shell Orientation（壳体方位）：规定设

备的安装方位，有卧式、立式和倾斜(倾斜

角度为1～20度)三种选择，参见图2。卧式

适用于所有壳体类型；立式适用于TEMA E

型，对J, X型壳体要求壳程流体为单相，对

F, G和H型壳体要求两侧流体均为单相，对

K型壳体不允许采用立式；倾斜适用于所有

壳体，但当管内为介质冷凝时必须采用单管

程且壳程为单相流体。缺省为卧式安装。

图2 设备安装方位图注意：Xist要求沸腾流体向上流动，冷凝流体向下流动，对管内降膜蒸发和回流冷凝也是允许的。

Flow direction（流动方向）：有两个输入项，一个是针对一台设备内冷热流体在第一管程的流动方向，另一个是针对多台设备串联时冷热流体进出换热器的流动方向。

①Flow in 1st tubepass（第一管程的流动方向）：规定第一管程相对于壳程的流动方向，可以为顺流和逆流，此项只适合于E型壳体，参见图3。缺省为逆流。

注意：此项影响壳程入口的位置，对传热和压力降及温差的影响很小。Xist假定管程流体均从前端头盖（管箱）进入换热器，此项的改变意味着壳程入口嘴子位置的改变。如果改变了此选项的值，Xist将改变壳程入口嘴子位置，使两者保持一致。

②flow in train（串联系列的流动方向）：规定串联系列中热流体相对冷流体的流动方向，此项只有两台以上换热器串联时才有意义。Xist假定热流体从串联系列的第一台进入，顺流时冷流体也从第一台进入，逆流时冷流体从串联系列的最后一台换热器进入。有并流和逆流两个选项，参见图4，缺省值为逆流。

注意：此项与“第一管程的流动方向（Flow in 1st tubepass）”无关。

（a）第一管程顺流（b）第一管程逆流

图3 流动方向示意图

（a）串联系列中的顺流（b）串联系列中的逆流

图4 串联系列流动方向示意图

Hot Fluid Location（热流体位置）：规定热流体走管程还是走管外（壳程）。缺省值为热流体走壳程。

影响热流体位置的因素有压力(如果没有特殊的要求，较高压力的流体应该安排走管程，因为这样安排使制造成本低得多)、腐蚀(有腐蚀性的流体走管程，因为防腐材料价格昂贵)、结垢和清垢(在很多场合结垢热阻往往是换热器的主要控制因素。HTRI 推荐管程冷却水的流速应在1.8m/s左右，高速流动可防止污垢的生成。在设计折流板时，采用合理的折流板间距与缺圆高度，同时为防止壳程流体结垢，可采用双弓板、三弓板、窗口不布管等结构来减小壳程的滞留区。聚合结垢与壁温关系密切。清垢建议：①一般来说，易结垢的流体走管程；②如果采用化学清洗，易结垢流体走壳程；

③假如机械清垢应采用直管；④壳程高压水清垢，应采用大的管心距和45°和90°管子排列形式，这种排列形式的缺点是所需壳径增大；⑤假如壳程结垢严重谨慎使用螺纹管)、流体粘度(大多数情况下高粘流体走壳程有利于提高壳程的传热。但是如果高粘流体在壳程处于层流状态，尤其是采用螺纹管时，在这种情况下应改为走管程。)、允许压力降(管程能有效利用压力降产生最大的温差推动力，因此传热和压力降都是控制因素的流体走管程，有很大压力降的流体走管程)。

注意：当改变热流体位置时，用户并不需要修改其它参数。工艺条件、物性和其

它参数将自动转换到相应的流体。

Geometry→→reboiler：重沸器部分

Reboiler Data（重沸器数据）：此部分共有7个输入项。

①Reboiler type（重沸器类型）：规定重沸器类型，有三种选择，其一是“No Piping Specified（没有管线规定）”，即普通的管壳式换热器；其二是“Thermosiphon Reboiler （热虹吸重沸器）”，需要输入入口和出口管线数据。如果未给定需要的静压头，Xist 根据规定的流率和汽相分率计算正常循环时需要的液体推动力。反之，如果给定了需要的液体静压头（Required liquid static head），Xist通过改变沸腾流体的流率和出口汽相分率来满足给定的值。为了满足热负荷要求，可能需要改变热载体流率；其三是“Forced Flow Reoiler（强制流动重沸器）”，需要输入入口和出口管线数据。

②Bundle diameter（管束直径）：规定壳体中管束直径，此项只对K型重沸器有效，参见图5。壳径和管束直径只需要输入一个，Xist根据管束至壳体的间隙计算另一个值。

