化工流体传热课程设计任务书
（一）设计题目：真空蒸发制盐系统卤水分效预热器设计
（二）设计任务及条件
1、蒸发系统流程及有关条件见附图。
2、系统生产能力： 85 万吨/年。
3、有效生产时间：300天/年。
4、设计内容： Ⅰ 效预热器（组）第 1 台预热器的设计。
5、卤水分效预热器采用单管程固定管板式列管换热器，试根据附图中卤水预热的温度要求对预热器（组）进行设计。
6、卤水为易结垢工质，卤水流速不得低于0.5m/s。
7、换热管直径选为Φ38×3mm。
8、卤水物性参数随温度的变化，当手册查不到时，可按水的变化规律推算。
（三）设计项目
1、由物料衡算确定卤水流量。
2、假设K计算传热面积。
3、确定预热器的台数及工艺结构尺寸。
4、核算总传热系数。
5、核算压降。
6、确定预热器附件。
7、设计评述。
（四）设计要求
1、根据设计任务要求编制详细设计说明书。
2、按机械制图标准和规范，绘制预热器的工艺条件图（2#），注意工艺尺寸和结构的清晰表达。
设计流程图
目录
第一章 设计简介----------------------------------------------------------4
第二章 热力学计算-------------------------------------------------------5
2.1 由物料衡算确定卤水流量---------------------------------------5
2.2 假设K计算传热面积--------------------------------------------5
2.2.1 热力学数据的获取------------------------------------------5
2.2.2 估算传热面积------------------------------------------------6
2.2.3 工艺尺寸的计算---------------------------------------------6
2.2.4 核算总传热系数---------------------------------------------8
2.2.5 核算压降------------------------------------------------------9
2.3 确定预热器附件------------------------------------------------10
2.4 泵的选用---------------------------------------------------------12
2.5 换热器主要结构尺寸和计算结果---------------------------13
第三章 设计评述-------------------------------------------------------14
第四章 主要符号说明-------------------------------------------------16
第五章 参考文献-------------------------------------------------------17
第一章 设计简介
在工程中，将某钟流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备，称为换热器，又叫热交换器。在这种设备中，至少有两种温度不同的流体参与传热。
在工业生产中，换热器的应用极为普遍，例如动力工业中锅炉设备的过热器，省煤器，空气预热器，电厂热力系统中的凝汽器，除氧器；冶金工业中的高炉的热风炉，炼钢和轧钢生产工艺中的空气或煤气预热；制冷工业中蒸汽压缩制冷机或吸收式制冷机中的蒸发器；都是换热器的应用实例。在化学工业和石油化学工业的生产过程中，应用换热器的场合更是不胜枚举。在航天航空工业中，为了及时取出发动机及辅助动力装置在运动时所产生的大量热量，换热器也是不可缺少的重要部件。
另外，由于世界上煤油，石油和天然气资源的储量有限而面临着能源短缺的局面，各国都在致力于新能源的开发，因而热交换器的应用又与能源的开发与节约紧密联系。所以，换热器的应用遍及动力、冶金、化工、炼油、建筑、机械制造、食品、医药及航空航天等各个部门。
根据换热器在生产中的低位和作用，它应满足多种多样的要求。一般来说，对其基本要求有：
（1) 满足工艺过程所提出的要求，热交换强度高，热损失少，在有力的平均温度下工作。
（2) 要有与温度和压力条件相适应的不易遭到破坏的工艺结构，制造简单，装修方便，经济合理，运行可靠。
（3) 设备紧凑。
（4) 保证较低的流动阻力，以减少换热器的动力消耗
这次设计的换热器要求单管程固定管板式列管换热器，以二次蒸汽为加热流体预热卤水，将卤水由83摄氏度加热到91摄氏度
通过对换热器的设计，达到让学生了解换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的构最共完成图纸。
可以说，这次设计作业从准备材料，估算，核算，到最后的作图，多方面的锻炼的学生们的设计能力，于此同时，还提高了团队合作能力。
第二章 热力学计算
2.1由物料衡算确定卤水的流量
由表格2-1知数据如下
表2-1
根据任务书的要求，氯化钠的年产量为85万吨/年，根据公式进行计算得：
从图中可以看出进入第三效的卤水流量F为：
2.2 假设K计算传热面积
2.2.1热力学数据的获取
（1）冷流体卤水的定性温度：
入口温度：
83℃ 出口温度：
91℃
循环水的定性温度为
℃
查询数据得表2-2：
表2-2 卤水的物理性质表
(2) 饱和水蒸汽的热力学性质
从图中我们看出第三效的加热蒸汽是198.6kpa，通过查表得到此时的饱和水蒸汽温度为T=120℃，汽化热为 
=2204.6kJ/kg
2.2.2 估算传热面积
（1）计算传热量
（2）水蒸气耗量
（3）计算有效平均温度差
、
（4） 流体流经的选择冷流体卤水不洁净并且易结垢，所以走管程，便于清洗。热流体为饱和水蒸气，宜走壳层以便于及时排除冷凝液，且蒸汽结晶，一般不清洗。
（5） 估算传热面积
根据经验选取K=1000
,估算传热面积:
2.2.3 工艺尺寸计算
（1）管径与管内流速的确定 根据设计说明书要求，选用ø38×3mm较高级不锈钢传热管，管内流速取u=0.6m/s。
（2）管长与传热管数 选用L=6m的管长。
根据流量与流速确定管数：
因此，实际换热面积为 
采用此换热器，则要求过程的总传热系数为
（3）平均温度差校正及壳程数
平均温度差校正系数有：
R=0
查参考文献有
由于平均温度差校正系数大于0.8，同时壳层流体流量比较大，所以采用单壳层合适。
（4）壳体内径
根据壳体内径公式
其中t=1.25外管径，管子按正三角形排列时，横过管数中心线管的根数
b’=1.25倍外管径
由此，算的壳体外径
475mm
进行圆整，得外径500mm
综上，立式单管程固定管板式列管式换热器的规格如下：
公称直径...................500mm
公称换热面积................46.53
管程数.....................1
管数n....................65
管长L....................6m
管间距...................47.5mm
管子直径................
