課程設(shè)計(jì)（論文）真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)鹵水分效預(yù)熱器設(shè)計(jì)

1、換熱器設(shè)計(jì)第一章 設(shè)計(jì)概述1.1換熱器簡介1.1.1換熱器的作用及分類在工業(yè)生產(chǎn)中，換熱設(shè)備的主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達(dá)到工藝過程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足工藝過程上的需要。此外，換熱設(shè)備也是回收余熱、廢熱特別是低位熱能的有效裝置。例如，煙道氣、高爐氣、需要冷卻的化學(xué)反應(yīng)工藝氣等余熱，通過余熱鍋爐可生產(chǎn)壓力蒸汽，作為供熱、供氣、發(fā)電和動(dòng)力的輔助能源，從而提高熱能的總利用率，降低燃料消耗和電耗，提高工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。換熱器還廣泛應(yīng)用于化工、石油、動(dòng)力和原子能等工業(yè)部門。它的主要功能是保證工藝過程對介質(zhì)所要求的特定溫度，同時(shí)也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一,應(yīng)用甚為

2、廣泛。按換熱設(shè)備熱傳遞原理或換熱方式分類，可分為以下幾種主要形式：（1）直接接觸式換熱器這類換熱器又稱混合式換熱器。這類換熱器具有傳熱效率高、單位容積提供的傳熱面積大、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但僅適用于工藝上允許兩種流體混合的場合。（2）蓄熱式換熱器這類換熱器又稱為回?zé)崾綋Q熱器。蓄熱式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格便宜、單位體積傳熱面大，故較適用于氣-氣熱交換的場合。如回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器就是一種蓄熱式換熱器。（3）間壁式換熱器這類換熱器又稱表面式換熱器。間壁式換熱器式工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的換熱器，其形式多種多樣，如常見的管殼式換熱器和板式換熱器都屬于間壁式換熱器。（4）中間載熱體式換熱器這類換熱器

3、是把兩個(gè)間壁式換熱器由在其中循環(huán)的載熱體連接起來的換熱器。載熱體在高溫流體換熱器和低溫流體換熱器之間循環(huán)，在高溫流體換熱器中吸收熱量，在低溫流體換熱器中把熱量釋放給低溫流體，如熱管式換熱器。按傳熱表面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為以下幾種方式：（1）管式:套管式、殼管式、蛇管式（2）板式（3）擴(kuò)展表面式：板翅式、翅片管式及管帶式（4）蓄熱式按流程可以分為單流程和多流程。1.1.2固定管板式換熱器在本設(shè)計(jì)中，按要求采用固定管板式換熱器。此種換熱器管束連接在管板上，管板分別焊在外殼兩端，并在其上連接有頂蓋，頂蓋和殼體裝有流體進(jìn)出口接管。通常在管外裝置一系列垂直于管束的擋板。同時(shí)管子和管板與外殼的連接都是剛性的，而管

4、內(nèi)管外是兩種不同溫度的流體。因此，當(dāng)管壁與殼壁溫差較大時(shí)，由于兩者的熱膨脹不同，產(chǎn)生了很大的溫差應(yīng)力，以至管子扭彎或使管子從管板上松脫，甚至毀壞換熱器。固定管板式換熱器有結(jié)構(gòu)簡單、排管多、緊湊、造價(jià)便宜，等優(yōu)點(diǎn)。但由于結(jié)構(gòu)緊湊，固定管板式換熱器的殼側(cè)不易清洗，而且當(dāng)管束和殼體之間的溫差太大時(shí)，管子和管板易發(fā)生脫離，故不適用與溫差大的場合。圖1為具有補(bǔ)償圈的固定管板式換熱器，即在外殼的適當(dāng)部位焊上一個(gè)補(bǔ)償圈，當(dāng)外殼和管束熱泵張不同時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生彈性變形，以適應(yīng)外殼和管束不同的熱膨脹程度。這種熱膨脹方式簡單，但不適用于兩流體溫度差太大（大于70）和殼方流體壓強(qiáng)過高（一般不高于600kpa）的場合。

5、 圖1 帶有溫度補(bǔ)償?shù)墓潭ü馨迨綋Q熱器1擋板；2補(bǔ)償圈；3放氣嘴1.1.3換熱器的主要附件（1）換熱管換熱管的尺寸和形狀對傳熱有很大影響，管徑越小，單位體積設(shè)備的傳熱面積就越大，這意味著設(shè)備越緊湊，體積則越小，對流傳熱系數(shù)較高。但制造麻煩，且小管易結(jié)垢，不易機(jī)械清洗。所以對清潔的流體小管子為宜，對粘度大或易結(jié)垢的液體管徑則可取的大些。目前我國列管式換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中，所采用的無縫鋼管規(guī)格多為19mm2mm和25mm2.5mm兩種。換熱器一般用光管，這樣結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，但對流傳熱系數(shù)較低。 管子在管板上的固定，原則是必須保證管子和管板連接牢固，不能在連接處產(chǎn)生泄漏，否則會(huì)給操作帶來嚴(yán)重故障。目