注意：假如壳径、管束直径和管束至壳体的间隙都输入，程序采用壳径减间隙得到管束直径值，覆盖输入的管束直径。

图5 Kettle 重沸器壳径、管束直径和釜直径示意

③Kettle diameter（釜的直径）：规定釜式重沸器釜的内径，此项只对釜式重沸器有效。

注意：程序计算出的釜直径为管束直径的1.4～3.0倍，此外，Xist需要釜直径至少比管束直径大254mm。

④Entrainment ratio（雾沫夹带比）：规定釜式重沸器出口汽体中夹带的液体量，即单位汽体夹带的液体量。此项只用于釜式重沸器，其它形式的壳体不用。缺省为

0.01，一般为0.005～0.05。

⑤Number of boiling components（沸腾组分数目）：输入Xist用于计算沸程的组分数目。

注意：沸腾组分数目用于计算沸程修正值。精确组分数目并不重要，此项不输入对结果也不会产生太大的影响。

⑥Required liquid static head（需要的液体静压头）：规定塔内液位与重沸器管束底部之间的垂直距离。

注意：如果给定了热虹吸重沸器液体静压头值，Xist计算沸腾流体的流率和出口汽相分率来满足给定的给定值。用户输入的冷流流率和出口汽相分率都将被忽略。

⑦Inlet Pressure Location（入口压力位置）：指定“工艺条件”部分输入的入口压力的具体位置。对于规定入口管线和出口管线以及Kettle重沸器工况，此输入项才有意义。有三个不同的选项，其一是换热器入口嘴子处（At inlet nozzle），是指换热器入口嘴子的静压；其二是塔底处（At colume bottom），是指塔中液面处的静压；其三是管束顶部处（At top of bundle），是指Kettle管束顶部处的静压。缺省值为换热器入口嘴子处。

Geometry→→tubes：管子部分

Type（管子类型）：指定换热器管束中所用的管子类型。Xist允许采用的管子类型有光管（Plain）、低翅片管(Low-finned)，即螺纹管和纵向翅片管（Longitudinal finned），参见图6a～6c。

图6a 光管尺寸示意图图6b 纵向翅片管示意图

图6c 低翅片管(螺纹管)尺寸示意图

Tube OD（管子外径）：规定管子外径值，对螺纹管是指光管的端部直径，参见图6c。

注意：可以直接输入管外径，也可以从下拉菜单中选择。输入的管外径必须大于管壁厚的两倍。

Average wall thicknes（平均管壁厚度）：直接规定管壁厚度或从下拉菜单中选择BWG(Birmingham Wire Gage伯明翰线规)值，对低翅片管(螺纹管)，是指光管端部的管壁厚度。

注意：输入的管壁厚必须小于管径的一半，此值影响管内流通面积。此输入项右侧的按钮允许用户以BWG 的形式规定管壁厚。

Tube pitch （管心距）：有两个输入项，管心距与比值只需要输入其一，因为两者是互相关联的。如果改变管心距的值，比值跟着发生变化；反之，当比值变化时，管心距的值也跟着变化。

①pitch 管心距：直接规定管心距或者以管心距与管外径的比值来规定，管心距的定义参见图7。

②ratio 比值：规定管心距与管外径的比值或者直接规定管心距，管心距的定义参见图7。

Bundle geometry （管束几何参数）：此部分有5个输入项，其中管长和管程数是必须输入数据的。

①Tube layout angle （管子排列角度）：规定换热器管束中管子排列形式，其值为30、45、60、90四个值，参见图7。

注意：管子排列形式是以穿过管束的流动方向为基准定义的，而不是按管束的方位定义。当改变折流板的切口方向而不改变管子排列角度时，Xist 将旋转管束来保持排管角度不变。

②Tubepasses （管程数）：规定换热器管束的管程数。Xist 允许的管程数为1、2、3、4、6、8、10、12、14、16。缺省值为单管程。

注意：U 形管只能为偶数管程；对双程壳体（TEMA F 、G 和H 型壳体），管程数也只能为偶数；对立式安装的设备，如果管内为两相流体，只能采用单管程。

③Length （管长）：输入换热器管束中管子长度，对U 形管是指到最外圈管子切点的长度(在切点处管子开始弯曲)。管长包括管板中的那部分，即此值不是指有效的换热长度。

注意：管长值可以直接输入，也可以从下拉菜单中选择。输入的管长值必须大于0，小于3048m （10000ft ）。

④Tubecount （管子根数）：输入换热器管束中管子根数，对U 形管是指管板上的管孔数量。

注意：如果输入了管子根数，Xist 采用输入值进行所有计算，程序计算值将被忽略，壳程入口处不抽去管子，即使入口处2V ρ值过大；如果没有输入管子根数，Xist 计算管子根数，并在壳程入口处抽去管子以满足2V ρ要求。对套管式换热器，当采用E 型壳体时，管子根数输入1，当采用F 型壳体时，管子根数输入2。

