F30連續(xù)攪拌蛇管式換熱器設計,f30,連續(xù),攪拌,蛇管式,換熱器,設計 F30連續(xù)攪拌蛇管式換熱器設計 摘 要 換熱器在許多領域都有著廣泛的應用，是很多工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的設備，在當今能源緊缺的時代，換熱器為世界能源危機的緩解起著非常重要的作用，它的改進和發(fā)展一直是各個國家及研究機構的重要研究項目。 本換熱器的設計類型為連續(xù)攪拌蛇管式換熱器，通過查閱與換熱器相關的資料以及前人對換熱器設計經(jīng)驗總結，對換熱器的作用和工作原理有一定的了解，然后根據(jù)本換熱器的設計要求整理出設計的工作重點和順序。然后根據(jù)設計的要求的，例如介質(zhì)的溫度，設備的壓力范圍，還有換熱面積，對本設計換熱器進行各種參數(shù)的計算，以及材料的選擇，完成換熱器結構的大體設計，零部件的設計，以及安裝的步驟和設備的防腐設施。并根據(jù)計算出的數(shù)據(jù)繪制換熱器的裝配圖和零件圖。 在設計時，我們必須按照正確的設計步驟和方法來進行設計，而且設計中各種參數(shù)要符合國家的標準和規(guī)定，嚴格執(zhí)行要求，才能設計出符合設計要求且能夠安全進行換熱工作的F30連續(xù)攪拌蛇管式換熱器。 關鍵詞：連續(xù)攪拌蛇管式換熱器；結構設計；溫度；強度；材料 ABSTRACT Heat exchangers in many areas have a wide range of applications, is a lot of industrial production process essential equipment, in today's energy shortage era, the heat exchanger for the mitigation of the world energy crisis plays a very important role, its improvement And development has been an important research project for various countries and research institutions. The design of the heat exchanger type of continuous mixing tank heat exchanger, through access to heat exchanger and other relevant information and previous experience on the heat exchanger design summary of the role of the heat exchanger and the working principle of a certain understanding, And then according to the design requirements of the heat exchanger finishing the design priorities and order. And then according to the design requirements, such as the temperature of the medium, the pressure range of the equipment, as well as the heat transfer area, the design of the heat exchanger for a variety of parameters, as well as the choice of materials to complete the heat exchanger structure of the general design, Parts of the design, as well as the installation steps and equipment of the anti-corrosion facilities. And according to the calculated data to draw the heat exchanger assembly drawings and parts drawings. In the design, we must follow the correct design steps and methods to design, and the design of various parameters to meet the national standards and regulations, strict implementation requirements, in order to meet the design requirements and can be safe for heat transfer work F30 Continuous stirring tank type heat exchanger. Key words: continuous stirred tank tube heat exchanger; structural design; temperature; strength; material  目錄 1 緒論 1 1.1 設計的目的和意義 1 1.2 換熱器的發(fā)展動向 3 1.3 設計的任務 3 2 蛇管換熱器的主體設計 4 2.1 