概要信息：

Aspen Plus 流程模拟培训专题5
中国化工学会培训中心
中国石油和化学工业协会培训中心
ASPEN PLUS 换热器的模拟
5.1 ASPEN PLUS的换热器模型
模型 说明 目的 用于
Heater 加热器或冷却器
确定出口物流的热和
 相态条件
加热器、冷却器、冷凝
 器等
HeatX 两股物流的换热器 在两个物流之间换热
两股物流的换热器。当
 知道几何尺寸时，核算
 管壳式换热器
MHeatX 多股物流的换热器 在多股物流之间换热
多股热流和冷流换热
 器，两股物流的换热
 器，LNG换热器
Hetran 管壳式换热器
提供B-JAC Hetran管
 壳式换热器程序界面
管壳式换热器，包括釜
 式再沸器
Aerotran 空冷换热器
提供B-JAC Aerotran 
空冷换热器程序界面
错流式换热器包括空气
 冷却器
1、闪蒸规定 ( Flash specifications)
（1）温度
 
Temperature
（2） 压力
 
Pressure
（3）温度改变 Temperature change
（4）蒸汽分率
 
Vapor fraction
（5）过热度
 
Degrees of superheating
（6）过冷度
 
Degrees of subcooling
（7）热负荷
 
Heat duty
 
 
5.2 Heater  — 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
 
( Valid Phase )
（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0.41 MPa、  
流量4000 kg/hr 的软水在锅炉中  
加热成为0.39 MPa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1000 kg/hr （0.4 MPa ）  
的饱和水蒸汽用蒸汽过热器加热  
到过热度  100 ℃（0.39 MPa），  
求过热蒸汽温度和所需供热量。
Heater — 应用示例  (2)
流量为  1000 kg/hr、压力为  
0.11 MPa、  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)
流量为  100 kg/hr、压力为  
0.2 MPa、温度为20 ℃的丙酮通  
过一电加热器。当加热功率分别  
为  2 kW、5 kW、10 kW 和  20 
kW 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Report Options中设定相应的输
 
出参数选项即可。
5.3 两股物流的换热器
功能：在两个物流之间换热
用途：当知道几何尺寸时，核算管壳式换热
 器
HeatX输入规定
窗口名称 作用
Setup 规定简捷或详细的计算、流动方向、换热器压降、传热系数计算
 方法和膜系数。
Options 规定热侧和冷侧不同的闪蒸收敛参数和有效相态，HeatX收敛参数
 和模块规定报告选项。
Geometry 规定壳程和管程的结构，并指明任何翅片管、折流挡板或管嘴。
User 
Subroutines
规定用户定义的Fortran子程序的参数来计算整个的传热系数、
 LMTD校正因子、管壁液体滞留量或管壁压降。
Hot-Hcurves 规定热流的加热或冷却曲线表和浏览结果表
Cold-Hcurves 规定冷流的加热或冷却曲线表和浏览结果表
Block Options 替换这个模块的物性、模拟选项、诊断消息水平和报告选项的全
 局值。
Results 浏览结果、质量和能量平衡、压降、速度和区域分析汇总。
Detailed Results 浏览详细的壳程和管程的结果以及关于翅片管、折流挡板和管嘴
 的信息。
Dynamic 规定动力学模拟的参数。
1、简捷计算(shortcut)
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(design)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(simulation)选项时，需设定换热面
 积，模块计算两股物流的出口状态。
5.3.1 HeatX—计算类型
2、详细计算(detailed)
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(rating)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(simulation)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
HeatX—详细计算  (2)
HeatX的简捷法核算与严格法核算比较
用Setup Specifications页上的
Calculation Type（核算类型）字段来规
定简捷法或严格法核算。
简捷法核算不需要换热器结构或几何尺寸
数据。
对于严格法核算模型，可以用换热器几何
尺寸去估算：
膜系数（Film coefficients）
压降（Pressure drops）
对数平均温差校正因子（Log-mean 
temperature difference correction factor）