管子的排列方式..................正三角形
（5）折流挡板结构的设计
本设计采用弓形挡板，弓形折流板圆缺高度为壳体外径的20%，即 
，折流挡板间距取B=600mm，所用到的板数
2.2.4 核算总的传热系数
（1）管程对流传热系数
其中
所以
（2）污垢热阻和管壁热阻
根据查表，得管程壁面的污垢热阻
，
壳程壁面的污垢热阻
，根据换热器不锈钢材质可以查出管壁的导热系数
（3）壳程对流传热系数
其中 蒸汽温度
=120℃， 壁温
需要通过估算来求解，估算公式为
假设
，带入计算，从而求解出壁温数值。然后将壁温值带入再求壳程对流传热系数，通过循环计算，使得壁温和壳程对流系数相对应。通过计算，求的：
℃，
（其中，饱和水的定性温度为115℃，物性参有
(4) 总传热系数K
所以换热器是合适的，安全系数为22.6%
2.2.5 核算压力降
（1） 管程压降
其中
对于不锈钢，取管壁粗糙度 
有
图中差查的
故
（2）壳程压降
流体流经管束的阻力
管子为正三角形排列F=0.5
壳程流通面积 
壳程流体流速及其雷诺数分别为:
流体通过折流板缺口的阻力
总阻力 
2.3确定预热器附件
（1）折流挡板 本设计采用弓形挡板，弓形折流板圆缺高度为壳体外径的20%，即 
，折流板按等间距布置，管束两端的折流板应尽可能靠近壳程进、出口接管，缺口上下排列，名义外直径500mm，厚度8mm，折流挡板间距取B=600mm，所用到的板数。
（2）拉杆 拉杆是折流挡板定位不可缺少的原件。拉杆采用定距管结构，共4根，拉杆直径16mm。拉杆长度按实际需要确定，具体看尺寸图。
（3）外壳 换热器外壳包括壳体与换热器两端的封头---管箱。本设计中，外壳采用碳钢材料，为了保证壳体具有足够的强度，壁厚设计为8mm。管箱设计时在管箱上设计一平盖，便于拆洗。封头与壳体用螺纹连接，以便卸下封头，检查和清洗管子。根据设计规格，本设计的封头为内径500mm的标准椭圆头，厚度8mm，直边高度25mm。
（4）管板 管板式本换热器上的重要零件之一，设计中要考虑管板厚度的计算，以及管板与换热管，壳体及管箱的连接。本设计中管板厚度定为27mm
（5）管板开孔 换热管排列原则如下：换热管的排列应该使整个管束完全对称。在满足布管限定圆直径和换热管与防冲板的距离规定的范围内，应该全部布满换热管。拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。在靠近折流板缺边的位置处应布置拉杆，其间距小于或等700mm。拉杆中心与折流板缺边的距离应尽量控制在换热管中心距的（0.5~1.5）
范围内。
（6）换热器接管 管道中水溶液的流速定为2m/s，所以卤水的进口管管径为
饱和蒸汽的流速定为30m/s，因此饱和蒸汽进口管管径为
因冷凝水的流速一般为0.5m/s，所以冷凝水的出口管径为
(7) 主要连接方式 对于换热器，主要是壳体与管板的连接，换热管与管板的连接和管板与拉杆的连接。
管板与壳体之间采用焊接的形式，换热管与管板也采用焊接的形式，管板与拉杆之间采用螺纹连接。
（8）支座 对于本设计——立式换热器，支座采用耳式支座较好。
2.4 泵的选用
泵的扬程：
，
其中，ρ为
下卤水的密度，经查文献1附录，
得 
① 流动前后流速差：
；
② 本换热器采用立式结构，总高度
，
其他组员设计的换热器高度也是6.5m，选取的高度即为6.5m，
由泵到换热器接管高度选取
， 由换热器到蒸发器水平高度选取
，
故
；
③ 静压头 
；
④ 由上面计算可知，本换热器管程压降
，
第二个换热器管程压降
，
第三个换热器管程压降
，
第四个换热器管程压降
，
故，
输送流体卤水的流量
，
得到泵的工作点：
， 
，
输送流体为卤水，黏度比水大。
综上，查阅文献1附录24，选用IS150—125—250型单级单吸离心泵，
泵的性能参数如下：
2.5换热器主要结构尺寸和计算结果
第三章 设计综述
