【正文】 ll and tube heat exchanger, the medium is water and Sodium hydroxide solution. The design is in order to learn the structure of the shell and tube heat exchanger, and the design train of thought. First of all, according to the Medium characteristics to choose type heat exchanger. We choose the fixed tube plate heat exchanger about this design. We make structural design on the type. This design mainly includes the following several parts: process design that including selection of heat exchanger, heat exchange area putation, the pressure drop and heat transfer coefficient of the calculation), structural design that including main parts material selection of the heat exchanger and the structure size design, Strength check, etc.Keywords: Fixed tube plate heat exchanger。根據(jù)選擇的類型進(jìn)行工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。目的是為了掌握列管式換熱器的結(jié)構(gòu)，以及設(shè)計(jì)思路。管殼式換熱器的設(shè)計(jì)與分析四 川 理 工 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書設(shè)計(jì)（論文）題目： 年產(chǎn)10萬噸氫氧化鈉溶液列管式換熱器的設(shè)計(jì)與分析 學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)：過程裝備與控制工程 班級(jí)： 學(xué)號(hào) 09011010216學(xué)生： 指導(dǎo)教師： 接受任務(wù)時(shí)間 201 系主任 （簽名）　　院長 （簽名）1．畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容及基本要求 殼程 管程 設(shè)計(jì)壓力（MPa）： 工作壓力（MPa）： 設(shè)計(jì)溫度（ oC ）： 150 90工作溫度（ oC ）： 130（進(jìn)）110（出） 80（進(jìn)）90（出）介 質(zhì)： 水 氫氧化鈉溶液 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%)腐蝕裕度： 0焊縫接頭系數(shù)： 設(shè)計(jì)壽命：10年2．指定查閱的主要參考文獻(xiàn)及說明（1）《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，機(jī)械工業(yè)出版社；（2）《化工設(shè)備》丁作明等編；（3）《機(jī)械制圖》，清華大學(xué)出版社； （4）GB150—2011《壓力容器》； （5）《化工原理》，天津大學(xué)出版社； （6）GB151—1999《管殼式換熱器》； 期刊主要有：《化工機(jī)械》、 《流體機(jī)械》3．進(jìn)度安排設(shè)計(jì)（論文）各階段名稱起 止 日 期1資料收集，閱讀文獻(xiàn)，完成開題報(bào)告3月 1 日至3月24日2完成所有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)計(jì)算工作3月25日至4月21日3完成所有圖紙繪制4月22日至5月22日4完成說明書的撰寫5月23日至6月7日5完成圖紙和說明書的修改，答辯的準(zhǔn)備與畢業(yè)答辯6月 8 日至6月14日摘要換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。本次是設(shè)計(jì)列管式換熱器的設(shè)計(jì)，介質(zhì)為水和氫氧化鈉溶液。首先根據(jù)物料介質(zhì)的特點(diǎn)選取換熱器的類型，此次選用的是固定管板式換熱器。