這里我們通過一個簡單的換熱實例來向大家展示采用 Aspen Shell & Tube Exchanger (Shell&Tube)進行管殼式換熱器設計的過程。簡單起見，這里采用的冷熱流體均為單相液體。

通過設計計算，主要是確定所需要換熱器串聯(lián)、并聯(lián)殼程數、換熱管長度、殼體直徑、換熱管數、管程數、折流板數、折流板切口比例、管程和殼程接管尺寸等。其他一些詳細結構，如殼體、前端管箱和后端管箱的類型、折流板的類型、換熱管直徑和布置都按程序默認值處理。

通過 Shell&Tube中的設計搜索功能，我們可以得到不同的換熱器優(yōu)化方案，同時滿足換熱要求和壓降約束，并使設備成本盡可能地低。

主要內容：

????工藝概述

????創(chuàng)建模型

????觀察結果

????創(chuàng)建一個檢查案例

工藝概述

在這個例子中，燃料油用來加熱鍋爐給水，相應的數據和燃料油的物性參數如下表所示：

創(chuàng)建模型

1. 從開始菜單里運行 Aspen Exchanger Design & Rating (EDR) 界面如下：

2.從File 菜單中選擇?New?，創(chuàng)建一個新的換熱器模擬，也可以直接點擊界面上的 New。

3.選擇?Shell & Tube?，并點擊?Create?按鈕，創(chuàng)建一個管殼式換熱器。

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由此我們進入了 Shell & Tube 設計程序界面。

程序界面

打開程序后，你可以看到程序界面上主要有下面幾部分組成：

功能區(qū)（Ribbon）：屏幕上面，主要集中了一些常用的控制命令，默認狀態(tài)為 Home 功能。

導航樹（Navigator）：屏幕的左邊，包含所有的輸入（Input）和結果（Results）表單，根據需要折疊和打開。

中間為主窗口區(qū)，展示各種輸入輸出結果。

EDR也允許你自己采用個性化的界面設置。

初始設定

在?Home功能的左上角，有單位（Units）一項，從下拉菜單中切換為?SI單位制。

切換前

切換后

Tip:?從File?|?Options?|?General Program Settings?頁面下，你可以設置默認的單位制。

Note: Run Mode?（運行模式）在Home（主功能區(qū)）?的中間，默認狀態(tài)下為?Design（設計）模式。

在左側導航樹中，展開?Problem Definition?|?Application Options（應用選項）。

將熱流體的位置(?Location of hot fluid)?改為管程一側(Tube side)。

工藝數據（Process Data）

點擊下一步（Next），命令，EDR可引導我們進入的工藝數據輸入界面 ，也可以直接點擊Home功能區(qū)的?設置工藝數據(?Set Process Data)?命令，或者從導航欄下Input| Problem Definition|Process Data，都可以進入工藝數據輸入界面，如下圖所示。

在輸入工藝數據時一定要注意系統(tǒng)的單位和設計任務中的單位保持一致，比如對于質量流率，設計任務中給出的單位為kg/h, 但系統(tǒng)默認的單位為?kg/s，所以需要從下拉菜單中切換單位后再輸入數據。

Tip:?將程序運行必要的數據輸入完整后，導航欄中各項前面紅色的“叉叉”就會自動消失，否則說明數據輸入還不完整。

物性數據(Property Data)

從導航樹中選擇?Input?|?Property Data?|?Hot Stream Properties，輸入冷熱流體的物性參數。

換熱器的熱流體為燃料油，在設計任務中給出了在進出口溫度下它的物性參數，EDR允許我們直接輸入工藝流體的物性參數。你可以跳過熱流體的組成(Hot Stream Composition)?一項，然后切換到Hot Stream Properties頁面，直接輸入進出口溫度下，熱流體的物性參數。

注意流體為液體，找“Liquid”的參數。如果熱流體為氣體，選擇“vapor”。

數據輸入后，如下表所示。

在頁面內Pressure Levels下，系統(tǒng)默認了兩個壓力水平的物性參數，因為工藝數據中僅給了12 bar下兩個溫度點的物性參數，所以我們可以點擊“Delete Set”，刪除一個壓力水平，并將剩下的一個壓力改為12 bar。然后在表單中輸入213和168°C兩個溫度下，熱流體的密度、比熱、粘度和熱導率。

注意：當直接輸入物性數據時，默認狀態(tài)下復選框?Overwrite Properties?是處于勾選狀態(tài)，表示新輸入的數據替代了原有數據。

下面我們采用系統(tǒng)自帶的物性程序獲得冷流體的物性數據。在左側導航樹內，單擊?Input?|?Property Data?|?Cold Stream Composition.

從?Physical Properties Package?下拉列表中選擇?Aspen Properties，采用Aspen計算冷流體的物性參數。下拉列表中包含的可選項有：Aspen Properties/ComThermo/B-JAC/User specified properties/User specified properties using heat load，后面我們再詳細介紹這幾種方法的區(qū)別和選用條件。

加載物性計算程序可能需要一段時間，耐心等一會兒。

單擊?Search Databank?，搜索我們所需要的冷流體介質。

在Name of Alias 文本框中輸入介質的名稱，這里可以輸入 Water 或 H2O，然后單擊 Find Now?按鈕。

數據庫中包含 15,000 以上的數可用物質，所以需要花費一段時間才能找到你想要的介質，再耐心一點。

從系統(tǒng)搜索到相關的介質表中，選擇我們需要的介質——水，然后單擊下面的?Add Selected Compounds?，添加到我們組分列表中。

通過下面的?Use Selected Compounds?按鈕，確認我們的選擇。

Tip:?如果需要，可以添加更多的介質。

返回到冷流體組成(?Cold Stream Composition?)表，這里因為我們只需要一種介質，所以其質量百分數默認為1。

點擊物性方法(?Property Methods)?標簽， 在Aspen物性方法(Aspen property method?) 選擇水的物性——?STEAMNBS.