6、前廣泛采用脹接法和焊接法，在高溫高壓時(shí)有時(shí)也采用脹接加焊接的方法，近來出現(xiàn)了一種爆炸脹管法。脹接法是用脹管器擠壓伸入管板孔中的管子端部，使管端發(fā)生塑性變形，管板孔同時(shí)產(chǎn)生彈性變形。當(dāng)取出脹管器后，管板孔彈性收縮，管板和管子就會(huì)緊緊擠壓在一起，實(shí)現(xiàn)密封緊固。采用脹接時(shí)，管板硬度應(yīng)比管端高，這樣可免除在脹接時(shí)管板孔產(chǎn)生塑性變形，影響脹接的緊密性。脹接法一般多用于壓力低于3.923 pa,溫度低于300的場合。如果溫度高，管子和管板會(huì)產(chǎn)生蠕變，脹接應(yīng)力松弛而引起連接處泄漏。所以對高壓、高溫、易燃易爆的流體，換熱管的緊固多采用焊接法。 當(dāng)溫度高于300或壓力高于3.923 pa時(shí)，一般多采用焊接法。這

7、樣可保證高溫高壓時(shí)連接的緊密性，同時(shí)焊接工藝較脹管工藝簡便，管板孔加工要求低，且壓力不太高時(shí)可使用較薄的管板，因此焊接法被廣泛采用。但焊接法由于焊接接頭處的熱應(yīng)力，可能會(huì)造成應(yīng)力腐蝕和破裂，同時(shí)管板孔與管子間存在間隙。換熱管在管板上可按等邊三角形、正方形直列和正方形錯(cuò)列排列。等邊三角形排列較緊湊，管外流體湍流程度高，傳熱分系數(shù)大；正方形排列管外清潔方便。圖2 換熱管在管板上的排列（a）正三角形排列；（b）正方形直列；（c）正方形錯(cuò)列（2）管板列管式換熱器的管板一般用圓平板，在上面開孔以裝設(shè)換熱管束，管板又與殼體連接。管板與殼體的連接方法與換熱器的形式有關(guān)。對固定管板式換熱器，常采用不可拆連接方

8、式，即直接將兩端管板焊接在殼體。對浮頭式、u形管式換熱器，由于管束要從殼體中抽出，故常用可拆連接方式，即把管板夾于殼體法蘭與頂蓋法蘭之間，用螺栓緊固，必要時(shí)卸下頂蓋就可把管板連同管束從殼體中抽出。（3）折流擋板為了加大殼程流體的速度，增強(qiáng)湍動(dòng)程度，以提高殼程流體的對流傳熱系數(shù)，往往在殼程內(nèi)裝置折流擋板。另外折流擋板對換熱管束還起著支撐作用，可防止管子的變形。不利的是擋板的存在使流體阻力增加，另外擋板和殼體間、擋板和管束間的間隙如過大，部分流體會(huì)從問隙中流過，產(chǎn)生旁流，嚴(yán)重時(shí)反而會(huì)使對流傳熱系數(shù)減小。折流擋板形式較多，主要有兩種，一種是橫向折流擋板，殼程流體橫向流動(dòng)；另一種是縱向折流擋板，殼程流

9、體平行流過管束。（4）主要附件封頭 封頭有方形和圓形兩種。方形用于直徑小(一般小于300mm)的殼體，圓形用于大直徑的殼體。由于在清洗和檢修管束時(shí)需將封頭拆下，所以封頭結(jié)構(gòu)應(yīng)便于拆裝，一般通過法蘭與殼體連接。導(dǎo)流筒 在殼程流體進(jìn)、出口和管板間必存在一段流體不能流動(dòng)的空間(死角)，這顯然對傳熱不利。所以常在管束外增設(shè)導(dǎo)流筒，使流體進(jìn)、出殼程時(shí)必然經(jīng)過這個(gè)空間，盡量消除死角，提高傳熱效果。放氣孔、排液孔 在換熱器的殼體上常安裝放氣孔和排液孔，以排出不凝氣體和冷凝液體。支撐板、緩沖擋板 一般臥式換熱器都有折流擋板，它既起折流作用，又對換熱管起支撐作用。但當(dāng)工藝上無折流擋板的要求，例如冷凝器，而管子又

10、比較細(xì)長時(shí)，應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的支撐板，以便于安裝管子和防止管子變形。緩沖擋板是為了防止殼程流體進(jìn)人換熱器時(shí)對管束的沖擊，在進(jìn)料管口設(shè)置，但距殼壁不應(yīng)太近(不小于30rnm)緩沖擋板有圓形和方形兩種。導(dǎo)流筒由于是將流體導(dǎo)至管板處才進(jìn)入管束間，所以對流體流入殼程時(shí)也起著緩沖作用。有時(shí)將殼程接管在入口處加以擴(kuò)大，做成喇叭形，也是為了緩沖目的。 換熱器的其它零部件還有殼體、接管、膨脹節(jié)、支座、法蘭和法蘭蓋等。1.2管殼式換熱器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問題1）流體流徑的選擇哪一種流體流經(jīng)換熱器的管程，哪一種流體流經(jīng)殼程，下列各點(diǎn)可供選擇時(shí)參考(以固定管板式換熱器為例)。(1) 不潔凈和易結(jié)垢的流體宜走管內(nèi)，以便于清