沉浸式蛇管換熱器設計工藝參數(shù)及要求 4 2.2 介質(zhì)進入蛇管內(nèi)、外的選擇 4 2.3 介質(zhì)流速的選擇 4 2.4 蛇管管徑的選擇和材料的選擇 4 2.5 蛇管組數(shù)和長度的確定 5 2.6 筒體直徑及材料的選取 6 2.7 蛇管換熱器的管間距、中心直徑、圈數(shù)的確定 6 2.7.1 蛇管圈中心直徑 6 2.7.2 蛇管換熱器的管間距 6 2.7.3 每組蛇管的圈數(shù) 6 2.7.4 每組蛇管高度 7 3 換熱器的零部件設計 8 3.1筒體壁厚的設計 8 3.2 封頭尺寸及材料的確定 9 3.3 換熱器支座的設計 9 3.4 吊耳的設計 10 3.5 簡體法蘭的設計 11 4 換熱器零部件的校核 12 4.1 筒體壁厚校核 12 4.1.1 液壓試驗應力校核 12 4.1.2 工作條件應力校核 12 4.2 封頭壁厚計算、校核及尺寸的確定 13 4.2.1 封頭壁厚的計算 13 4.2.2 封頭壁厚校核 13 4.2.3 封頭尺寸的確定 14 5 攪拌器裝置的設計 15 5.1 攪拌器的類型 15 5.2 攪拌器的選型 15 5.3 攪拌功率的計算 15 5.4 攪拌軸設計 18 5.4.1 強度及剛度計算 18 5.5 傳動裝置的選擇 19 5.5.1 電動機的選用 20 5.5.2 減速機的選用 21 5.5.3 機座的選擇 21 5.5.4 聯(lián)軸器的選用 22 6 換熱器的防腐 24 6.1 換熱器的腐蝕機理 24 6.1.1 化學腐蝕 24 6.1.2 電化學腐蝕 24 6.1.3 磨損腐蝕 24 6.2 防腐措施 25 6.2.1 正確選用耐蝕材料 25 6.2.2 表面涂覆層保護 25 6.2.3 電化學保護 26 6.2.4 腐蝕介質(zhì)的處理和控制 26 7 換熱器的安裝、使用、維修 27 7.1 換熱器的安裝 27 7.2 換熱器的清洗 27 7.2.1 化學清洗法 28 7.2.2 機械（物理）清洗法 28 7.2.3 清洗時的注意事項 28 7.3 換熱器的維修 28 參考文獻 29 致謝 30 6 1引言 1.1設計的目的和意義 換熱器在許多行業(yè)都起著重要作用，像制冷、化工、冶金以及輕工等行業(yè)換熱器都是必不可少的設備?，F(xiàn)在世界處在一個高速發(fā)展的的時代，能源的消耗量很大，因此對能源的利用方案以及節(jié)能設備的需求更迫切，換熱器就是其中之一，各國的科研院及科研機構對換熱器的研究非常重視，換熱器的發(fā)展也向著更好，更節(jié)能接近，我們換熱器產(chǎn)品的設計也需要更好、更快的完成，也需要根據(jù)市場的需求對換熱器進行專業(yè)化、特殊化，以適應復雜的、高效的的換熱需求。 連續(xù)攪拌蛇管式換熱器是一種簡單的管殼式換熱器，它通過彎曲成平板或圓柱形的蛇管進行換熱工作。它具有結構簡單，占用空間小，良好的抗壓性能，制造起來也非常方便廉價，廣泛適用于很多場合。傳統(tǒng)的蛇管式換熱器設計計算工作量大，效率非常低，而且不能在設計的過程中對換熱器的性能進行優(yōu)化和提升，甚至有時候換熱器已經(jīng)設計完成，卻不能符合設計的要求，導致了資源能源的浪費。 認真了解設計給定的蛇管式換熱器的各種參數(shù)，深入閱讀有關的換熱器設計手冊，對連續(xù)攪拌蛇管式換熱器的總體結構以及各個零部件的結構和尺寸進行計算和設計，接著進行殼體，和各種零部件的強度以及性能的校核。 通過實體造型繪制出零部件的三維圖形，這樣可以更加清楚的表達出結構，我們再設計換熱器過程中也可以試著對換熱器的性能進行優(yōu)化和提升，結合工藝，對換熱器的制造過程進行簡化和提高，還可以降低制造成本。 換熱器是幫助兩種介質(zhì)之間傳遞熱能的設備，使其中一種介質(zhì)的溫度達到工作的要求。采用各種不同的換熱器，對各種等級的能量進行合理的利用，也能降低產(chǎn)品的能源消耗，獲得更好的經(jīng)濟效益。 各種工業(yè)對換熱器的需求也不盡相同，換熱器也隨之出現(xiàn)了許多不同的類型，最常見的換熱器就是管殼式換熱器，它在各個領域應用廣泛，雖然其他的換熱器的使用也在逐漸增加，但是相對而言，管殼式換熱器它的適應性廣，前景遠。 連續(xù)攪拌蛇管換熱器是管殼式換熱器的一種，在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用到，此類換熱器的結構簡單，制造成本低，而且方便操作管理，抗壓性能良好。 此形狀的蛇管換熱器是由殼體、支撐輔助零部件組成，結構如圖所示： 圖1連續(xù)攪拌蛇管換熱器示意圖 但是蛇管式換熱器也存在缺點，容器內(nèi)介質(zhì)的流動速度不快，傳熱效率低，，本設計家里攪拌器來增加介質(zhì)的流速，但總體設備比較笨重。 如今，因為技術和設計的原因，各種換熱器的結構存在著不緊湊的缺點，而且換熱面積不夠大，傳熱效果也不好，而且浪費材料?，F(xiàn)在各種科研機構對換熱器的研究方向是提升換熱效率，對換熱器的材料和主體結構進行改進優(yōu)化。 對于換熱器的節(jié)能，最常見的提升換熱技術。它是通過對影響換熱器換熱的各種因素進行研究和計算，采取更加優(yōu)好的技術和措施提高換熱效率。提升換熱效果的重點有兩方面：提升換熱效率、增大換熱面積?，F(xiàn)在，所有對換熱器的優(yōu)化也正是從這兩方面進行的。 管殼式換熱器是優(yōu)化管道的外形，間接增加傳熱面積，或者是對課程介質(zhì)進行攪拌，加速流體流速，還有擴展換熱面積，提高換熱效率，從而提升換熱器的節(jié)能。 