HeatX具有有效值的选项
变量 计算方法 在简捷法模型
 中可采用
在严格法模型
 中可采用
LMTD Correction Factor
（LMTD校正因子）
常数
几何尺寸
用户子程序
Default
No
No
Yes
Default
Yes
Heat Transfer Coefficient 
（传热系数）
常数值
特定相态的值
幂率表达式
膜系数
换热器几何尺寸
用户子程序
Yes
Default
Yes
No
No
No
Yes
Yes
Yes
Yes
Default
Yes
Film Coefficient
（膜系数）
常数值
特定相态的值
幂率表达式
由几何尺寸计算
No
No
No
No
Yes
Yes
Yes
Default
Pressure Drop
（压降）
出口压力
由几何尺寸计算
Default
No
Yes
Default
5.3.2 换热器计算方程
换热器的标准方程是：
Q = U × A× LMTD
这里LMTD是对数平均温差，此方程用于纯逆流
 流动的换热器。
通用方程是：
Q = U × A× F × LMTD
这里F是校正因子，考虑了偏离逆流流动的程度
在Setup Specifications页上用LMTD 
Correction Factor区域输入LMTD校正因子。
传热系数和膜系数
在Setup U Methods（设定传热系数方法）
页确定怎样计算传热系数，设定计算方法。
在简捷法核算模型中，HeatX模型不计算膜
系数，在严格法核算模型中，如果你在传
热系数计算方法中使用膜系数或换热器几
何尺寸，HeatX计算传热系数，使用：
hc = 冷流膜系数
hh = 热流膜系数
hc hhU
111
+=
5.3.3 换热器结构
换热器结构指换热器内整个流动的型式。如果对
于传热系数、膜系数或压降计算方法选择
Calculate From Geometry选项，可能需要在
Geometry Shell页中输入一些有关换热器结构的
信息:
壳程类型 TEMA shell type
管程数 No. of tube passes
换热器方位 Exchanger orientation
密封条数 Number of sealing strip pairs
管程流向 Direction of tubeside flow
壳内径 Inside shell diameter
壳/管束间隙 Shell to bundle clearance
TEMA壳体类型
壳体尺寸
Geometry Shell页也包含了两个重要的壳
体尺寸：
壳体内径
壳体到管束的最大直径的环形面积
Outer Tube Limit
管束外层的最大直径
Shell Diameter
壳体直径
Shell to Bundle Clearance
壳层到管束的环形面积
折流挡板的几何尺寸
壳侧膜系数和压降计算需要壳体内挡板的
几何尺寸，在Geometry Baffles（挡板的
几何尺寸）页上输入挡板的几何尺寸。
对于弓形折流挡板，需要的信息包括：
折流挡板切口高度
折流挡板间距
折流挡板面积
对于圆盘形折流挡板需要的信息包括：
环形直径
支承盘的几何尺寸
折流挡板的几何结构
Baffle Cut
折流挡板的切口高度
Tube Hole
管孔
Shell to Baffle Clearance
壳层到折流挡板的环形面积
Rod Diameter
圆盘直径
Ring Outside Diameter
环外径
Ring Inside Diameter
环内径
管子的几何尺寸
计算管侧膜系数和压降需要管束的几何尺寸，
HeatX模型也用这个信息从膜系数来计算传热
系数，在Geometry Tubes（管子的几何尺寸）
页上输入管子的几何尺寸。
对裸管换热器或低翅片管换热器
管子总数 Total number
管子长度 Length
管子直径 Diameter
管子的排列 Pattern
管子的材质 Material
HeatX——管程参数（2）
HeatX——管程参数（3）
管程参数还有管尺寸(Tube size)，
 
可用两种方式输入：
实际尺寸 Actual
内径
 
Inner diameter
外径
 
Outer diameter
厚度
 
Tube thickness
三选二
公称尺寸 Nominal
直径
 
Diameter
BWG规格
Birmingham
wire gauge
HeatX——管程参数（4）
HeatX— 列管排列模式
HeatX——管翅结构
对于翅片管，还需从管翅(Tube fins)表
 
单中输入以下参数：
翅片高度
 
Fin height 
翅片高度 / 翅片根部平均直径
Fin height /Fin root mean diameter
翅片间距 Fin spacing:
每单位长度的翅片数 / 翅片厚度
Number of fins per unit length /Fin thickness
HeatX——管翅结构  (2)
HeatX——管翅结构  (3)
HeatX——挡板结构
有两种挡板结构可供选用：
1、圆缺挡板  Segmental baffle
2、棍式挡板  Rod baffle
从挡板(Baffles)表单中进行选择并  
输入有关参数。
HeatX——圆缺挡板
Segmental Baffle
HeatX——圆缺挡板（2）
圆缺挡板需输入以下参数：
所有壳程中的挡板总数
 
No. of baffles, all passes
挡板切割分率 Baffle cut (fraction of shell diameter)
管板到第一挡板的间距 Tubesheet to 1st baffle spacing
挡板间距
 
Baffle to baffle spacing
壳壁/挡板间隙
 
Shell-baffle clearance
管壁/挡板间隙
 
Tube-baffle clearance
HeatX——圆缺挡板（3）
HeatX——棍式挡板
Rod Baffle
HeatX——棍式挡板（2）
棍式挡板需输入以下参数：
所有壳程中的挡板总数
 
No. of baffles, all passes
圆环内径
 
Inside diameter of ring
圆环外径
 
Outside diameter of ring
支撑棍直径
 
Support rod diameter
每块挡板的支撑棍总长
 
Total length of support rods     
per baffle
HeatX——棍式挡板（3）
HeatX——管嘴
管 嘴 即 换 热 器 的 物 料 进 出 接 口 ， 需 从
 Nozzle表单中输入以下参数：
输入壳程管嘴直径 Enter shell side nozzle diameters
进口管嘴直径
 
