蒸发罐的结构计算包括加热面积、汽鼓直径与高度、汁汽室直径及高度、罐底与罐顶的尺寸、捕汁器的尺寸以及各种接管与孔口的尺寸等。

（一）蒸发罐的加热面积

蒸发罐各效加热面积的大小，可按传热基本方程式（9-10）计算：

式中 Q——传热量，kJ/h

K——总传热系数，kJ/（m²·h·℃）

Δt——有效温度差，℃

传热量Q应该是进入汽鼓的热量（若装有自蒸发器时，应包括前一效汽凝水自蒸发蒸汽的热量）减去热损失的数值，并可从热力计算中计算出来。

总传热系数的大小是随着蒸发罐型式、糖汁和糖浆浓度以及生成积垢厚度的不同而变化的，并且变化甚大。作为甜菜糖厂蒸发罐的设计计算，可参考采用表9-5的数值。

对于甜菜糖厂蒸发罐的传热系数，可参考采用表9-6的平均值。在蒸发系统的总有效温度差确定之后，各效温度差的分配有不同的原则，甜菜制糖工艺学课程中已做了较详细的叙述，这里不再重复。

表9-6 甜菜糖厂蒸发罐的各效传热系数 单位：kJ/（m²·h·℃）

注：清除积垢后，实际K值约可达50%。

（二）汽鼓尺寸

在计算汽鼓尺寸之前，必须先确定是何种型式的蒸发罐，其次确定管子的内径、厚度、长度及其在管板上的排列形式，再确定中央降液管的直径，然后进行计算。

1.管子规格及管子数目

关于管子的规格及其选择问题已于第三节中介绍过。设管子的有效长度为l₀，管子的对数平均直径为d_m，则管子的数目为：

式中 A——蒸发罐的总加热面积，m²

2.降液管的直径

虽然制糖专业文献上有过关于确定降液管最适截面的报导，但到目前为止，大都是按经验来确定的，一般用降液管的内截面积与加热管总内截面积的比值表示，即：

式中 A_i降——降液管的内截面积，m²

n——加热管的数目

A_i——每根加热管的内截面积，m²

C——经验系数。对于标准（中央降液管）蒸发罐取C=0.20～0.30；对于外降液管蒸发罐取C=0.10～0.15

作为设计的依据，可取其平均值，即对于标准蒸发罐，可取C_平均=0.25；对于外降液管蒸发罐，可取C_平均=0.125。

当根据加热面积与管子规格，计算出管数n之后，即可按式（9-12）计算出降液管的截面积A_i降的值，并由此计算出其直径。

3.管板的面积与直径

管板的面积，视蒸发罐的大小与型式而异。对于通用式蒸发罐，管板面积等于中央降液管的外截面积、安装加热管、不凝气管及蒸汽通道部分的面积之和。

由式（9-7）得安装加热管的管板面积为：

取C₀=0.55

则

这样，降液管外截面积（A_0降）与安装管子的管板面积（nA_板）之和等于：

设不凝气管与蒸发通道所占的管板面积与不排管的空位等为上述两项面积的10%，则管板的总面积A_总p为：

由式（9-16）即可计算出管板的直径。但计算的结果是近似的，最后的数值应于排列管子之后确定。

对于无中央降液管的外循环式蒸发罐或者有中央降液管的内外循环蒸发罐的管板直径，都可根据上述方法来确定。

4.汽鼓的高度

汽鼓的高度等于上下管板的距离，当管子长度确定后，汽鼓的高度就确定了。

（三）汁汽室的高度与直径

在汽鼓上方的汁汽室是汁-汽分离及液沫从汁汽中分离的空间。汁汽室的高度和体积，对蒸发罐跑糖的影响甚大。它的高度和体积与加热管的长度、液面高度、糖汁浓度、压力或真空度及汽泡的大小等因素有关。从理论上来说，汁汽室的高度不应小于从沸腾糖汁表面被蒸汽带出的液沫所运行的抛物线轨迹的高度。但是，到目前为止，还没有关于糖汁蒸发的这方面的资料。因此，汁汽室的高度，目前还是按经验确定的。

1.汁汽室的高度

对于短管或中等管立式蒸发罐，考虑到通洗管子的需要，汁汽室高度取为加热管长度的1.5～2倍，是比较适当的。因为安装了捕汁器，汁汽室的高度过高是没有必要的。汁汽室只用来分离较大的液滴，较细的液沫及雾沫则在捕汁器中除去。