雖然管殼式換熱器有缺陷，它的主體結構不緊湊，換熱效率低，而且制造換熱器的材料用量比其他類型都多，但是管殼式換熱器比起其他類型的換熱器也有著它的優(yōu)勢，它的結構比其他的換熱器簡單，因此更容易制造，而且很多材料都能用于管殼式換熱器的制造，它的結構方便了清洗，并且有良好的抗壓性能，也能適應很多種工業(yè)生產(chǎn)的需求，這些優(yōu)點使得他在諸多行業(yè)任然是換熱器類型的首選。 1.2 換熱器的發(fā)展動向 上文說過，全球資源的緊缺，使全球對資源的利用和各種節(jié)能設備的研究都格外重視，各國以及各種研究機構對換熱器的研究也是非常深入的。換熱器的發(fā)展也在不斷進步。換熱器的研究應該把重點集中在換熱器換熱效率和節(jié)能上。通過對實驗數(shù)據(jù)進行分析研究，追求最節(jié)能的換熱器參數(shù)值及良好的性能。 現(xiàn)在世界都在追求環(huán)保節(jié)能，所以換熱器的發(fā)展也要跟著時代的發(fā)展，不斷的提高換熱器的換熱效率和換熱器的節(jié)能效果。這也是以后購買換熱器的商家所看重的。 1.3 設計的任務 如今世界經(jīng)濟發(fā)展的主題不再是一味追求經(jīng)濟的增長，而是節(jié)能環(huán)保。世界經(jīng)濟日趨全球化，許多企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模日益擴大，經(jīng)濟發(fā)展離不開能源，經(jīng)濟的快速發(fā)展需要充足的能源來支持，開發(fā)節(jié)能設備和提升設備的能源利用率成為企業(yè)發(fā)展的核心。 本設計課題主要是對換熱器的機械結構部分進行設計，并對設計后的換熱器和零部件的各項參數(shù)進行強度和性能的校核。各項參數(shù)必須符合國家的規(guī)定，且能讓換熱器安全工作。 在設計過程中，我們需要試著優(yōu)化設計，使換熱器更容易生產(chǎn)，以及讓安裝和清洗換熱器變得容易。 2 沉浸式蛇管換熱器的主體設計 2.1 沉浸式蛇管換熱器設計工藝參數(shù)及要求 表1 設計參數(shù)和要求 項目 設計要求 1 管程介質(zhì) 苯蒸氣 2 殼程介質(zhì) 水 3 管程設計壓力 0.30MPa 4 殼程設計壓力 0.15MPa 5 管程設計壓力 145℃ 6 殼程設計溫度 75℃ 7 攪拌轉速 95r/min 8 電機功率 5.5kW 9 換熱面積 30m2 10 腐蝕余量 自定 2.2 介質(zhì)進入蛇管內(nèi)、外的選擇 因為循環(huán)冷卻水走管程，苯蒸氣走殼程，不光便于清潔污垢，而且換熱效果良好，因此選用此種方式。 2.3 介質(zhì)流速的選擇 介質(zhì)流速大小會影響換熱效果。流速過大，雖然能減少換熱面積，但動力的消耗也會變大。流速過小，有可能導致介質(zhì)形成沉淀可能對管道造成堵塞。根據(jù)《管殼式換熱器》的換熱器常用流速范圍為24m/s，選取介質(zhì)流速為。 2.4 蛇管管徑和材料的選擇 綜合考慮到蛇管的制造和加工難度，選取管徑為，材料為碳鋼。 2.5 蛇管組數(shù)和長度的確定 體積流量可以通過公式（1）（《管殼式換熱器》公式8-1）求得。 (1) 蛇管的長度可由公式（2）（《換熱器設計手冊》公式8-3）計算。 （2） 表2 蛇管組數(shù)和長度的確定步驟 1 蛇管內(nèi)徑，mm 2 體積流量，mm 3 介質(zhì)流速， 4 蛇管內(nèi)徑的計算公式 5 體積的流量 6 蛇管的長度的計算公式 7 換熱面積， 8 d0 蛇管外徑 9 設計的換熱面積F 30m2 10 選用的蛇管管徑 25x2.5mm 11 舍管外徑 27.5mm 12 帶入公式(2)計算蛇管長度得 因為管長為，太過于長，不便于苯蒸氣在蛇管中的運動，甚至會發(fā)生凝液聚集的情況，導致?lián)Q熱器的換熱效率降低。為了避免這種情況的出現(xiàn)，將蛇管的設計進行優(yōu)化，設計為同心圓的兩組蛇管。因此所以每組蛇管長的長度為 2.6 筒體直徑及材料的選取 通過查《化工設備設計基礎》表16-3，選用標準系列尺寸DN=1800mm公稱直徑筒體，碳素鋼板卷制而成。綜合考慮到本換熱器要求的壓力和溫度要求較低，因此選擇最合適，而且價格合適的材料Q235-A碳素鋼為制造筒體的材料。其性能符合設計要求且價格合適。 2.7 蛇管換熱器的管間距、中心直徑、圈數(shù)的確定 2.7.1 蛇管圈中心直徑 外圈中心圓直徑可由公式（3） （3） 式中 —容器內(nèi)徑，。 將代入上式，蛇管中心圓直徑不能小于8 ，可取 。 內(nèi)圈中心圓直徑，t為蛇管內(nèi)圈與外圈之間的距離，通常取，此處取，代入數(shù)據(jù)可得。 2.7.2 蛇管換熱器的管間距 蛇管間距一般取取。 每圈蛇管長度： 根據(jù)公式可求得：外圈mm 內(nèi)圈mm 2.7.3 每組蛇管的圈數(shù) 蛇管的圈數(shù)n的計算公式為： （4） 將數(shù)據(jù)代入可得外圈蛇管的圈數(shù)，內(nèi)圈蛇管的圈數(shù)。由于內(nèi)圈和外圈圈數(shù)數(shù)相差比較大，取內(nèi)外圈都為37圈。 2.7.4 每組蛇管高度 通過查（《管殼式換熱器》第330頁公式7-6）知蛇管高度的計算公式為： （5） 代入數(shù)據(jù)得內(nèi)外圈蛇管的高度。 3 換熱器的零部件設計 3.1筒體壁厚的設計 筒體壁厚的計算公式為： （6） 表3 壁厚設計過程參數(shù)計算 1 參數(shù) 含義 2 筒體計算壁厚， 3 計算壓力， 4 筒體直徑 5 焊縫系數(shù) 6 試驗溫度下的許用應力， 7 150℃下的許用應力 8 設計壓力 9 筒體直徑 10 考慮換熱器為冷熱交替物品，屬于受壓縮應力的元件 焊縫系數(shù)=1.0 11 代如公式（6） 計算結果為。 