通过两周的资料查阅、计算核实、画图，本次列管式换热器设计大体完成，当然，还有很多不足之处有待修改，下面是我对本次设计的一些评价与感受。
1、资料查询要有足够的针对性 起初，我为了设计这次的换热器，查询了大量的文献书籍，不同书上有不同的方法，而且部分方法都十分复杂，所以把设计放到了一个特别高的位置，开始研究计算方法，然而问题却没有得到解决，反而更难了。结果，索性就按照书籍上的来，结果计算起来才有了思路，在计算得过程中遇到了难题再去查阅书籍，参考文献，这样效率才得到了大幅度的提高。看来查阅资料不是越多越好呀。
2、计算方法有技巧 这次设计的重点之一就是核算换热器的总传热系数，这个决定了结果是否正确，所以这个也就理所当然是难点之一了。估算了换热器的面积S和传热系数K，接下来就设计换热器的结构和核算传热系数了。设计结构倒是没费太多时间，可是到了核算就头疼了，错了不要紧，一次肯定算不对，可是前面假设的数据太多，数据与数据之间有有联系，牵一发而动全身，一下子就不知所措了。例如，改变了管数，流速，传热面积，对流传热系数等等全都变化。在经过反复计算和总结后，我得出了一定的规律，改变设计的流速对结果很是关键，而且不会把计算得思路搅乱，最后在增大几次减少几次流速之后，最终算出了符合规定的K值。
3、很多不足需补充 本次设计完全是纸上谈兵，所有的东西都是从纸上来最终又落到了纸上，所以在考虑问题时势必会有所欠佳。列如很重要的一点，安全问题。由于参考资料有限，经验不足，安全问题没有考虑很多，算是只能完成换热器的设计要求。除此之外，换热器的组合安装、拆洗、整体大小重量、经济费用等问题都没有过多的涉及在其中。
接下来谈谈收获与感受吧。首先，我学会了按相应的条件查阅资料到筛选有用的资料，并且如何把文献上的资料合理的用到设计中。其次，我更加深入的了解了换热器这个设备的工艺与工程，特别是换热器的零部件的组成和其工作的原理。对于我第一次完成两年内的一项我认为较大型的设计，还是很满足与高兴的，这其中的不足之处我也会多加总结经验，相信下一次设计会更加成果。
第四章 主要符号说明
英文字母
B ------------折流挡板间距，m d----------管径，m
C-------------系数，无量纲 D----------壳体内径，m
f -------------摩擦系数 F----------系数
h ------------圆缺高度，m S------------传热面积，㎡
K------------总传热系数， L-----------管长，m
t -----------冷流体温度，℃ T------------热流体温度，℃
u-----------流速，m/s n ------------程数,指数，管数
W----------质量流量，kg/s N-----------管数，折流板数
V-----------体积流量，m3/s Nu----------努塞尔特准数
P-----------压强，Pa Pr-----------普兰特准数
Q----------传热速率，W r------------气化潜热，kJ/kg
R----------热阻， Re----------雷诺数
希腊字母
ρ---------密度，kg/m3 -------导热系数，W/(m?℃)
-------对流传热系数 ， μ-------粘度，Pa?s
下标
c ----------冷流体 h----------热流体
i -----------管内 o----------管外
m ----------平均 s-------------污垢
第五章 参考文献
（1）贾绍义，柴诚敬. 化工原理课程设计. 天津: 天津大学出版社, 2002
（2）柴诚敬，张国亮. 化工流体流动和传热. 北京: 化学工业出版社, 2007
（3）谭蔚.化工设备设计基础. 天津:天津大学出版社,2010
（4）T.Kuppan.换热器设计手册.北京:中国石化出版社,2004
（5）机械制图
（6）朱跃钊，廖传华，史勇春.传热过程与设备.北京.中国石化出版社,2008