⑤Rigorous Tubecount （严格的管子根数计算方法）：规定使用严格或近似的管子根数计算方法，如果选中，即前面方框内有“√”号，表示采用严格的管子根数计算方法，反之，则采用近似的管子根数计算方法。采用严格方法时标出管束中每根管子

的位置；采用近似方法时，根据管束截面积估算管子根数，这种情况下没有管子排列型式图。缺省为采用严格方法计算管子根数。

注意：因为严格方法需要给定每一根管子的位置，因此排管时可能改变嘴子下高度的输入值。排管时将嘴子下高度值视为需要的最小值。近似方法采用用户输入的嘴子下高度值来计算布管面积，输入值不会改变。

图7 管子排列角度示意图图8 锥形管角度示意图

Tube material（管材）：此部分4个输入项，均为可选项，一般情况下用户不需要管它，即可跳过这部分。

①Tube material（管材）：规定管子的材质，从下拉菜单中选择一种材质，或者规定管材的密度、导热系数、弹性模量和管板允许压力(在geometry的option部分)，Xist在计算管壁热阻、振动和重量时要用到这些值。

注意：程序中所提供的材料性质是温度的函数，计算管材性质时取冷、热流体进口温度的平均值。

②Tube thermal conductivity（管材导热系数）：规定管子材质的导热系数。如果用户选用的管材在Xist管子材料库中不存在，使用此输入项。缺省情况下，Xist采用管材代码计算导热系数，并提供缺省值，除非用户选择的材料在材料库中不存在。

注意：输入的管材导热系数值将覆盖Xist计算出来的值。

③Tube material density（管材密度）：输入管材密度值。此值用于流动诱导振动分析计算和换热器重量估算。如果用户选用的管材在Xist管子材料库中不存在，使用此输入项。缺省情况下，Xist采用管材代码计算密度，并提供缺省值，除非用户选择的材料在材料库中不存在。

注意：输入的管材密度值将覆盖Xist计算出来的值。

④Tube material elastic modulus（管材弹性模量）：输入管材的弹性模量值，用

于流动诱导振动分析计算。如果用户选用的管材在Xist管子材料库中不存在，使用此输入项。缺省情况下，Xist采用管材代码计算弹性模量，并提供缺省值，除非用户选择的材料不在材料库中。

注意：输入的管材弹性模量值将覆盖Xist计算出来的值。

Tapered tubes for reflux condensation（用于回流冷凝器的锥形管）：回流冷凝器由于其特殊性，在管子入口处作了处理，以提高回流冷凝器的效率。此部分只有一个输入项。

Taper angle（锥形角度）：输入管子底部锥形切口的角度，参见图8，此项只用于管内回流冷凝器的情况。此角度是以水平方向为基准（光管的锥形角度为0），最大值为75。

注意：锥形管影响回流冷凝器的的溢流速度，锥形角度越大，产生溢流的入口速度越高。

Geometry→→Tubepass arrangement：管程布置部分

Parallel passlanes（平行分程隔板）：是指平行于流动方向的分程隔板，需要输入其数量与宽度，参见图9。

①Number of parallel passlanes（平行分程隔板数量）：规定平行于流动方向的分程隔板数量。对于没有折流板的换热器，如果为卧式安装，是指垂直方向的分程隔板；对立式安装，是指平行于壳程入口嘴子中心线的分程隔板。缺省情况下是以壳体结构和管程数为基准设置。设置分程隔板数量最好使用此部分的“管程布置控制（TubePass Layout control）”，可以直接选择需要的管程布置，从而确定了分程隔板的数量。

②Width of parallel passlanes（平行分程隔板宽度）：规定平行于流动方向的分程隔板宽度。对于没有折流板的换热器，如果为卧式安装，是指垂直方向的分程隔板；对立式安装，是指平行于壳程入口嘴子中心线的分程隔板。缺省时以TEMA标准为基准。

注意：Xist认为所有平行于流动方向的分程隔板宽度相同。

Perpendicular passlanes（垂直分程隔板）：是指垂直于流动方向的分程隔板，需要输入其数量与宽度，参见图9。

①Number of perpendicular passlanes（垂直分程隔板数量）：规定垂直于流动方向的分程隔板数量。对于没有折流板的换热器，如果为卧式安装，是指水平方向的分程隔板；对立式安装，是指垂直于壳程入口嘴子中心线的分程隔板。缺省情况下是以壳体结构和管程数为基准设置。设置分程隔板数量最好使用此部分的“管程布置控制（TubePass Layout control）”输入项，允许用户直观选择需要的管程布置，从而确定