國家標準GB151圓筒規(guī)定的最小厚度取名義厚度，鋼板負偏差厚度，腐蝕余量取，因此筒體有效厚度為。 3.2 封頭尺寸及材料的確定 橢圓形的封頭，具有安裝方便，對換熱器清洗容易等優(yōu)點，因此被廣泛應用，所以本文也選用橢圓形的封頭。選擇鋼材Q235A作為制造材料，公稱直徑為，省去選用其他材料的時間，而且方便制造和加工。 圖2 封頭 3.3支座的設計 換熱器的支座是用來支撐設備并對設備的位置進行固定的裝置，是一種必須的零部件。 換熱器支座常見的幾類：支承式支座、鞍式支座以及懸掛式支座。 懸掛式支座在各種小型的立式設備中都被廣泛應用，它是將兩塊肋板和一塊底板焊接在一起制造而成。根據(jù)本換熱器的設計需求，和其他各種因素，本設計選用A型懸掛式支座，查《化工設備設計基礎》338頁表16-15可得符合支座的支座的支承面積、允許負荷和支承面上單位壓力的支座的結構尺寸如下。 表4 支座的結構尺寸大小 尺寸 大小 H 160mm b 100mm S 6mm a 80mm c 125mm f 30mm S1 8mm d 25mm 直徑 20 詳細的支座結構已繪制成圖。 3.4吊耳的確定 考慮到設計換熱器為立式結構，質(zhì)量大，因此選用板式吊耳，結構如下 圖3 吊耳 3.5筒體法蘭的設計 法蘭是經(jīng)常用于兩個可拆卸零部件之間的連接，利用法蘭的連接具有價格便廉，密封性很好，適用范圍廣等諸多優(yōu)點。 根據(jù)設計需求，本換熱器用甲型平焊法蘭進行連接，材料為Q235A鍛件。通過查《化工設備機械基礎》第329頁表16-12可得知甲型平焊法蘭公稱壓力，再根據(jù)公稱壓力和公稱直徑查《化工設備機械基礎》第330頁表16-13可知符合公稱壓力和公稱直徑的法蘭結構尺寸，其結構尺寸大小如下。 表5 法蘭的結構尺寸大小 結構尺寸 大小 D 1030mm D1 990mm D2 955mm D3 945mm D4 942mm d 44mm b 23mm 螺栓 20 4 換熱器零部件的校核 4.1 筒體壁厚校核 4.1.1 液壓試驗應力校核 筒體試驗壓力計算值的計算公式為： （7） 表6 液壓試驗應力校核 1 材料在合適試驗溫度下的許用應力 125 2 代入公式（7） 3 筒體試驗壓力計算值 4 常用屈服極限 =235MPa 5 6 帶入公式（9）計算液壓試驗下圓筒應力 7 計算值 8 計算得知< 所以筒體的校核結果合格 液壓試驗允許通過的壓力的計算公式為：（8）計算。 （8） 液壓試驗下圓筒應力的計算公式為: （9） 4.1.2 工作條件應力校核 設計溫度下的計算應力的計算公式維： （10） 將數(shù)據(jù)代入得。 允許通過的最大應力 所以<,故校核結果合格。 4.2 封頭壁厚計算、校核及尺寸的確定 4.2.1 封頭壁厚的計算 筒體壁厚的計算公式維： （11） 上文已經(jīng)選取封頭的材料為Q235A,可查得該材料在150℃以下的，筒內(nèi)最高壓力為設計任務書給出的設計壓力 將以上數(shù)據(jù)代入公式（9），得。 表7 封頭尺寸大小 厚度（mm） 名義壁厚 10 鋼板負偏差厚度 0.6 腐蝕余量 3.4 筒體有效厚度 6 4.2.2 封頭壁厚校核 （1）封頭壁厚條件驗算 0.15%，而>0.15%，故計算的壁厚符合要求。 （2）封頭應力校核 封頭允許的最大應力的計算公式維： （12） K是橢圓形封頭形狀系數(shù)，選取標準橢圓形的封頭，其長短軸之比值為2，所以K=1，將有關數(shù)據(jù)代入公式（12）得 所以<,故校核結果合格。 4.2.3 封頭尺寸的確定 上面已經(jīng)選定封頭的公稱直徑為1800,根據(jù)《化工設備設計基礎》第105頁表可查得 表8 封頭尺寸 封頭尺寸 數(shù)值（） 曲面高度（） 250 直邊高度（） 40 厚度（） 10 5 攪拌器裝置的設計 5.1 攪拌器的類型 攪拌器廣泛應用于各種換熱器，它的作用是加快換熱器中管外介質(zhì)的流動，降低滯流層的積累，增大管外介質(zhì)的給熱系數(shù)，可以提高換熱器的傳熱效果，間接增強換熱器的換熱能力。 攪拌器主要分為四種，有槳式、渦輪式、框式和推進式攪拌器，下面簡單介紹他們的結構和特點。 5.2 攪拌器的選型 攪拌器有很多種類，每種的作用雖然一樣，但他的使用范圍不同，因此我們選用攪拌器的時候要考慮到他的功能和實際使用的效能。每種攪拌器生產(chǎn)的結構和工藝也各有不同。為了更好的產(chǎn)品質(zhì)量和便于日后的維修等原因。我過對與幾種常用攪拌器制訂了相關標準。 通過查閱相關的資料和數(shù)據(jù)，和已有前人對換熱器設計的經(jīng)驗，結合本換熱器的設計要求，綜合考慮選用渦輪式攪拌器。 渦輪式攪拌器廣泛應用于化工業(yè)和機械行業(yè)，在很多設備中都有良好的表現(xiàn)。 而且渦輪式攪拌器的技術指標又合乎設計要求。攪拌器的直徑要考慮能量的消耗，葉輪葉片的直徑大小會影響到排出流量，從而影響能量的消耗。我們要選擇合適的攪拌器維持筒內(nèi)介質(zhì)良好的流動狀態(tài)，以達到我們設計的要求。 渦輪式葉輪的直徑的選擇： 渦輪式葉輪的直徑與圓筒直徑之比d/D通常為0.25~0.5，故選取渦輪攪拌器的葉輪直徑為mm，材料為Q235-A。 5.3 攪拌功率的計算 攪拌器可以對換熱器中管外介質(zhì)進行攪拌，加快介質(zhì)的流懂，溫度較高的介質(zhì)得到更快的冷凝，從而使兩介質(zhì)間的換熱效率提升。攪拌器攪拌需要我們提供一定的動力。下面計算攪拌功率，為選取傳動裝置提供參考。 