11、洗管子。(2) 腐蝕性的流體宜走管內(nèi)，以免殼體和管子同時(shí)受腐蝕，而且管子也便于清洗和檢修。(3) 壓強(qiáng)高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體受壓。(4) 飽和蒸氣宜走管間，以便于及時(shí)排除冷凝液，且蒸氣較潔凈，冷凝傳熱系數(shù)與流速關(guān)系不大。(5) 被冷卻的流體宜走管間，可利用外殼向外的散熱作用，以增強(qiáng)冷卻效果。(6) 需要提高流速以增大其對流傳熱系數(shù)的流體宜走管內(nèi)，因管程流通面積常小于殼程，且可采用多管程以增大流速。(7) 粘度大的液體或流量較小的流體，宜走管間，因流體在有折流擋板的殼程流動(dòng)時(shí)，由于流速和流向的不斷改變，在低re(re100)下即可達(dá)到湍流，以提高對流傳熱系數(shù)。在選擇流體流徑時(shí)，上述各點(diǎn)常不能

12、同時(shí)兼顧，應(yīng)視具體情況抓住主要矛盾，例如首先考慮流體的壓強(qiáng)、防腐蝕及清洗等要求，然后再校核對流傳熱系數(shù)和壓強(qiáng)降，以便做出較恰當(dāng)?shù)倪x擇。2）流體流速的選擇流體的流速對傳熱來說非常的重要，因?yàn)樵跍魧拥膫鳠崾且粺醾鲗?dǎo)為主，熱傳導(dǎo)的傳熱速率小于對流傳熱。所以如果流速太小它形成的滯留層會(huì)很厚，會(huì)大大減小傳熱速率，又因如果流速太小雜質(zhì)會(huì)在壁面沉積也會(huì)導(dǎo)致傳熱速率的下降，提高流體在換熱器中的流速，可以增大對流體傳熱系數(shù)，減少污垢在管子表面上沉積的可能性，即降低了污垢熱阻，使總傳熱系數(shù)增加，所需要傳熱面積減少，設(shè)備費(fèi)用降低。但是流速增加，流體阻力將相應(yīng)加大，使操作費(fèi)用增加。所選擇流速時(shí)應(yīng)該綜合考慮。下表列出

13、工業(yè)一般采用的流體流速范圍。液體的種類一般液體易結(jié)垢液體氣體流速ms管程0.531530殼程0.21.50.53151.3管殼式換熱器的選用和設(shè)計(jì)計(jì)算步驟1）了解生產(chǎn)任務(wù)、工藝特點(diǎn)和基本數(shù)據(jù)冷、熱流體的流量，進(jìn)出口溫度，操作壓力；冷、熱流體的已知物性參數(shù)；冷熱流體的工藝特點(diǎn)，包括腐蝕性、懸浮物含量、有無相變等。2）確定流體流動(dòng)途徑(流程)，確定換熱器類型3）進(jìn)行選擇設(shè)備型號的有關(guān)計(jì)算 計(jì)算兩流體的定性溫度，在此溫度下查取流體的有關(guān)物性參數(shù)，如密度、粘度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等。根據(jù)生產(chǎn)換熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷。計(jì)算對數(shù)平均溫度差，并根據(jù)溫差校正系數(shù)不應(yīng)小于.的原則決定殼程數(shù)。根據(jù)總傳熱系數(shù)k值的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值

14、范圍，初步選定總傳熱系數(shù)k值根據(jù)總傳熱速率方程，由初選的f值，計(jì)算出傳熱面積，由此在換熱器系列標(biāo)準(zhǔn)中初步選出合適的設(shè)備型號。計(jì)算管程、殼程壓力降。根據(jù)初選的換熱器型號，計(jì)算兩流體的流速和壓力降，檢查計(jì)算結(jié)果是否合理或是否滿足工藝要求。若壓力降不符合要求，則要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或折流板間距，或另選一種規(guī)格的換熱器，再重新計(jì)算壓力降，直至滿足要求為止。核算總傳熱系數(shù)。分別計(jì)算管程、殼程的對流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻，計(jì)算總傳熱系數(shù)，并與開始初選的總傳熱系數(shù)進(jìn)行比較。如果相差較多，則應(yīng)再次設(shè)定總傳熱系數(shù)，重復(fù)以上計(jì)算步驟，直至接近為止。計(jì)算傳熱面積。根據(jù)核算后的k值與總傳熱速率方程，求出完成換熱任

15、務(wù)所需要的換熱器面積a，再與所選換熱器的實(shí)際面積a進(jìn)行比較，一般a/a=1.151.25,以留一定的裕量。1.4本設(shè)計(jì)的目的及意義本設(shè)計(jì)研究的目的主要是針對給定的固定管板式換熱器設(shè)計(jì)要求，通過查閱資料、分析設(shè)計(jì)條件，以及換熱器的傳熱計(jì)算、壁厚設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核等設(shè)計(jì)，基本確定固定管板式換熱器的結(jié)構(gòu)。通過分析固定管板式換熱器的設(shè)計(jì)條件，確定設(shè)計(jì)步驟。對固定管板式換熱器筒體、封頭、管板等部件的材料選擇、壁厚計(jì)算和強(qiáng)度校核。對固定管板式換熱器前端管箱、后端管箱、傳熱管和管板等結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對換熱器進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)校核。繪制符合設(shè)計(jì)要求的固定管板式換熱器的圖紙，給出相關(guān)的技術(shù)要求。在固定管板換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過