了分程隔板的数量。

②Width of perpendicular passlanes（垂直分程隔板宽度）：规定垂直于流动方向的分程隔板宽度。对于没有折流板的换热器，如果为卧式安装，是指水平方向的分程隔板；对立式安装，是指垂直于壳程入口嘴子中心线的分程隔板。缺省时以TEMA标准为基准。

注意：Xist认为所有垂直于流动方向的分程隔板宽度相同。

图9 分程隔板宽度示意图图10 翅片是否连续示意图

Force symmetric layout（强制管束中管子对称排列）：此选项强制“严格管子排列”时在管束两侧抽去相同的管子。只有在“Tubes（管子）”部分选中“rigorous tubecount （严格管子根数计算方法）”时此项才有意义。缺省为不强制管束中的管子对称排列。

注意：即使壳程嘴子在壳体的同一侧，此项仍然是在管束的两侧抽去相同根数的管子（入口嘴子下和入口嘴子对侧下）。

Force continuous cleaning lanes（强制保持连续的清洗通道）：对严格的管子排列，调整分程隔板宽度以使整个管束保持连续清洗通道。如果输入了分程隔板宽度，Xist 不改变此值，不必保持连续清洗通道。缺省为不维持连续清洗通道。

注意：此选项只对对称排列有效（进出口嘴子下抽去相同数量的管子）。

Tubepass layout（管程布置）：规定管程布置型式，由图形右边的按钮选择。显示的管程型式是根据管程数定的，缺省时根据壳体类型确定。

注意：对卧式安装的情况，图中管程布置是管束的绝对方位；对立式安装的情况，显示的管程布置是以壳程入口嘴子在图形顶部为基准。

First tubepass location（第一管程的位置）：规定第一管程的位置，Xist显示第一管程位置图，它与管程布置有关。缺省时以工艺条件为基准。

注意：对卧式安装的壳体，不论嘴子位置和折流板切口方向，图中显示的是绝对方位；对立式安装的壳体，显示的第一管程是以壳程入口嘴子在图形顶部为基准。

Tubes to remove for tierods（安装拉杆所抽掉的管子数）：规定安装拉杆所抽掉的

管子数。此值只影响计算的管子根数，对用户规定的管子数不受影响。有三种选择，其一为“Program-set（程序设置）”，其二是“None（无拉杆）”，其三是“User-set（用户定义）”。缺省为“程序设置”。

注意：当选择“用户定义”时出现另一输入框，用户输入拉杆数目。

表1为TEMA标准中不同壳径时拉杆的数量和直径。

表1 TEMA标准中拉杆数量和尺寸表

Geometry→→Tube layout：管子排列部分

此部分只有一个选择项，即是否将用户定义的管子排列图作为输入数据。

Use tube layout drawing as input（使用管子排列图作为输入）：规定Xist是否采用用户定义的管子排列图。当选择“yes”时，程序显示管子排列图；选择“No”时，程序计算管子排列型式。

注意：当用户选择“yes”时，Xist采用当前输入数据运行严格的管子排列程序得到管子排列图。

Geometry→→Fins：翅片部分

当“Tubes”部分选择“low fin（低翅片管）”和“longitudinal fin（纵向翅片管）”时才出现，选项不同出现的内容也不一样。

㈠Low fin（低翅片）：

当“Tubes”部分选择“low fin（低翅片管）”时，出现以下输入项，用于定义低翅片管的相关参数。

①Load from databank（从数据库选择）：单击此按钮进入后有两个选项。

⑴Databank Type（数据库类型）：从Xist内部数据库中设置低翅片管（螺纹管）

的翅片密度和翅片高度，这个数据库包含来自不同管子制造商的实际翅片尺寸。用户可以从数据库选择类型和管子规格，数据库提供的数据用户均可以修改；或者直接输入翅片的相关参数。

注意：如果需要的翅片参数在数据库中不存在，用户可以直接输入。

⑵Tube dimensions（管子规格）：规定低翅片管（螺纹管）的规格。用户选择数据库类型后，就可以从管子规格下拉菜单中挑选需要的管径、壁厚和翅根直径。

注意：如果需要的翅片参数在数据库中不存在，用户可以直接输入。

选择的管子规格将覆盖”Tubes”部分输入的管径和管壁厚。数据库提供的值将直接显示在下面各项上，这些值用户可以覆盖。

②Fins per unit length（单位长度的翅片数量）：定义单位长度的翅片数量。