此次設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分：工藝設(shè)計(jì)（主要包括換熱器的選型，換熱面積計(jì)算，壓強(qiáng)降、傳熱系數(shù)的核算）、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（換熱器主要件的材料選用，結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)）、強(qiáng)度校核等。 Process design。換熱器是實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種不同型式和種類的換熱器發(fā)展很快，新結(jié)構(gòu)、新材料的換熱器不斷涌現(xiàn)。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。換熱器是化工生產(chǎn)中重要的單元設(shè)備，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，熱交換器的噸位約占整個(gè)工藝設(shè)備的20%有的甚至高達(dá)30%，其重要性可想而知。以板代管制成的換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好，因此陸續(xù)發(fā)展為多種形式。接著英國用釬焊法制造出一種由銅及其合金材料制成的板翅式換熱器，用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱。在此期間，為了解決強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的換熱問題，人們對新型材料制成的換熱器開始注意。此外，自60年代開始，為了適應(yīng)高溫和高壓條件下的換熱和節(jié)能的需要，典型的管殼式換熱器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。換熱器中流體的相對流向一般有順流和逆流兩種。逆流時(shí)，沿傳熱表面兩流體的溫差分布較均勻。在完成同樣傳熱量的條件下，采用逆流可使平均溫差增大，換熱器的傳熱面積減小；若傳熱面積不變，采用逆流時(shí)可使加熱或冷卻流體的消耗量降低。當(dāng)冷、熱流體兩者或其中一種有物相變化(沸騰或冷凝)時(shí)，由于相變時(shí)只放出或吸收汽化潛熱，流體本身的溫度并無變化，因此流體的進(jìn)出口溫度相等，這時(shí)兩流體的溫差就與流體的流向選擇無關(guān)了。在傳熱過程中，降低間壁式換熱器中的熱阻，以提高傳熱系數(shù)是一個(gè)重要的問題。增加流體的流速和擾動(dòng)性，可減薄邊界層，降低熱阻提高給熱系數(shù)。為了降低污垢的熱阻，可設(shè)法延緩污垢的形成，并定期清洗傳熱面。 換熱器的分類及其特點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)中，由于用途、工作條件（溫度、壓力）和物料特性（介質(zhì)）的不同，出現(xiàn)了各種不同形式和結(jié)構(gòu)的換熱器。（1）表面式換熱器（間壁式）表面式換熱器是溫度不同的兩種流體在被壁面分開的空間里流動(dòng)，通過壁面的導(dǎo)熱和流體在壁表面對流，兩種流體之間進(jìn)行換熱。（2）蓄熱式換熱器蓄熱式換熱器通過固體物質(zhì)構(gòu)成的蓄熱體，把熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，熱介質(zhì)先通過加熱固體物質(zhì)達(dá)到一定溫度后，冷介質(zhì)再通過固體物質(zhì)被加熱，使之達(dá)到熱量傳遞的目的。蓄熱式換熱器通過結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格便宜、單位體積傳熱面積大，故適合氣—?dú)鉄峤粨Q場合。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)，但不適用于流體混合的場合。（3）過濾器過熱器用于把流體（工藝氣或蒸汽）加熱到過熱狀態(tài)。 管殼式換熱器 管殼式換熱器又稱列管式換熱器。我國在發(fā)展不銹鋼銅合金復(fù)合材料、鋁鎂合金及碳化硅等非金屬材料等方面都有不同程度的進(jìn)展，其中尤以鈦材發(fā)展較快。對材料的噴涂，我國已從國外引進(jìn)生產(chǎn)線。近年來國內(nèi)在節(jié)能增效等方面改進(jìn)換熱器性能，提高傳熱效率，減少傳熱面積降低壓降，提高裝置熱強(qiáng)度等方面的研究取得了顯著成績。管殼式換熱器管殼式換熱器是管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等部分組成，殼體多呈圓形，內(nèi)部裝有平行管束或者螺旋管，管束兩端固定于管板上。管束的壁面即為傳熱面。進(jìn)口換熱器，直徑最低可以到8mm。