在长管式蒸发罐中，由于有了高效率的捕汁器，汁汽室的高度不需很高。在降膜式蒸发罐中，由于雾沫夹带现象很少，更无须过高的汁汽室。

2.汁汽室的直径

蒸发罐的汁汽室的直径，与蒸发罐的型式有关。

在通用式蒸发罐中，由于加热室的直径较外循环式大，为了使设备的结构简化，一般取与汽鼓的直径相同。

外循环式蒸发罐的汁汽室直径一般比加热室的直径大。因为循环管设在罐外，加热室的直径就相应减小，如不增大汁汽室外径，汁汽速度过高，而且糖汁碰到罐壁后，有部分降落在管板上，降低了这部分加热管的糖汁上升速度，从而影响蒸发效能。根据经验，在外循环式蒸发罐中，汁汽室的直径比加热室的直径大400～600mm是适宜的。

（四）捕汁器的尺寸

1.设计捕汁器应注意的问题

捕汁器应配备足够的接触面积或产生足够的离心力，或适当改变其流向及流速，使捕汁器能分离及捕捉汁汽中的液沫与雾粒。汁汽在捕汁器中碰撞在垂直或倾斜表面上，细小的液沫黏附于表面，而后聚成具有足够大小的液滴而从表面流下，否则极小的液沫将漂浮在汽流中，无法分离出来。

必须很好地把捕集的液体除去。液滴从固体表面流下的地方，必须是汽流流速较小的地方，若有强大汽流通过，液体势必又重新雾化而又被汽流带走。

必须使汁汽通过时阻力较小，否则会造成过多的压力损失。因为捕汁器中的压力较蒸发罐中的压力稍低一些，所以糖汁回流管必须是水封式。水封管应有足够的大小，应有两支或更多的管子，并及时清洗以防阻塞。

2.捕汁器尺寸的确定

（1）钟罩式捕汁器 如图9-26所示，主要尺寸一般为：

D≈D₁

D ₁∶D₂∶D₃≈1∶1.5∶2

H≈D₃

h≈（0.4～0.5）D₁

式中 D——汁汽管的直径，m

D₁——捕汁器内管的直径，m

D₂——捕汁器外罩管的直径，m

D₃——捕汁器外壳的直径，m

H——捕汁器的总高度，m

h——捕汁器内管与器顶的距离，m

这样的尺寸能使汁汽通过捕汁器的速度变化不大。

（2）离心式捕汁器 主要是确定桨叶的形状与尺寸。其桨叶的设计与离心泵的桨叶相似。桨叶的通道做成渐伸线形，进口的宽度a等于出口的宽度b，汁汽射出角β≈155°。

令D₁为汁汽进口管的直径，D₂为桨叶外径，渐伸线的起点及终点分别在D₁及D₂圆上。若α=25°，则：

或

而

式中 q_m——进入捕汁器的汁汽室，kg/h

v——汁汽的比容，m³/kg

u——汁汽的速度，m/s

桨叶之间的距离，可用下式求出：

式中 b——桨叶之间的距离，m

n——桨叶数目

S——桨叶的厚度，m

桨叶的高度为：

通过桨叶的汁汽速度u若太小不起离心力作用，太大则阻力大，通常以不超过36m/s为宜。

（3）网式捕汁器 网式捕汁器的铜网一般采用3层或4层，网的自由空间约为50%以利于蒸汽通过。这样网的高度为：

式中 q_m——进入捕汁器的汁汽量，kg/h

v——汁汽比容，m³/kg

D₁——蒸汽入口直径，m

u——汁汽流速，m/s

填料式捕汁器的计算与网式捕汁器基本相同。只是自由空间应另定。

（五）汁汽及糖汁管路

1.蒸汽的流速

蒸汽通过管路时，因摩擦而会引起压力与温度损失，压力降的大小与速度的平方和蒸汽的密度成正比。真空度高时，蒸汽的密度很小，摩擦损失小，因此，蒸汽的速度可以提高。如果速度选得过低，则管径过大，也不适宜，因此，应有一个适宜的速度。通常各种蒸汽通过管路的速度可从表9-7中取用。(www.daowen.com)

表9-7 蒸汽在管路中的适宜流速

计算出各种蒸汽量，并确定蒸汽的速度之后，即可计算出管路的直径。计算公式与式（9-18）相同。

2.糖汁的流速

蒸发罐各进出管的糖汁流速，与其浓度有关，建议采用表9-8所列的数值。

表9-8 糖汁在管中的流速

由糖汁量及糖汁流速即可确定管径。

蒸发设备材料强度计算的目的是保证设备在操作压力及长期运行下具备足够的强度和稳定度所必须的最小厚度。

（一）加热室与蒸发室壁厚计算

蒸发站中的各个蒸发罐，随效数的不同，其受压情况各异，有的受内压，有的则受外压。然而在同一列蒸发罐中，为了使制造蒸发罐的材料统一以及考虑其互换性，各效的加热室及蒸发室的外壳都采用同样的厚度。为了确定它们的壁厚，应同时计算出受内压圆筒及受外压圆筒所需的壁厚，取其中厚度最大者作为计算的壁厚。