表9 影響攪拌裝置的攪拌功率主要因素 影響方式 具體影響因素 攪拌介質(zhì)的物性 介質(zhì)的密度大小、液相介質(zhì)粘稠度、固體顆粒和氣體介質(zhì)通氣率等。 攪拌器的運行參數(shù)和結構 攪拌器的轉速大小、槳葉的數(shù)量、槳葉的傾角大小、槳葉直徑和寬度、攪拌器的類型等。 攪拌槽的結構參數(shù) 有無擋板以及導流筒、導流筒直徑大小、攪拌槽內(nèi)徑和高度等都能影響攪拌功率。 其他 重力加速度等 綜合因素的影響，可用公式（13）來表示。 （13） 表10 公式中各種參數(shù)的含義 1 B 槳葉的寬度，m 2 d 攪拌器的直徑，m 3 D 攪拌容器內(nèi)直徑，m 4 Fr 弗勞德數(shù), 5 h 液面高度,m 6 系數(shù) 7 n 轉速，s-1 8 Np 功率準數(shù) 9 攪拌功率，W 10 指數(shù) 11 雷諾數(shù)， 12 密度，kg/m3 13 粘度，Pa·s 雷諾數(shù)是指流體慣性力和粘滯力的比值，通過試驗，可以證明，當雷諾數(shù)Re﹥300時，弗勞德數(shù)對換熱器的影響不大，可以忽略其影響。因為在Re中包含了攪拌器的轉速、槳葉的直徑大小以及流體的密度和黏度。在實驗中需要對無關參數(shù)進行設定，最后利用試驗得出功率準數(shù)和雷諾數(shù)的函數(shù)關系。通過實驗我們可以知道，所有功率準數(shù)和雷諾數(shù)的關系方程都有條件、范圍限制的。最明顯的是，對不同的槳葉類型，關系曲線是不同的，它們的Np-Re關系曲線也會不一樣。本設計中殼程介質(zhì)為水，這里水的物理性質(zhì)設定為在32.5 ℃下的數(shù)據(jù)，在32.5 ℃下水的密度，粘度 雷諾數(shù)的計算公式為： （14） 表11 攪拌功率的計算 槳葉公稱尺寸（） 轉速（n） 水的粘度（） 水的密度（） 雷諾數(shù)計算公式 雷諾數(shù)（） 1702973 功率準數(shù)（） 4.2 攪拌功率計算公式 攪拌功率 5.15（kw） 修正系數(shù) 1.05 功率 5.41（kw） 5.4 攪拌軸設計 5.4.1 強度及剛度計算 攪拌軸的直徑的選取需要考慮到軸的強度以及剛度的要求。 （1）軸的強度計算 攪拌軸在攪拌的過程中，會傳遞扭矩和彎矩，但在這里彎矩和扭矩相比，彎矩的作用可以忽略不計，只考慮扭矩，計算更加簡單可行，只考慮扭矩。忽略彎矩不算會產(chǎn)生誤差，通過安全系數(shù)的計算可以減小誤差。只傳遞扭矩的圓截面軸，其強度根據(jù)公式（16）（《化工設備機械基礎》公式11-1）計算。 (15) 表12 界面上的最大剪應力 周所傳遞的扭句 抗鈕截面系數(shù) 降低之后的扭轉需用剪應力 扭轉試驗所得的強度極限或者屈服極限除以安全系數(shù)決定了攪拌軸扭轉時材料的許用剪應力。查閱相關資料和實驗數(shù)據(jù)可知，在靜載荷作用下，鋼材的扭轉許用剪應力，約為拉伸許用應力的0.5～0.6倍，具體倍數(shù)按照嚴格的標準和規(guī)定來選取。 攪拌軸不僅受扭轉作用，而且受彎曲作用，因為不是靜載荷，所以許用應力值通常選較低值，如Q235-A鋼取=120～200。 表13 軸徑的計算過程 參數(shù)及計算公式 數(shù)值 攪拌軸的攪拌功率（kw） 5.41（kw） 攪拌軸的轉速（r/min） 軸所傳遞的扭矩計算公式 軸的許用剪應力 續(xù)表 參數(shù)及計算公式 數(shù)值 抗扭截面系數(shù)計算公式 降低之后的扭轉需用剪應力 攪拌軸的直徑計算公式 攪拌軸的材料 45號鋼 攪拌軸的直徑(mm) 對于攪拌器轉軸的直徑，為了設計工作及加工的方便，我們可以取整為標準值，查與攪拌器轉軸相關的標準表，取整攪拌軸直徑為0.085. 5.5 傳動裝置的選擇 本設計中攪拌軸要由電動機和傳動裝置帶動轉動。根據(jù)通常換熱器的結構，傳動裝置安裝在換熱器的頂部，本設計為蛇管式換熱器，因此選擇安裝在頂部，而且為立式。 圖4 攪拌器的傳動裝置 如圖（4）所示。頂部是電動機，提供攪拌所需的動力。電動機下面安裝一個減速機，調(diào)節(jié)減速機來實現(xiàn)攪拌器需要的攪拌速度。減速機下面的聯(lián)軸器與攪拌軸相連接，為攪拌軸的轉動提供動力。減速機安裝在機架上面，可以使傳動傳動裝置與軸封裝置安裝時維持一定的同心度，同時也方便裝卸檢修，機架下面還安裝了一個底座。 5.5.1 電動機的選用 電動機是能源裝置，為攪拌器提供動力，換熱器的常用電動機系列有：Y、YB、Y-F、YXJ等幾種，這幾種電動機的特點和使用范圍如下： 表 14換熱器及反應釜常用電動機 名稱 型號 結構特征 異步電動機 Y 鑄鐵制造的外殼，小機座上有散熱筋，鑄鋁鼠籠轉子 隔爆型異步電動機 YB 防爆式、鋼板外殼、鑄鋁轉子，小機座上有散熱筋 化工防腐用異步電動機 Y-F 結構同Y型，采取密封及防腐措施 擺線針輪減速異步電動機 YXJ 由封閉式異步電動機與擺線針輪減速器直聯(lián) 異步電動機的同步轉速一般按電動機的級數(shù)有3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min和600r/min等幾種。 綜合考慮攪拌速度和相關因素，選用Y2006作為攪拌器的電動機。 5.5.2 減速機的選用 換熱器和反應釜用的電動機大部分是跟減速機配套使用的，因此減速器的選用應根據(jù)設計的要求和上文選擇的電動機相符合。使用和電動機一樣的立式減速機，立式減速機的類型主要有：擺線針輪行星減速機、齒輪減速機以及V形皮帶減速機和圓柱蝸桿減速器四種。