管殼式換熱器，螺旋管束設(shè)計(jì)，可以最大限度的增加湍流效果，加大換熱效率。這種不對稱設(shè)計(jì)，決定其在汽水換熱領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。同時(shí)，由于管殼式換熱器多為金屬結(jié)構(gòu)，隨著中國新版GMP的推出，不銹鋼316L為主體的換熱器，將成為飲料，食品，以及制藥行業(yè)的必選。（1）固定管板式換熱器 固定管板式換熱器的典型結(jié)構(gòu)如圖14所示，管束連接在管板上，管板與殼體焊接。這種換熱器使用于殼側(cè)介質(zhì)清洗且不易結(jié)垢并能進(jìn)行清洗，管、殼程兩側(cè)溫差不大或溫差較大但是殼程壓力不高的場合。 （2）浮頭式換熱器 浮頭式換熱器的典型結(jié)構(gòu)見圖14所示，兩端管板只有一段與殼體固定，另一端可相對殼體自由移動(dòng)，稱為浮頭。管束與殼體的熱變形互不約束，因而不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。隨著浮頭式換熱器的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的發(fā)展，以及長期以來使用經(jīng)驗(yàn)的積累，鉤圈的結(jié)構(gòu)形式也得到了不段的改進(jìn)和完善。 浮頭式換熱器的優(yōu)點(diǎn)是管間與管內(nèi)清洗方便，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力；但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)比固定管板式換熱器高，設(shè)備笨重，材料消耗量大，且浮頭端小蓋在操作中無法檢查，制造時(shí)密封要求高。（3）U形管式換熱器 U形管式換熱器的典型結(jié)構(gòu)見圖16 所示。當(dāng)殼體與U形換熱管由溫差時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)管子泄露損壞時(shí)，只有管束最外圍處的U形管才便于更換，內(nèi)層換熱管不能夠更換，只能堵死，而壞一根U形管相當(dāng)于壞兩根管，報(bào)廢率較高。特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高溫、高壓腐蝕性強(qiáng)的物料。這種換熱器的特點(diǎn)與浮頭式換熱器相類似，浮頭部分露在殼體以外，在浮頭與殼體的滑動(dòng)接觸面處采用填料函式密封結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，加工制造方便，節(jié)省材料，造價(jià)比較低廉，且管束可以從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)、管間都能進(jìn)行清洗，維修方便。填料函式換熱器現(xiàn)在已很少使用。這種換熱器的管束可以分為浮頭式、U形管式和固定管板式結(jié)構(gòu)，所以它具有浮頭式、U形管式換熱器的特性。產(chǎn)氣量大、蒸氣品質(zhì)要求高者蒸發(fā)空間大，否者可以小些。圖18 釜式重沸器 設(shè)計(jì)方法在滿足工藝過程要求的前提下，換熱器應(yīng)該達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。設(shè)計(jì)主要包括殼體形式、管層數(shù)、換熱管類型、管長、管子排列、管子支承結(jié)構(gòu)（如折流板結(jié)構(gòu)等）、冷熱流體的流動(dòng)通道等工藝設(shè)計(jì)和封頭、殼體、管板等零部件的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算。一般已知冷、熱流體的處理量和他們的物性、進(jìn)出口溫度、壓力由工藝要求確定、設(shè)計(jì)中需選擇或確定的數(shù)據(jù)有三大類，即物性數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)。通常的設(shè)計(jì)步驟如圖19所示 主要控制參數(shù)、熱水流量、換熱量、熱媒參數(shù)等。初步估計(jì)換熱面積，一般先假定傳熱系數(shù)，確定換熱器構(gòu)造，再校核傳熱系數(shù)K值。在壓力降，安裝條件允許的前提下，管殼式換熱器以選用直徑小的加長型，有利于提高換熱量。（5）、高溫水進(jìn)入換熱器前宜設(shè)過濾器。在滿足用戶熱負(fù)荷調(diào)節(jié)要求的前提下，同一個(gè)供熱系數(shù)中的換熱器臺(tái)數(shù)不宜少于2臺(tái)，不宜多于5臺(tái)。