16、程中，要參考相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，比如gb-150、gb151，使設(shè)計(jì)能夠符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)要是設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)滿足生產(chǎn)的需要，達(dá)到安全生產(chǎn)的要求。通過設(shè)計(jì)過程要達(dá)到熟悉了解換熱器各部分結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理的目的。本課題所設(shè)計(jì)的冷卻器屬于固定管板換熱器，是針對給定的設(shè)計(jì)參數(shù)，按照相關(guān)規(guī)定的要求，通過壁厚計(jì)算和強(qiáng)度校核等，設(shè)計(jì)固定管板式換熱器產(chǎn)品。熟悉壓力容器設(shè)計(jì)的基本要求，掌握固定管板式換熱器的常規(guī)設(shè)計(jì)方法，把所學(xué)的知識應(yīng)用到實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中去，為以后的工作和學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)及條件1） 蒸發(fā)系統(tǒng)流程及有關(guān)條件：見附圖12） 系統(tǒng)生產(chǎn)能力：30萬噸/年3） 操作條件： 有效生產(chǎn)時(shí)間：3

17、00天/年，每天24h連續(xù)運(yùn)行 鹵水：入口溫度：61；出口溫度：71；流速不低于0.5m/s；鹵水物性隨溫度的變化按水的變化規(guī)律推算 加熱介質(zhì)：飽和水蒸汽，84.5kpa 采用單管程固定管板式列管換熱器；換熱管直徑選為38mm3mm4） 設(shè)計(jì)內(nèi)容：效預(yù)熱器組第二臺預(yù)熱器的設(shè)計(jì)： 設(shè)計(jì)方案簡介：對確定的工藝流程及換熱器形式進(jìn)行簡要論述 換熱器的工藝計(jì)算：確定換熱器的傳熱面積 換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 主要輔助設(shè)備選型 繪制換熱器總裝配圖第三章 換熱器設(shè)計(jì)過程相關(guān)計(jì)算3.1確定設(shè)計(jì)方案1）選定換熱器類型兩流體溫度變化情況：冷流體（鹵水）入口溫度為61，出口溫度為71；熱流體（飽和水蒸氣）壓強(qiáng)為84

18、.5kpa，查飽和水蒸氣表注并進(jìn)行插值計(jì)算求得此時(shí)水蒸氣溫度為95.08，飽和蒸汽冷凝為該飽和溫度下的冷凝液離開換熱器。兩流體的定性溫度如下：鹵水的定性溫度飽和蒸汽的定性溫度兩流體的溫差因此不必考慮熱補(bǔ)償，按要求采用固定管板式列管換熱器。2）選定流體流動(dòng)空間及流速因鹵水為易結(jié)垢工質(zhì)，為便于污垢清晰，故選定鹵水走管程，飽和蒸汽走殼程。同時(shí)按要求選用38mm3mm的較高級冷拔碳鋼管，管內(nèi)流速取ui=1.0m/s。3.2確定物性數(shù)據(jù)查化工原理附錄注1并進(jìn)行計(jì)算，兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)見表1。表1 兩流體在定性溫度下的物性數(shù)據(jù) 物性流體定性溫度/密度/(kg/m3)粘度/mpas定壓比熱容/kj

19、/(kg)熱導(dǎo)率/w/(m)鹵水661166.181.9813.3980.6085 物性流體定性溫度/密度/(kg/m3)冷凝熱kj/kg飽和蒸汽注295.080.50532268.43.3計(jì)算總傳熱系數(shù)1）鹵水質(zhì)量流量：已知系統(tǒng)生產(chǎn)能力為30萬噸nacl/年；每升鹵水中含nacl293.76g；生產(chǎn)時(shí)間為300天/年，每天24h連續(xù)生產(chǎn)；進(jìn)入效的鹵水為總量的54%。由以上條件可算得鹵水質(zhì)量流量為：mi=3108118030024293.7654%=90379.9kg/h2）熱負(fù)荷按管程鹵水計(jì)算，即：q=m1cp1t1-t2=90379.93.39810=3070837.862kj/h=853

20、.01kw3）平均傳熱溫差4）飽和蒸汽用量o=qiho=3070837.8622268.4=1353.746kg/h5）總傳熱系數(shù)k管程傳熱系數(shù)ire=diuiii=0.0321.01166.181.98110-3=18836.8910000 所以運(yùn)用迪特斯和貝爾特關(guān)聯(lián)式：i=0.023idi(diuiii)0.8cpii0.4=0.0230.6076290.03218789.90.83.3971031.9811030.60850.4=3008.69w/(m2)殼程對流傳熱系數(shù)o參考化工原理注，假設(shè)殼程對流傳熱系數(shù)o=污垢熱阻查閱化工原理附錄注，rsi=rso=0.859810-4m2/w管壁

21、導(dǎo)熱系數(shù)=45w/(m)總傳熱系數(shù)kk=1doidi+rsidodi+bdodm+rso+1o=10.0383008.690.032+0.859810-40.0380.032+0.0030.038450.035+0.859810-4+110000=1324.31w/(m)3.4計(jì)算傳熱面積考慮15%的面積裕度，s=1.1522.375=25.73m23.5工藝結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算1）管徑和管內(nèi)流速選用38mm3mm的傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速ui=1.0m/s2）管程數(shù)和傳熱管數(shù)按要求，管程數(shù)為1；取換熱管長為6m，則換熱管數(shù)n：3）殼程數(shù)采用單殼程結(jié)構(gòu)4）傳熱管排列方法換熱管按正三角形排列。取管心

22、距t=1.25do，則t=1.2538=47.5(mm)橫過管束中心線的管數(shù)5）殼體內(nèi)徑d=tnc-1+2b=47.56+238=361mm圓整可取d=400mm6）接管殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)蒸汽流速為u=30m/s，則接管內(nèi)徑為：d=4vu=41353.746/(36000.5053)30=0.03(m)取標(biāo)準(zhǔn)管徑為30mm。管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)蒸汽流速為u=1m/s，則接管內(nèi)徑為：d=4vu=490379.9/(36001166.18)1=0.052(m)取標(biāo)準(zhǔn)管徑為50mm。第四章 換熱器核算4.1 熱量核算 管程對流傳熱系數(shù)i管程流通截面積:si=40.032236=0.