有的結構簡單，易于安裝，有的適應范圍廣，即便是很困難的生產(chǎn)環(huán)境，有的制造簡單，價格低廉，有的換熱效率高，具有良好的性能，能夠在換熱過程中保證生產(chǎn)的安全，換熱器繁雜的種類正是為了針對客戶的不同的需求。國家機械工業(yè)部和化工部為這些減速機定制了標準系列，而且在有關工廠定點生產(chǎn)?；ぶ谐Ｓ玫膸追N減速機的特點。 表15幾種常用的立式減速器的基本特征 特性參數(shù) 減速器類型 擺線針輪行星減速器 齒輪減速器 V形皮帶減速器 圓柱蝸桿減速器 傳動比i 9～87 12～6 4.53～2.96 80～15 輸出軸轉速（r/m） 17～160 65～250 200～500 12～100 輸入功率KW 0.04～55 0.55～315 0.55～200 0.55～55 傳動效率 0.9～0.95 0.95～0.96 0.95~0.96 0.8~0.93 傳動原理 利用少齒差內(nèi)嚙合行星傳動 兩級同中心距并流式斜齒輪傳動 單級V形皮帶傳動 圓弧齒圓柱蝸桿傳動 主要特點 其應用范圍廣泛，獨特的平穩(wěn)結構在某些情況下可以替代普通圓柱齒輪減速機、渦輪蝸桿減速機，結構非常緊湊，精度很高，使用壽命較長，額定的輸出扭矩可以很大，因此承載能力強。 其優(yōu)點是在同一傳動比范圍內(nèi)，相對體積小，傳動效率較高，制造成本較低，結構相對簡單，而且方便裝配檢修，允許正反轉，不能承受多余的軸向載荷。 其結構簡單，但過載時會產(chǎn)生打滑，皮帶彈性較大，會產(chǎn)生變形，起安全保護作用，但也因此不能保持精確的傳動比。 其結構簡單，緊湊，因此體積小，而且重量輕，凹凸面圓弧齒廓嚙合度高，磨損小，發(fā)熱低，效率高，而且承載能力非常好。 通過查閱上面表格所列出的各種立式減速機的優(yōu)點，因此選用擺線針輪行星減速機，它符合本換熱器設計中攪拌軸所需要的強大承載能力，選取的減速機的型號為XLD22-22,傳動比i=10。 5.5.3 機座的選擇 立式傳動裝置通常是和機座一起安裝在換熱器封頭的底座上的，機座的選用需要考慮機座上還要容納軸封裝置和聯(lián)軸器等零部件，再根據(jù)所用減速機的輸出軸軸徑及其安裝定位面的結構尺寸選擇合適的機座。機座分為不帶支承的機座和帶中間支承的機座兩種。 機座的尺寸，結構等相關部門都有相應的標準和規(guī)定。經(jīng)查閱國家相關標準，根據(jù)攪拌軸的轉速，綜合考慮后，選取可以承受軸向力、公稱直徑為500mm的單支點機座，其材料為Q235A。 5.5.4 聯(lián)軸器的選用 表16 幾種聯(lián)軸器的性能和優(yōu)缺點 類型 小類型 性能和優(yōu)缺點 固定式聯(lián)軸器 凸緣聯(lián)軸器 它有著簡單的結構，可以承受大的扭矩，而且他的制造成本低廉，加工容易，被廣泛應用于各個領域。但是它要求高技術的安裝，而且傳遞載荷時不能對振動進行緩和和吸收。凸緣軸通常用來連接剛度大、，傳動平緩的軸，公稱扭矩范圍國家有規(guī)定的標準系列。 夾殼聯(lián)軸器 夾殼聯(lián)軸器的優(yōu)點是安裝和拆卸起來非常方便，但其不能用于有沖擊的重載荷傳動。通過軸與夾殼間的摩擦力來其扭矩的傳遞的。 三分式聯(lián)軸器 三分式聯(lián)軸器的使用范圍與夾殼聯(lián)軸器相同，但其裝拆非常麻煩。其結構特點跟夾殼聯(lián)軸器的結構相似，上段為凸緣結構，下段為夾殼結構，兩半夾殼的頂端均制成半凸緣結構，使之與上段軸聯(lián)接 可移式聯(lián)軸器 彈性塊式聯(lián)軸器 彈性塊聯(lián)軸器具有簡單的結構，而且結構緊湊，制造加工工藝簡單，制造成本低廉，具有良好的減振和緩沖能力。經(jīng)常用于兩同軸部件之間的連接。 彈性套柱銷聯(lián)軸器 這種聯(lián)軸器通常是由非金屬而且具有良好的彈性的材料制造的柱銷，將它放在兩半聯(lián)軸器凸緣孔中，用這種聯(lián)軸器聯(lián)接兩半聯(lián)軸器。它具有結構簡單，制造簡單，安裝簡單等優(yōu)點。 彈性柱銷齒式聯(lián)軸器 彈性柱銷齒式聯(lián)軸器和彈性套柱銷聯(lián)軸器具有相同的作用，也是由非金屬材料制成的柱銷，它位于兩個半聯(lián)軸器的對空中，用來在兩半聯(lián)軸器傳遞轉矩。 綜合比較幾種聯(lián)軸器，凸緣聯(lián)軸器的應用更加廣泛，價格廉價，而且可以傳遞較大的扭轉力，符合設計要求，因此選取凸緣聯(lián)軸器來實現(xiàn)扭矩的傳遞。 6 換熱器的防腐 腐蝕問題是化工機械設備中不可避免的問題，它造成的影響包括設備的使用壽命變短，設備和裝置的過早報廢，而且對環(huán)境造成污染，同時對新技術的的發(fā)展嚴重影響。根據(jù)報告顯示，各國的經(jīng)濟發(fā)展水平不用，加上腐蝕控制技術的先進程度有差異，因此腐蝕危害對經(jīng)濟造成的損失也不一樣，我國情況尤其嚴重，數(shù)據(jù)表明由于腐蝕造成的破壞經(jīng)濟損失占到了我國國民生產(chǎn)經(jīng)濟生產(chǎn)總值中非常大的一部分。 換熱器時在很多工業(yè)產(chǎn)業(yè)廣泛應用的一種設備，用于兩種溫度不一樣的介質(zhì)之間傳遞熱能的常用設備。換熱器的換熱狀況對整個系統(tǒng)的平穩(wěn)運行以及生產(chǎn)綜合經(jīng)濟指標都有著重要影響,對生產(chǎn)設備的安全、穩(wěn)定地長期運行起著至關重要的作用。 6.1 換熱器的腐蝕機理 6.1.1 化學腐蝕 ?金屬與周圍物質(zhì)發(fā)生化學反應所引起的腐蝕叫做化學腐蝕。化學腐蝕發(fā)生在金屬的表面上，過程中不會產(chǎn)生電流?