因為不同的介質所需要的計算方法不同，如果選擇不當，計算得到結果可能與實際相差很大。

在導航欄中選擇?Input?|?Properties Data?|?Cold Stream Properties.

單擊表格窗口中的Get Properties?按鈕，系統(tǒng)會計算默認壓力和溫度范圍內水的物性參數。

到這一階段后，所有需要的數據已經輸入完成，所以你可能希望保存一下現(xiàn)有的文件。通過文件(File?)菜單中的另存為(Save As) 命令，把你的文件保存到你喜歡的位置。

Tip:?在?File?|Options?|?General Program Settings 下你可以設置自動保存，系統(tǒng)每隔一段時間就會保存你當前處理的文件。

運行

在主菜單（Home）功能區(qū)，單擊運行命令組(?Run Control?)中的?Run?（運行）命令，系統(tǒng)便開始了自我設計模式。

如果你想觀察系統(tǒng)的計算過程，點擊Run?Status?（運行狀態(tài)）命令。

運行結束后，你就可以查看運行結果了。EDR得到的設計結果有多個，它把成本最低的、并且能滿足換熱和壓降要求的幾種會給我們展示出來。這里EDR一共設計了300多種方案，其中超過80種方案能滿足我們的換熱和壓降要求。W

查看結果

在主菜單（Home?）的結果（Results?）功能框中，可以快速查看EDR的運行結果。T

點擊查看性能（Check Performance）按鈕，可查看其中一種設計的性能結果。

上圖中某些關鍵的數據用黃色標了出來，另外還要注意，這種設計方案不存在振動和沖蝕的風險—— vibration 和 rho v2 項的狀態(tài)都為“No”，表示沒有問題。

Tip:?底部帶顏色的長條為熱阻的分布狀態(tài)。換熱熱阻總共分為五部分：殼程流動熱阻、殼程污垢熱阻、管壁熱阻、管程污垢熱阻、管程流動熱阻，自左向右分布用黃色、紅色、黑色、紅色和黃色表示，對應的彩色條越長，說明相應的熱阻就越大。可以看出這里管程的流動熱阻和污垢熱阻相對較大，如果想進一步提高換熱性能，可重點從這兩個方面進行改進。

從導航樹中，選擇?Results?|?Results Summary?|?TEMA Sheet.，或者直接點擊功能區(qū)中的 Review Spec Sheet，打開TEMA表。

單擊功能區(qū)的?Verify Geometry按鈕，查看換熱器的總體結構。

Note:?這里你也可以通過?Tubesheet Layout.標簽，查看換熱管的布置。

在圖形中通過右鍵快捷菜單，可實現(xiàn)圖形復制、保存等功能。甚至可以另存為可用CAD編輯的格式——DXF文件。

單擊功能區(qū)的?Review Profiles?命令，查看換熱器的關鍵數據。

右鍵單擊圖形，從快捷菜單中選擇需要的復制、保存和打印等操作。

更多的設計結果從導航樹中查看。

在Recap of Designs, 窗口中可以觀察到設計參數的變化，并比較前后設計的異同，也可以通過下面的customize，命令，定義你想比較的參數。

或者在?Console?窗口中，快速查看設計參數的變化。

打印設計報告

在文件（File?）菜單下，選擇打印（Print），定義你想打印的格式。

校核模式

在設計模式下，EDR將各種計算的設計方案設計參數通過表格的形式展示給我們們，并且得到了每一種方案的最低成本。通過 導航欄中?Results | Results Summary | Optimization Path?進行查看。如果滿足換熱負荷和壓降要求，設計狀態(tài)標記為“OK”。如果狀態(tài)標記為“Near”,表示接近滿足設計要求。表格的上面為當前所選的設計方案序號。

切換為校核模式（Rating/Checking）后，可對換熱器進一步優(yōu)化設計。

選擇上表中EDR給出的設計方案，然后從運行模式（Run Mode）功能區(qū)中選擇校核和檢查（Rating/Checking?），將當前設計模式切換為校核模式。然后系統(tǒng)會彈出如下的對話框，詢問你是否將當前所選的設計作為設計結果進行校核，選擇使用當前選擇（Use Current?），如果你選擇New Rating , 那么所有的結果都被清空，然后你自己一個一個地來輸入數據。

在校核模式下通過?Set Geometry?命令調整某些設計參數，如果需要的話。

按《GB/T 151-2014 熱交換器》圓整如下參數：

1. 換熱管直徑、壁厚、管間距和管長；

2. 殼體直徑和壁厚；

3. 折流板板間距、壁厚，第一塊折流板定位尺寸；

4. 管板壁厚；

5. 按ISO標準確定管殼程接管尺寸；

最后仿照上述過程，用EDR設計一臺管殼式換熱器，用于下述物流的換熱過程。