23、02895m2管程流體流速：re=diuiii=0.0320.751166.181.98110-3=13939.3010000所以運(yùn)用迪特斯和貝爾特關(guān)聯(lián)式：i=0.023idi(diuiii)0.8cpii0.4 殼程對流傳熱系數(shù)o由于換熱管的導(dǎo)熱系數(shù)與管內(nèi)外對流傳熱系數(shù)相比都很小，所以可將管壁溫度視為恒定，下面對管壁溫度進(jìn)行估算：其中，假設(shè)，則定性溫度為：水在此定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下表： 物性流體定性溫度/密度/(kg/m3)粘度/mpas汽化熱/(kj/kg)熱導(dǎo)率/w/(m)水90.5965.30.31652281.30.6804利用公式：=0.725(32grnmdot)14其中，n

24、m為水平管束在垂直列上的平均管束：nm=n1+n2+n3+n4+n5+n6+n7n10.75+n20.75+n30.75+n40.75+n50.75+n60.75+n70.754=0.72532grnmdot14=0.725(0.68043965.329.812283.110331.6510-50.03895.076-866)0.25=8319.9w/(m2) 傳熱系數(shù)koko=1doidi+rsidodi+bdodm+rso+1o =10.0382364.60.032+0.859810-40.0380.032+0.0030.038450.035+0.859810-4+18319.9=1290

25、.35w/(m) 傳熱面積s該換熱器的實(shí)際換熱面積sp=doln=3.140.038636=25.79m2該換熱器的面積裕度為：傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。4.2 換熱器內(nèi)流體壓降核算 管程流動(dòng)阻力對于多管程換熱器，其總阻力式中，為因直管摩擦阻力引起的壓降，pa；為因回彎阻力引起的壓降，pa；ft 為管程結(jié)垢校正系數(shù)，量綱為一，對25mm2.5mm的管子，ft=1.4；對19mm2mm的管子ft=1.5，：ns為串聯(lián)的殼程數(shù)；np為管程數(shù)。式中的直管阻力可按一般摩擦阻力公式計(jì)算；回彎阻力由下面的經(jīng)驗(yàn)公式估算，即在本設(shè)計(jì)的換熱器中，；對38mm3mm的管子其ft應(yīng)該小于25mm2

26、.5mm的管子，因此在這里取38mm3mm的管子的ft=1.4進(jìn)行核算。 re=13939.3010000，為湍流；ui=0.75m/s；=1166.18kg/m3；對于碳鋼管，取管壁粗糙度為 相對粗糙度： 查化工原理第一章re關(guān)系圖，得i=0.034w/(m)，所以：因此管程流體流動(dòng)阻力在允許范圍之內(nèi)。 殼程流動(dòng)阻力殼程流動(dòng)阻力的計(jì)算公式很多，而且殼程流體的流動(dòng)狀況較為復(fù)雜，用不同的計(jì)算結(jié)果差別很大。通常采用的埃索計(jì)算公式為：其中 式中，為流體橫過管束的壓降，pa；為流體通過折流擋板缺口的壓降，pa；為殼程結(jié)垢校正系數(shù)，量綱為一，對于液體,對于氣體或者蒸汽；為管子排列方式對壓降的校正系數(shù)，對

27、于正三角形排列，對轉(zhuǎn)角正方形排列，對于正方形排列；為殼程流體的摩擦系數(shù)，當(dāng)時(shí)，其中；為折流擋板；為折流擋板間距，m；為按殼程流通截面積計(jì)算的流速，而查閱文獻(xiàn)得知，殼程為蒸汽冷凝過程，可不計(jì)算阻力，故可忽略殼程壓降。根據(jù)文獻(xiàn)資料，進(jìn)一步的深入探討分析得知，殼程為蒸汽冷凝時(shí)，水由水蒸氣變?yōu)橐簯B(tài)水，體積發(fā)生巨大改變（在本換熱器中，兩者體積差近萬倍）。故水蒸氣與冷凝水的流速存在巨大差異。由于無折流擋板，故殼程流動(dòng)面積：故蒸汽在殼間流動(dòng)的流速。又因?yàn)闅こ虊簭?qiáng)降，其中，壓降計(jì)算中均包含流速項(xiàng)（包括直管壓降以及流經(jīng)折流擋板壓降），此時(shí)流體具有極低的流速，且沒有添加折流擋板，故可忽略壓降的計(jì)算，所以殼程壓降可

28、視為為0。第五章 換熱器其他參數(shù)及附件的選用5.1殼體壁厚的確定 選取設(shè)計(jì)壓力，殼體材料為q235， ；焊縫系數(shù)（單面焊），腐蝕裕度，所以=3402113000.65-3+2=0.2cm5.2 管板的確定查閱換熱器設(shè)計(jì)手冊，對于換熱管與管板脹接的連接方式，當(dāng)換熱管采用38mm外徑時(shí)，管板最小厚度為25mm。又由于殼程操作壓力較低，故管板厚度選用25mm.，公稱直徑為500mm。同時(shí)，為了提高換熱管的抗拉脫力以及增強(qiáng)密封性，對管控進(jìn)行開槽。對外徑38mm的管子，可開0.6mm的槽。因?yàn)闅こ套叩氖菨崈舻恼羝使苁槐囟〞r(shí)清洗。所以此處采取固定式管板。同時(shí)使管板兼做法蘭，從而降低成本，簡化制造。5