Inet nozzle diameter
出口管嘴直径
 
Outlet nozzle diameter
输入管程管嘴直径
 
Enter tube side nozzle diameters
进口管嘴直径
 
Inlet nozzle diameter
出口管嘴直径
 
Outlet nozzle diameter
HeatX——管嘴（2）
5.3.4 HeatX——结果查看
HeatX 最 重 要 的 是 热 参 数 结 果 (Thermal 
results)，其下包括五张表单：
• 概况
 
Summary
• 衡算
 
Balance
• 换热器详情
 
Exchanger details
• 压降/速度
 
Pre drop/velocities
• 分区
 
Zones
HeatX —— 概况
概况表单给出了冷、热物流的
 
进 、 出 口 温 度 、 压 力 、 蒸 汽 分 率
 
(Vapor fraction)，以及换热器的热负
 
荷(Heat duty)。
HeatX —— 概况  (2)
HeatX——换热器详情
换热器详情表单给出了需要的换热器
 
面积(Required exchanger area) 、实际的换
 
热器面积(Actual exchanger area) 、清洁
 (Clean)和结垢(Dirty)条件下的平均传热系
 
数(Avg. heat transfer coefficient)、校正后
 
的对数平均温差(LMTD corrected) 、热效
 
率 (Thermal effectiveness) 和 传 热 单 元 数
 (Number of transfer units)等有用的信息。
HeatX——换热器详情（2）
HeatX——压降/速度
压 降 / 速 度 表 单 给 出 了 流 道 压 降
 (Exchanger Pressure drop)、管嘴压降和总
 
压 降 ； 壳 程 错 流 (Crossflow) 和 挡 板 窗 口
 (Windows) 处 的 最 大 流 速 及 雷 诺 数
 (Reynolds No.)；管程的最大流速及雷诺数
 
等有用的信息，我们可以根据这些信息调
 
整管程数，挡板数目和切割分率，以及管
 
嘴尺寸。
HeatX——压降/速度（2）
HeatX —— 分区
分区表单给出了换热器内根据冷、热
 
流体相态对传热面积分区计算的情况，包
 
括各区域的热流体温度、冷流体温度、对
 
数平均温差、传热系数、热负荷和传热面
 
积信息。我们可根据此信息分析换热方案
 
是否合理以及改进设计方案的方向。
HeatX —— 分区（2）
确定冷热流体流程的原则
（1） 不洁净或易于分解结垢的物料应流经易清洗的一侧。对于直
 管管束，上述物料一般应走管内，当管束能拆出清洗时，也可走
 管外。
（2） 需要提高流速以增大对流传热系数的流体应当走管内，因为
 管内截面积通常比管间的小，而且易于采取多程以增大流速。
（3） 具有腐蚀性的物料应走管内，这样可以用普通材料制造壳
 体，仅仅管子、管板和管箱采用耐蚀材料。
（4） 压力高的物料走管内，外壳可以不承受高压，以降低设计压
 力和造价。
（5） 温度很高（或很低）的物料走管内，以减少热量（或冷量）
 的散失。如果为了更好地散热，则应让高温物料走壳程。
（6） 蒸汽一般通入壳程，便于排出冷凝掖，而且蒸汽较清洁，其
 对流传热系数又与流速关系较小。
（7） 黏度大的流体［μ>（1.5～2.5）×10-3 Pa·s］一般走壳程，
 因为在设有挡板的壳程中流动时，
流道截面和流向都在不断改变，在低Re 数（Re >100）下即可达到
 湍流，有利于提高管外流体的对流传热系数。
用1200 kg/hr饱和水蒸汽 (0.3 MPa) 
加热2000 kg/hr 甲醇 (20 ℃、0.3 MPa)。
 
离开换热器的蒸汽冷凝水压力为0.28 
MPa、过冷度为2 ℃。换热器传热系数
 
根据相态选择。求甲醇出口温度、相
 
态、需要的换热面积。
HeatX —应用示例  (1)
对上例选用下述换热器进行详细核算：
外壳直径：325 mm ， 公称面积：10 m2，
管长：3 m ，管径：φ
 
19×2 mm ，管数：76 ，
 
排列方式：正三角，管程数：2 ，壳程数：1，
折流板间距：150 mm ，
折流板缺口高度：79 mm
HeatX —应用示例  (2)
HTFS包含内容
HTFS2006+及V7版本中可计算：
1、BJAC-管壳式换热器计算
2、管壳式换热器机械设计
3、空冷器设计计算
4、加热炉设计计算
5、板式换热器设计计算
TASC介绍
Design‐设计 根据你指定的热负荷和压降限制计算换热器。
Checking 
(Rating)-校核
测定特定的换热器的换热面积是否满足你指定
 的热负荷，同样可以计算压力。
Simulation
模拟
给定进料条件下，测定在特定的换热器，热负
 荷、压力发生的变化和物料的输出情况。
Thermosyphon
热虹吸器
测定特定换热器的流速和热能，象热虹吸一样
 操作，你指定塔内的液位和与塔换热器联接的
 管道工程组。
Geometry
几何尺寸
允许你指定换热器的几何尺寸（布管和安装
 图），不进行热传导计算。
TASC提供了范围很广的管壳换热器的计算，有五种计算模式：