管殼式換熱器在制作時(shí)，管板與列管的焊接一般采用手工電弧焊，焊縫形狀存在不同程度的缺陷，如凹陷、氣孔、夾渣等，焊縫應(yīng)力的分布也不均勻。研究表明，工業(yè)水無論是淡水還是海水，都會(huì)有各種離子和溶解的氧氣，其中氯離子和氧的濃度變化，對金屬的腐蝕形狀起重要作用。因此，管板與列管焊縫的腐蝕以孔蝕和縫隙腐蝕為主。以海水為介質(zhì)時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生電偶腐蝕。另外，換熱器管板還會(huì)與換熱管之間產(chǎn)生一定的雙金屬腐蝕。碳鋼和不銹鋼在濃度為50%左右的硫酸中腐蝕最嚴(yán)重，而當(dāng)濃度增加到60%以上時(shí)，腐蝕反而急劇下降；（2）雜質(zhì)：有害雜質(zhì)包括氯離子、硫離子、氰離子、氨離子等，這些雜質(zhì)在某些情況下會(huì)引起嚴(yán)重腐蝕（3）溫度：腐蝕是一種化學(xué)反應(yīng)，溫度每提升 10℃，腐蝕速度約增加1~3倍，但也有例外；（4）ph值：一般ph值越小，金屬的腐蝕越大；（5）流速：多數(shù)情況下流速越大，腐蝕也越大?，F(xiàn)西方國家多采用高分子復(fù)合材料的方法進(jìn)行保護(hù)，其中應(yīng)用最多的是美嘉華技術(shù)產(chǎn)品。 換熱器的相關(guān)技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（2）強(qiáng)化技術(shù) 各種新型、高效換熱器逐步取代現(xiàn)有的常規(guī)產(chǎn)品。（3）抗振技術(shù)由于工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的日益增大，換熱器的尺寸也越來越大，因流體誘導(dǎo)振動(dòng)所造圖19 管殼式換熱器的設(shè)計(jì)步驟成的破壞事故顯著增多。（4）大型化和微小型化并重 隨著成套裝置的大型化，換熱器向大型化發(fā)展，同時(shí)由于微電子、航空航天、醫(yī)療化學(xué)生物工程、材料科學(xué)等場合的特殊要求而向微小型化發(fā)展。微小型換熱器與普通換熱器相比。（5）先進(jìn)制造技術(shù) 先進(jìn)技術(shù)制造的進(jìn)步主要表現(xiàn)在各種強(qiáng)化管加工工藝的日漸成熟和新材料焊接工藝水平的提高。（6）防垢技術(shù) 結(jié)垢不僅照成換熱器傳熱傳熱其效率的降低和輸入動(dòng)力的增加，而且大大減少有效傳熱面積和增大材料的浪費(fèi)，甚至是換熱器發(fā)生堵塞失效。（7）研究升段 隨著計(jì)算機(jī)流體力學(xué)（CFD）的發(fā)展和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速進(jìn)步，以及大型商業(yè)化CFD軟件的日益成熟，通過計(jì)算機(jī)程序來對復(fù)雜的流體流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬和仿真已成可能。 隨著工業(yè)中經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)中環(huán)境保護(hù)的要求，制造水平不斷的提高，新能源的逐漸開發(fā)，研究手段日益發(fā)展，各種新思路與新結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)，換熱器將朝著更高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的方向發(fā)展。在管殼式換熱器中包括：固定管板板式換熱器、U形管換熱器、浮頭式換熱器。但殼程不易檢修和清洗，因此殼方流體應(yīng)是較潔凈且不易結(jié)垢的物料。2) U形管換熱器結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，適用于高溫和高壓的場合。3) 浮頭式換熱器管束可以從殼體中抽出，便于清洗和檢修。在本次設(shè)計(jì)中根據(jù)兩種流體溫度的變化情況：水進(jìn)口溫度為130℃，出口溫度為110℃；氫氧化鈉溶液的進(jìn)口溫度為80℃，出口溫度為90℃。兩流體都較潔凈、不易結(jié)垢，兩流體的溫差不大，且操作壓力與溫度也較低，所以選擇固定管板式換熱器就能滿足本次設(shè)計(jì)的要求。主要目的是把氫氧化鈉溶液加熱到指定溫度。 初選換熱器的規(guī)格 物性的確定 表21 介質(zhì)的物性密度/(kg/m3)比熱容/(kJ/kg.℃)粘度/導(dǎo)熱系數(shù)/(W/m. ℃)NaoH溶液14303483水4252 計(jì)算熱負(fù)荷和氫氧化鈉溶液的流量按300個(gè)工作日計(jì)算，一天工作12個(gè)小時(shí)。按單殼程，多管程進(jìn)行計(jì)算，逆流時(shí)