29、.3 接管 殼程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)蒸汽流速為u=30m/s，則接管內(nèi)徑為：d=4vu=41353.746/(36000.5053)30=0.03(m)取標(biāo)準(zhǔn)管徑為30mm。 管程流體進(jìn)出口接管：取接管內(nèi)蒸汽流速為u=1m/s，則接管內(nèi)徑為：d=4vu=490379.9/(36001166.18)1=0.052(m)取標(biāo)準(zhǔn)管徑為50mm。5.4 折流板及支撐板的確定：通過計(jì)算可知，此換熱器殼程為水蒸氣冷凝對流傳熱，傳熱系數(shù)較大，所以不考慮添加折流擋板。然而換熱管較細(xì)長，考慮添加一定數(shù)量的支承板，以便安裝和防止管子變形。同時(shí)設(shè)計(jì)的換熱器中殼體和管束之間的間隙過大，為防止流體短路，因而考慮采用

30、旁路擋板。對于本換熱器中38mm外徑的換熱管，經(jīng)查換熱器設(shè)計(jì)手冊可知其最大無支撐跨距為2500mm。而本換熱器選用的是6m的碳鋼管，超過了其最大無支撐跨距。故此處應(yīng)添加支撐板來放置換熱管產(chǎn)生過大的撓度。此時(shí)在換熱器的中間添加兩塊支撐板即可滿足需要。同時(shí)通過查閱換熱器設(shè)計(jì)手，對于600mm的殼體內(nèi)徑和2500mm的換熱管最大無支撐跨距，所選的支撐板的最小厚度應(yīng)不小于12mm，本設(shè)計(jì)選13mm。支承板的常用形式有弓形、圓盤圓環(huán)形和帶扇形切口三種。5.5 拉桿的直徑和數(shù)量與定距管的選定支承板的固定是由拉桿定距管結(jié)構(gòu)來完成的。對于換熱管外徑的管束，拉桿常用的結(jié)構(gòu)型式為拉桿定距管結(jié)構(gòu)。對的碳鋼管，拉桿選

31、用碳鋼拉桿，數(shù)量為4條。拉桿直徑d/mm數(shù)量基本尺寸拉桿螺紋公稱直徑/mm/mm/mm/mm1641620602.0拉桿的布置：拉桿應(yīng)盡量布置在管束的外邊緣定距管尺寸：定距管的尺寸，一般與所在換熱器的換熱管規(guī)格相同。此時(shí)即的碳鋼管作為定距管。5.6 排液管的確定為提高傳熱效率，排除或回收工作凝液，應(yīng)在殼程的最低點(diǎn)設(shè)置排液接管。排液接管的端部必須與殼體內(nèi)壁平齊，其結(jié)構(gòu)尺寸如下圖所示。排液口的尺寸一般不小于。本換熱器中選取15mm直徑的排液孔即可以滿足要求。5.7 封頭的確定本換熱器選用應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。封頭的高度按照標(biāo)準(zhǔn)選用0.25d，即為100mm。封頭的側(cè)面積選用，即為0.173m2。

32、封頭體積通過標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，即為0.008m3。封頭與筒體的連接：封頭與筒體的連接形式有兩種:焊接連接和法蘭連接。法蘭連接便于設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安裝與檢修，但造價(jià)較高，密封性能較差。此處選用焊接連接的方法。焊接連接設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、密封性能好，但不利于設(shè)備安裝與檢修，為此常在封頭上開設(shè)人孔。5.8 支座的確定公稱直徑的立式換熱器，采用兩個(gè)支座。5.9 防沖板的設(shè)定：換熱器管內(nèi)流體進(jìn)出口的空間成為管箱。其深度有一定的要求，滿足流通面積的需要。其結(jié)構(gòu)應(yīng)便于裝拆。殼程流體進(jìn)出的設(shè)計(jì)會(huì)直接影響換熱器的傳熱效率和換熱管的壽命。緩沖接管、旁路擋板防止流體對換熱管造成很大的沖刷。導(dǎo)流筒用于消除死區(qū)，充分利用換熱面

33、積，防止流體對換熱管造成很大的沖刷。防沖板或?qū)Я魍驳倪x擇：（1）管程設(shè)置防沖板的條件：當(dāng)管程采用軸向人口接管或換熱管內(nèi)流體流速超過3m /s時(shí)，應(yīng)設(shè)置防沖板，以減少流體的不均勻分布和對換熱管端的沖蝕。）（2）殼程設(shè)置防沖板或?qū)Я魍驳臈l件：當(dāng)殼程進(jìn)口管流體的值。為下列數(shù)值時(shí)，應(yīng)在殼程進(jìn)口管處設(shè)置防沖板或?qū)Я魍?。a） 非腐蝕 、非磨蝕性的單相流體，b) 其他液體，包括沸點(diǎn)下的液體，者。有腐蝕或有磨蝕的氣體，蒸汽及汽液混合物，應(yīng)設(shè)置防沖板。當(dāng)殼程進(jìn)出口接管距管板較遠(yuǎn)，流體停滯區(qū)過大時(shí)，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)流筒，以減小流體停滯區(qū)，增加換熱管的有效換熱長度。防沖板的直徑或邊長，應(yīng)大于接管外徑50mm,防沖板的最小厚