；瘜W腐蝕的產(chǎn)物分兩種情況： （1）化學腐蝕的產(chǎn)物很穩(wěn)定，不易揮發(fā)、溶解，而且組織致密，與金屬本體結合牢固，可以鈍化腐蝕作用于金屬，稱為“鈍化膜”，起保護作用。 （2）化學腐蝕的產(chǎn)物不穩(wěn)定，易揮發(fā)、溶解，產(chǎn)物與金屬表面結合不牢形成的產(chǎn)物會一層一層的脫落，對金屬造成損傷。一般有以下幾種：一種是金屬的高溫氧化及脫碳 ?另一種是氫腐蝕。 6.1.2 電化學腐蝕 電化學腐蝕是最普遍的，最常見的腐蝕類型。它是指金屬和電解質(zhì)溶液一起發(fā)生電化學反應，從而對金屬進行腐蝕。有時和機械作用等共同產(chǎn)生電化學腐蝕。例如碳素鋼在電解質(zhì)溶液中會形成以鐵素體為陽極,滲碳體為陰極的腐蝕電池,使鋼材受到損傷。 6.1.3 磨損腐蝕 磨損腐蝕：摩擦副與其他表面相對運動時，產(chǎn)生摩擦，表面材料在周圍介質(zhì)的作用下，與之發(fā)生化學或者電化學變化，隨著設備的機械運動損失材料，稱為磨損腐蝕。磨損腐蝕通常是輕微磨損，但若是在一些特殊條件下也會磨損嚴重。而且介質(zhì)的流動或者是兩者之間的運動加快，材料的磨損腐蝕也會隨之加劇。如果介質(zhì)中含有第二相物質(zhì)，像固態(tài)顆粒和氣泡等物質(zhì)，因為固體顆粒的磨損和沖擊對材料的磨損腐蝕更加嚴重、 6.2 防腐措施 6.2.1 正確選用耐蝕材料 ?換熱器防腐的基本原則是選擇合適的防腐材料。對于換熱器的防腐要求，在我們換熱器的設計過程中就應該考慮使用耐腐蝕性能好的材料?，F(xiàn)在市面上耐腐蝕性能好的材料主要有：不銹鋼，玻璃，鈦合金，石墨以及塑料、陶瓷等。這些材料有著非常好的耐腐蝕性能，但是，有些材料比如鈦合金這類非常昂貴，有些安裝和拆卸起來非常困難，有些工藝復雜。綜合上述，本設計換熱器選用碳鋼作為材料，并在換熱器內(nèi)部襯著非金屬，這樣的材料選擇方案既可以滿足換熱器的材料強度要求，也具有良好的防腐性能。 6.2.2 表面涂覆層保護 表面涂覆層保護有兩種方式： （1）金屬覆蓋層 將具有良好的耐腐蝕性能的金屬或者合金覆蓋在容易被腐蝕的金屬上，這樣可以保護耐腐蝕能力較弱的金屬。常見的制造金屬覆蓋層的方法有噴鍍法、電鍍法、滲鍍法等等。 （2）非金屬覆蓋層 有機材料或者無機非金屬材料都具有良好的防腐蝕的性能，經(jīng)常作為金屬設備防腐內(nèi)襯材料。將這類材料做成板或者是磚的形式覆蓋在設備的內(nèi)部進行防腐是廣泛應用的而且有效的方法。常用的有酚醛膠泥類，水玻璃，和不透性石墨板。 6.2.3 電化學保護 ?電化學保護是利用電化學反應來保護設備的方法，一種是陰極保護，另一種是陽極保護。 陰極保護：提高電解質(zhì)溶液中的部分金屬的電位，鈍化金屬。這樣可以在金屬表面生成一層氧化膜，氧化膜致密而且不易溶解，可以緩解電化學腐蝕對金屬 的損傷。陰極保護法有兩種，一是外加電流，一是犧牲陽極法。 陽極保護法：降低電解質(zhì)溶液中某部分金屬的電位，使金屬產(chǎn)生惰性，不易失去電子，可以讓金屬難發(fā)生化學或者電化學反應，降低對金屬的腐蝕，有時候金屬可以完全不被腐蝕。 6.2.4 腐蝕介質(zhì)的處理和控制 對于介質(zhì)中含有的能對金屬造成腐蝕的成分，我們無法避免，但通過其他方式來防腐： （1）可以改變介質(zhì)的性質(zhì)來降低或減輕其對金屬的腐蝕速度。 （2）可以加入能夠阻止或者減輕金屬在環(huán)境介質(zhì)中腐蝕的物質(zhì)（緩蝕劑）。但緩蝕劑不能對環(huán)工工藝過程的進行，以及產(chǎn)品的質(zhì)量造成不良效果，所以要嚴格選取緩蝕劑。緩蝕劑分為有機和無機緩蝕劑。常見的有機緩蝕劑有有機膠體、氨基酸類、酮類、醛類幾類有機緩蝕劑。無機緩蝕劑有過氧化氫、磷酸鹽、亞硫酸鈉等無機緩蝕劑。使用情況分酸性、中性、堿性幾種情況各有不同。 7 換熱器的安裝、使用、維修 7.1 換熱器的安裝 換熱器安裝的首要要求是安裝后換熱器不會下沉，不會使換熱器的接管發(fā)生大的變形。換熱器安裝的基礎一般分為兩種： （1）一種基礎是由磚砌成鞍形，換熱器安置在基礎上面，兩者之間不需要固定在一起，當受熱時，換熱器可以受熱變化發(fā)生自由移動。 （2）一種是混泥土制成的基礎，換熱器和基礎連接在一起，利用用鞍式支架和螺栓進行連接。 為了保證換熱器良好的工作環(huán)境，在換熱器安裝之前，我們需要檢查基礎的質(zhì)量，主要有以下幾項：基礎的尺寸，是否水平，平面位置和基礎的形狀以及預留孔的尺寸是否能達到設計的要求，還有螺帽和墊圈的數(shù)量能夠符合安裝的要求，螺紋是否標準。 當檢驗過換熱器基礎的質(zhì)量符合標準后，需要修平放置墊鐵的基礎平面，讓墊鐵和基礎之間良好接觸后，將墊鐵放置在基礎上，再放置換熱器，利用專業(yè)儀器調(diào)整換熱器的位置，使之水平，這樣每個接管在連接管道時都不受力。 7.2 換熱器的清洗 換熱器的清洗是為了保持高傳熱系數(shù)，換熱器中的介質(zhì)和水會發(fā)生一些相應的物理或者化學反應，產(chǎn)生沉淀和水垢，以及設備腐蝕的反應物等一些物質(zhì)都會可能加快換熱器的腐蝕。因此對換熱器進行清洗也可以延長換熱器的使用壽命。 清洗的方法分機械清洗、化學清洗和在線清洗。 7.2.1 化學清洗法 化學清洗是利用化學溶劑在換熱器循環(huán)進行清洗，沉淀和水垢能在化學溶液中溶解或是與溶液進行反應，便于沖洗?；瘜W清洗法不需要對換熱器進行拆卸，因此清洗相對容易簡便，也減輕了清洗時勞動消耗?；瘜W清洗法是最常見的清洗方法。 7.2.2 機械（物理）清洗法 機械清洗法是利用人工進行清洗，雖然機械清洗比較直接，但人工清洗不但效率低，而且當遇到比較厚、堅硬的沉積物，清洗更難，不易清洗干凈。 