受内压圆筒的壁厚可用式（9-22）计算：

式中 S——加热室或蒸发室壁厚，cm

P——操作压力，Pa

D_i——圆筒内径，cm

[σ]——许用应力，Pa

φ——焊缝强度系数，单边焊缝φ取0.7，双面焊缝φ取0.8

C——腐蚀裕度，cm，通常取C=0.3～0.8cm

受外压的圆筒分为长圆筒与短圆筒两种，以临界长度区分。临界长度可用式（9-23）计算：

式中 D₀——圆筒的外径，cm

S——壁厚，cm

计算临界长度时，可先假定一个S值，然后进行计算。

如果加热室和蒸发室高度H＞L_c，则应作长圆筒计算；当H＜L_c时，则按短圆筒计算。

（1）按长圆筒计算的壁厚

式中 P——操作压，Pa，设计时一律取P=1Pa

m——稳定系数，由碳钢制成的壳体，m=4

E——弹性模数，Pa

C——腐蚀裕度，cm

（2）按短圆筒计算的壁厚

式中 H——加热室或蒸发室高度（即圆筒长度），cm

其他符号同前。

（二）管板厚度计算

管板厚度决定于下列条件：在胀管时能良好地固定管子；承受预定压力时，不渗漏和不影响相邻管板的管形而引起已胀的管渗漏；胀管后能维持管板形状而不变形；当承受蒸汽压力所产生的附加载荷作用时，其强度有保证；能耐受糖汁的腐蚀作用。

从胀管的可靠性来看，管板厚度可用最小截面积计算。如图9-34所示。

为了保证胀管后达到不渗漏的要求，根据经验，管间的管板截面积f不能小于最小值f_最小，此最小值由图中求出。

图9-34 计算两管间管板最小截面积的图表

管板截面积f的计算式为：

f=（a-d₀）S

式中 a——相邻两管间的中心距，mm

d₀——管子外径（等于孔径），mm

S——管板厚度，mm

管板厚度用下式计算：

式中 C——腐蚀裕度，一般取C=4mm，其他符号意义同前

【例】设蒸发罐加热管子外径d₀=42mm，管间距离a=1.30d₀=1.30×42=54.6（mm）。由图中可查出：f_最小=200（mm²）

所以管板的最小厚度：

现在我国的TWX型蒸发罐加热面为75～250m²时，管板厚度是22mm，加热面是350～1000m²时，管板厚度为24mm。板厚比计算值为大，主要考虑到受热时的内应力和面积的大小而采用的。

（三）顶盖与底盖的计算

1.内压碟形盖的计算

开口的碟形盖（图9-32）厚度的计算公式为：

式中 P——压力，Pa

D₀——盖子的外径，cm

[σ]——容许应力，Pa

φ——焊缝强度系数φ=0.8

y——形状系数，与盖子的形状及盖上开孔的大小有关

根据比值或和（图9-32），从表9-9中取形状系数y值。

表9-9 碟形盖的形状系数y

2.内压椭圆形盖的计算

椭圆形盖（图9-33）的壁厚可用式（9-28）计算

式中 D_i——盖的内径，cm

H_i——以内壁计算的盖高，cm

其他符号同前。

在D_i/2H_i=2，上式可简化成：

因盖上必须开孔，因此壁厚必须以开孔系数来校正，用下式计算：

或

式中

d为开孔直径，若同时开有几个孔，则d应为最大的孔径，但要求d≤0.7D_i。如工艺要求开孔必须大于0.7D_i，则在结构上要求在开孔的周围加强。

对于受外压的碟形盖与椭圆形盖，为了简化计算，可先用内压公式计算厚度，计算后的值可取其1.7倍，即为受外压的碟形盖与椭圆形盖厚度。

（四）平钣盖的强度计算

在蒸发罐罐身所开的人孔或手孔，常用平钣盖来封盖。

对于平钣盖的厚度用式（9-32）计算：

式中 d——圆形平钣盖的直径，cm

K——考虑圆钣边缘的性质和固定程度的系数，并与固定的结构有关

P——操作压力，Pa

[σ]——许用应力，Pa

C——腐蚀裕度，cm

对于用螺栓固定的平钣盖，如图9-35所示，其垫圈的宽度等于法兰的宽度，不产生附加的弯曲力矩，取K=0.18。

图9-35 有平整垫圈的平钣盖

对于图9-36所示的平钣盖，由螺栓的拉力而引起的弯曲力，其系数K用式（9-33）计算：

式中 F——螺栓的总拉力，N

L——垫圈中心线与螺栓中心线的距离，m（图9-36）

F_介——由介质压力所产生的力，N

图9-36 安装螺栓的平钣盖

式中 d₀——垫圈的外径，m

d——垫圈中心线的直径，m