34、度：碳鋼為4.5m m，不銹鋼為3m m,防沖板的固定形式為：a) 防 沖 板的兩側(cè)焊在定距管或拉桿上，也可同時(shí)焊在靠近管板的第一塊折流板上；b） 防 沖 板焊在圓筒上；c） 用 u 形螺栓將防沖板固定在換熱管上。導(dǎo)流筒一般有內(nèi)導(dǎo)流筒和外導(dǎo)流筒兩種形式：a) 內(nèi) 導(dǎo) 流筒導(dǎo)流筒外表面到殼體圓筒內(nèi)壁的距離宜不小于接管外徑的1/3,導(dǎo)流簡端部至管板的距離，應(yīng)使該處的流通面積不小于導(dǎo)流筒的外側(cè)流通面積。b) 外 導(dǎo) 流筒內(nèi)襯筒內(nèi)表面到外導(dǎo)流筒的內(nèi)表面間距為：接管外徑200mm時(shí)，間距不小于50m m;d200 mm 時(shí) ，間距不小于75mm,立式外導(dǎo)流換熱器，應(yīng)在內(nèi)襯筒下端開淚孔。防沖板的設(shè)定：管程

35、設(shè)置防沖板的條件：當(dāng)管程采用軸向入口或換熱管內(nèi)流體流速超過3m/s時(shí)，應(yīng)設(shè)防沖板，以減少流體不均勻分布和對換熱管端的沖蝕。本設(shè)計(jì)采用橫向入口，且換熱管內(nèi)流速小于3m/s。故管程不需設(shè)置防沖板。殼程設(shè)置防沖板或?qū)Я魍驳臈l件：對蒸汽應(yīng)設(shè)置防沖板。故此處應(yīng)在殼程添加防沖板。本換熱器接管為直管，選擇將防沖板焊接在殼體上。防沖板外表面到圓筒內(nèi)壁的距離根據(jù)下式計(jì)算，且不小于接管外徑的1/4.式中 h防沖板在殼體內(nèi)的位置尺寸，mm h殼程進(jìn)口接管內(nèi)徑與殼體內(nèi)徑相交的弓形高度，mm 接管內(nèi)徑，mm代入數(shù)據(jù)計(jì)算得h=9.5mm防沖板的最小厚度，碳鋼為4.5mm第六章 初步經(jīng)濟(jì)衡算一個(gè)成功的設(shè)計(jì)既要順利地完成生產(chǎn)

36、任務(wù)，又要在經(jīng)濟(jì)上為企業(yè)帶來利潤，同時(shí)還要兼顧環(huán)境保護(hù)，社會(huì)發(fā)展等因素。因此，對一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評價(jià)分析顯得尤為重要。6.1 項(xiàng)目概況本項(xiàng)目為鹵水真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)，生產(chǎn)國內(nèi)市場必需的無機(jī)鹽產(chǎn)品，生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)30萬噸，生產(chǎn)期按10年計(jì)，計(jì)算期10.5年。6.2 計(jì)算期計(jì)算期包括建設(shè)期和生產(chǎn)經(jīng)營期，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃建設(shè)期確定為0.5年，生產(chǎn)運(yùn)營期確定為10年，項(xiàng)目計(jì)算期為10.5年。6.3 目標(biāo)市場及產(chǎn)品售價(jià)本項(xiàng)目生產(chǎn)產(chǎn)品為國內(nèi)市場必需的無機(jī)鹽產(chǎn)品，生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)30萬噸。產(chǎn)品銷售價(jià)格根據(jù)財(cái)務(wù)評價(jià)的定價(jià)原則，預(yù)測判生產(chǎn)期初的市場價(jià)格，每噸出廠價(jià)（不含稅）為450元（按nacl99.3%的純度

37、選定）。6.4 產(chǎn)銷計(jì)劃產(chǎn)品產(chǎn)銷率按100%考慮。6.5 費(fèi)用與效益估算6.5.1 總成本費(fèi)用1原材料化工料及輔助料 原材料為碳鋼板，鋼管，法蘭，墊圈等制作換熱器的基礎(chǔ)零件?；ぴ蠟槿肟跍囟?5的精制鹵水。輔助料為來自熱電站的生蒸汽。2燃料及動(dòng)力動(dòng)力費(fèi)，包含打壓鹵水的離心泵動(dòng)力費(fèi)用以及制造負(fù)壓狀態(tài)的真空泵動(dòng)力費(fèi)用。3制造費(fèi)用制造費(fèi)在本設(shè)計(jì)任務(wù)書中即為換熱器的制造費(fèi)用。包括殼體、換熱管、管板、封頭等主要部件，以及防沖板，支撐板，支座等附件的購買加工費(fèi)用。4生產(chǎn)員工的工資及相應(yīng)的附加費(fèi)5固定資產(chǎn)折舊費(fèi)，修理費(fèi)及大修基金（1）化工企業(yè)的大修，指對化工廠全廠或某些車間進(jìn)行大規(guī)模的修理或改造。通常分兩