常見的機械清洗方法有噴水清洗、噴砂清洗、噴丸清洗、海綿橡膠球連續(xù)清洗法、鋼絲刷子清洗和刮刀或鉆頭除垢。 7.2.3 清洗時的注意事項 表17 清洗時的注意事項 清洗方法 注意事項 化學清洗 化學溶液應該保持一定的流速，加快的與化學溶液的對流速度，增加反應的效率。要分清污垢的成分，再采用相應的化學清洗液，選取的化學清洗劑不得腐蝕設備。 機械清洗時 不允許使用硬度高材料制成刷子對換熱器進行清洗，也不能用碳鋼刷子清洗不銹鋼部分，因為這樣會加快換熱器的腐蝕。清洗時要注意不能讓換熱器產(chǎn)生表面劃痕以及變形等。 7.3 換熱器的維修 換熱器在長久的使用中，設備的老化和超負載使用都會使換熱器產(chǎn)生故障，所以平時就要對其進行檢修和維護。 換熱器要保證能夠長久的正常運行，就必須對其進行維護和檢修。在化工領域，應把安全生產(chǎn)放在首位，所以換熱器的維修應該以預防性維修為主，以減少安全事故的發(fā)生。 維護和操作要點: 保持設備外部整潔，保護層和油漆完好。 保持溫度計、液位計、壓力表和安全閥等儀器的靈敏、準確和齊全。 當發(fā)現(xiàn)法蘭和閥門連接處有滲漏時，應及時處理。 打開或關停換熱器時，不要一下子把閥門全部打開，否則溶液熱脹冷縮產(chǎn)生的應力會對換熱器造成嚴重額的損傷。 換熱器停止使用時，要將換熱器內(nèi)的溶液放干凈，并對換熱器進行清洗。 定期清洗換熱器，進行檢修。 參考文獻 [1] 譚蔚. 化工設備設計基礎. 天津：天津大學出版社, 2014. [2] 汪波, 茅靳豐, 耿世彬, 韓旭, 魏鵬. 國內(nèi)換熱器的研究現(xiàn)狀與展望. 制冷與空調(diào), 2010, 24（5）：61—65 [3] 秦叔經(jīng), 葉文邦. 化工設備設計全書——換熱器, 北京：化學工業(yè)出版社, 2005. [4] 馬小明，錢頌文，朱冬生，江楠，方江敏，郭崇志，楊麗明. 管殼式換熱器.中國石化出版社2008 [5] 唐淑萍, 管殼式換熱器的結構設計[J]. 化學工業(yè)與工程技術. 2002, 5（23）：39-41. [6] 國家技術監(jiān)督局. GB150-1998鋼制壓力容器. 1998, 3, 20發(fā)布. [7] 趙淑芝. 換熱器技術新進展. 石油化工動態(tài), 1996, 4（4）：30-37. [8] 董其伍, 劉敏珊, 蘇立建. 管殼式換熱器研究進展化. 設備與管道, 2006, 6（43）：18-22. [9] 喻健良?；ぴO備機械基礎。 大連理工大學出版社, 2014.9 [10] 錢婷婷, 孔智文. 雙管板換熱器的設計和制造. 化工裝備技術, 2006, 6（27）：41-44. [11] 李啟炎. 三維CAD設計及制圖教程. 上海：同濟大學出版社, 2000. [12] 盧瑞, 王改芬. 三維實體造型描述方法比較研究. 軟件導刊, 2008, 7（12）：190-191. [13] 錢頌文。換熱器設計冊.化學工業(yè)出版社.2002.8 [14] 梁璐華. 管殼式換熱器結構設計的探討. 化學工程與裝備, 2009, 6：33-35. [15] Jonghyeok Lee,Kwan-Soo Lee.??Correlations and shape optimization in a channel with aligned dimples and protrusions [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer . 2013 [16] Johann Turnow,Nikolai Kornev,Valery Zhdanov,Egon Hassel.??Flow structures and heat transfer on dimples in a staggered arrangement [J]. International Journal of Heat and Fluid Flow . 2012 致謝 時間過的真快，轉眼間就要畢業(yè)了，回想起過去的四年大學生活情景，又仿佛才發(fā)生在昨天一樣。在這四年中我學到了各種知識，得到了很大的鍛煉，見過了從未見過的東西，體驗了精彩的大學生活。在大學里面我們也接觸到了社會，使我們明白了很多道理在學校，我們不僅僅是學到了課本上的知識，而且學會了怎樣去學習，鍛煉了良好的思維方式，還有解決各種難題的能力，以及與人交流溝通和相處的能力。在大學里面，交到了很多良師益友，同學的相互幫助和學習，老師的耐心指導，讓我在各方面進步了很多，也讓我從一個無知的學生成長為一個成熟而充滿自信的畢業(yè)生。即將畢業(yè)離開學校了，在此，我想對在這四年中幫住我成長的人表示由衷的感謝。 首先，我要感謝我的母校給我提供優(yōu)美的學習成長環(huán)境，讓我能夠在此快樂的學習和生活，感謝母校對我的幫助和栽培。 其次，感謝XXX老師，感謝他對我孜孜不倦地指導，是他的幫助讓我的畢業(yè)設計能夠順利完成，讓我順利畢業(yè)。在做畢業(yè)設計的這段時間，我遇到了很多問題，當我向XXX老師尋求幫助時，他總會耐心地指導我，老師還經(jīng)常開會，幫助我們解決各種有關畢業(yè)設計的問題。 最后，感謝與我一同學習四年的同學，感謝與我住在一起四年的室友。他們來自五湖四海，性格各異，興趣愛好也不相同，有的學習特別好，有的跟人交流的能力特別強，正因為他們的不一樣，我們才互相學習到了很多東西。在這四年的大學生活里，是他們讓我快樂，是他們讓我瘋狂，是他們讓我難以忘記大學的點點滴滴。如今畢業(yè)后，就要各奔東西了，在此也祝各位同學和室友前程似景，生活美滿。 37