38、種情況：1. 對重要問題隨時(shí)進(jìn)行不停產(chǎn)大修。2. 對重要問題，集中時(shí)間進(jìn)行全面停產(chǎn)大修。對于本次設(shè)計(jì)中的預(yù)熱器，由于通過管程的鹵水易結(jié)垢，故需定期進(jìn)行管程清理。同時(shí)，由于鹽水的腐蝕和磨損，也會(huì)進(jìn)行不定期的換熱管更換。此外，在生產(chǎn)過程中對于有可能出現(xiàn)的泄漏，堵塞等問題也應(yīng)進(jìn)行技術(shù)處理進(jìn)而產(chǎn)生相關(guān)維修費(fèi)用。因此，即便今年不大修，但也必須在今年的產(chǎn)品中分?jǐn)傄徊糠只?，供后續(xù)年份需要大修時(shí)集中使用，這就是“大修基金”。（2）折舊費(fèi)用。投入固定投資而形成的固定資產(chǎn)，采取折舊的形式攤銷到每噸化工產(chǎn)品中，而達(dá)到逐步收回企業(yè)固定資產(chǎn)（絕大部分固定投資）的目的。對化工類企業(yè)一般采取的是直線折舊。直線折舊的年折舊

39、率（1固定資產(chǎn)殘值率）/折舊年限直線折舊每年的折舊費(fèi)固定資產(chǎn)原值年折舊率?；ゎ惼髽I(yè)的固定資產(chǎn)殘值率一般取38；化工類企業(yè)的折舊年限一般取15年；6車間經(jīng)費(fèi)費(fèi)用車間內(nèi)部的管理費(fèi)及業(yè)務(wù)費(fèi)用。主要包括車間管理人員（車間二線人員）的工資及相應(yīng)附加費(fèi)用；車間辦公費(fèi)用；車間分析化驗(yàn)費(fèi)；車間試驗(yàn)研發(fā)費(fèi)用；日常小型修理費(fèi)用等。7企業(yè)管理費(fèi)用企業(yè)廠級的管理費(fèi)及業(yè)務(wù)費(fèi)用。主要包括廠級管理人員的工資及相應(yīng)附加費(fèi)用；企業(yè)廠級辦公費(fèi)用；研發(fā)費(fèi)用；職工教育費(fèi)用；財(cái)務(wù)費(fèi)用等。8銷售費(fèi)用化工產(chǎn)品從進(jìn)入企業(yè)成品庫一直到銷售出去，所發(fā)生的費(fèi)用。一般包括：營銷費(fèi)（包括銷售人員工資及附加、銷售提成等）；廣告費(fèi)；運(yùn)輸費(fèi)（及運(yùn)輸保險(xiǎn)費(fèi)

40、）；運(yùn)輸包裝費(fèi)；展覽費(fèi)等。6.5.2銷售收入和稅金1、 市場分析海水中提取出的無機(jī)鹽產(chǎn)品包含鈉鎂氯溴等無機(jī)鹽，是其他化工建筑醫(yī)藥等行業(yè)所必需的原材料。近些年隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速增長，各行業(yè)對原材料的需求量也有大幅增加。因此本設(shè)備產(chǎn)出的產(chǎn)品及副產(chǎn)品均有廣大的市場。2、 銷售收入根據(jù)產(chǎn)品方案，產(chǎn)品銷售價(jià)格依據(jù)據(jù)財(cái)務(wù)評價(jià)的定價(jià)原則，預(yù)測判生產(chǎn)期初的市場價(jià)格，每噸出廠價(jià)（不含稅）為450元。故年產(chǎn)品銷售收入為135000000元。（1） 增值稅按國家規(guī)定計(jì)取，產(chǎn)品增值稅稅率為17。（2） 城市維護(hù)建設(shè)稅城市維護(hù)建設(shè)稅取增值稅的5（3） 教育費(fèi)附加教育費(fèi)附加按增值稅的3計(jì)取。我們要在設(shè)計(jì)中兼顧節(jié)約成本，提

41、高產(chǎn)率，保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)發(fā)展等多方面的因素。通過經(jīng)濟(jì)核算可以使我們獲得更為優(yōu)化的設(shè)計(jì)計(jì)劃。第七章 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計(jì)結(jié)果換熱器形式：單管程固定管板式列管換熱器管口表換熱面積/ 25.79符號尺寸用途工藝參數(shù)abc d e f 鹵水進(jìn)口冷凝液出口蒸汽進(jìn)口鹵水出口排污口排氣口名稱物料名稱操作壓力/kpa操作溫度/流量/() 管程 鹵水 101.361-7190379.9 殼程 水蒸氣 30.0 95.08 0.1090流體密度/ 1166.18 0.5053附圖流速/（m/s) 0.75 2.64 傳熱量/kw 853.01總傳熱系數(shù)/ 1290.35導(dǎo)熱系數(shù)/ 0.6085 0.02146傳熱系數(shù)/2367.6 8319.9污垢系數(shù)/阻力降/pa 4304.7 0推薦使用材料 碳鋼 碳鋼管子規(guī)格管數(shù)：64管長6000mm殼體內(nèi)徑/mm 400管子排列方式正三角形支撐板數(shù)量 2個(gè)厚度/mm 13第八章 設(shè)計(jì)心得體會(huì)在上學(xué)期對換熱器的學(xué)習(xí)結(jié)束之后，本學(xué)期的小學(xué)期期間，老師給我們布置了這次的換熱器設(shè)計(jì)作業(yè)。之前，我們已經(jīng)做過了一次泵的設(shè)計(jì)任務(wù)，因此對于這次的