空气压缩机后冷却器的设计课程设计.docx

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1、目录第一章 设计任务书41.1 设计任务41.2 设计项目41.3 设计分量5第二章 确定设计方案52.1 冷却器的选型52.2 流程选择62.3 流体进出口温度62.4 安装方式72.5 工艺流程图7第三章 工艺设计73.1 确定总传热量73.2 冷却剂的流量83.3 壳程数和管程数93.4 空气的传热系数103.5 水侧的传热系数113.6 总传热系数123.7 换热器所需的管数123.8 设计计算校核12第四章 结构设计134.1 管子在管板上的固定方式134.2 管程分布与管子排列144.3 分程隔板的连接144.4 管板与壳体的连接154.5 折流板154.6 拉杆、定距管15第五章

2、 机械设计165.1 壳体管板的厚度尺寸165.2 水压校核165.3 管板的参数165.4 折流板计算175.5 接管与管法兰185.6 封头设计185.7 支座设计19第六章 辅助设备选型206.1接管及其法兰206.2排液管20第七章 设计结果一览表20第八章 设计体会22参考文献24第一章 设计任务书1.1 设计任务题目：空气压缩机后冷却器的设计原始数据：（1） 空气 处理量：11 操作压强：1.2MPa（绝对压） 空气进口温度：150 终温：40（2）冷却剂：常温下的水 初温：28；终温：34；温升（3）冷却器压降1米水柱1.2 设计项目（1）确定设计方案。确定冷却器形式，流体流向和

3、流 速选择，冷却器的安装方式等。（2）工艺设计：冷却器的工艺计算和强度计算，确定冷却剂用量，传热系数，传热面积，管数，管间距，校对压降等。（3）结构设计：管子在管板上的固定方式，管程分布和管子排列，分程隔板的链接，管板和壳体的连接，折流挡板等。（4）机械设计：确定壳体，管板壁的厚度尺寸，选择冷却器的封头，法兰，接管法兰，支座等。（5）附属设备选型。1.3 设计分量（1）设计说明书一份。（2）冷却器装配图（1号图纸）（3）冷却器工艺流程图（3550计算纸）第二章 确定设计方案2.1 冷却器的选型 本设计中空气压缩机的后冷却器选用带有折流挡板的固定管板式换热器，这种换热器适用于下列情况：温差不大；

4、温差较大但是壳程压力较小；壳程不易结构或能化学清洗。本次设计条件满足第种情况。另外，固定管板式换热器具有单位体积传热面积大，结构紧凑、坚固，传热效果好，而且能用多种材料制造，适用性较强，操作弹性大，结构简单，造价低廉，且适用于高温、高压的大型装置中。 采用折流挡板，可使作为冷却剂的水容易形成湍流，可以提高对流表面传热系数，提高传热效率。 本设计中的固定管板式换热器采用的材料为钢管(10)。2.2 流程选择 本冷却器的管程走压缩后的热空气，壳程走冷却水。热空气和冷却水逆向流动换热。根据的原则有： （1）因为热空气的操作压力达到1.2Mpa，而冷却水的操作压力取0.3Mpa，如果热空气走管内可以避

5、免壳体受压，可节省壳程金属消耗量； （2）对于刚性结构的换热器，若两流体的的温度差较大，对流传热系数较大者宜走管间，因壁面温度与对流表面传热系数大的流体温度相近，可以减少热应力，防止把管子压弯或把管子从管板处拉脱。 （3）热空气走管内，可以提高热空气流速增大其对流传热系数，因为管内截面积通常比管间小，而且管束易于采用多管程以增大流速。查阅化工单元过程及设备课程设计46页表3-4可得到，热空气的流速范围为530 ；冷却水的流速范围为0.21.5。本设计中，假设热空气的流速为7，然后进行计算校核。2.3 流体进出口温度 （1） 热空气进口温度：150；出口温度：40 （2） 冷却水 进口温度：28

6、；出口温度：342.4 安装方式 冷却器是小型冷却器，采用卧式较适宜。 2.5 工艺流程图第三章 工艺设计3.1 确定总传热量 3.1.1定性温度的确定：可取流体进出口温度的平均值 空气定性温度为： 水的定性温度为： 3.1.2 流体有关物性参数 空气在95，1.2MPa下的物性参数：物性密度（）电压比热容（）粘度（）导热系数（）空气11.3971.0090.0317水在31下的物性参数：物性密度（）电压比热容（）粘度（）导热系数（）水995.44.1740.6193.1.3水在进口温度下的密度： 空气的质量流量为： 热流量为：3.2 冷却剂的流量 3.3 壳程数和管程数 选择管径为的传热管，

7、则： 平均传热温差：平均传热温差校正:依化工单元过程及设备课程设计P63，公式3-13a和3-13b，平均传热温差校正系数 依传热传质过程设备设计查表得:查平均传热温差校正为： 初步设定传热系数K=150，传热面积为： 按单程管计算，所需的传热管长度为： 取管长为，则该换热器的管程数为： 传热管总根数：3.4 空气的传热系数计算空气的传热系数前，取折流板间距B=0.6Di，则B=0.6500=300 mm。取板间距B300mm，则：折流板数 NB=1=9块取管间距：t =1.25do0.03125m,取t=0.033m 对于圆缺形折流板，可运用克恩公式： 其中： 水做冷却剂时，粘度校正为 当量

8、直径，管子为正三角形排列， 壳程流通截面积： 壳程冷却水流量和雷诺数： 普兰特准数：因此，壳程水的传热膜系数为： 3.5 水侧的传热系数 由列管换热器工艺设计P55，公式3-32得 其中： 管程流通截面积： 管程空气的流速和雷诺数 普兰特准数： 因此，管程空气的传热膜系数为 3.6 总传热系数 查阅化工原理上册P365，附录22，得 冷却水侧的热阻Rso0.0006 热空气侧的热阻Rsi0.0009钢的导热系数49因此，依化工单元过程及设备课程设计P71，公式 3-22得： 3.7 换热器所需的管数3.8 设计计算校核3.8.1传热面积计算传热面积：A0=Q/KOtm实际传热面积：Ac=dol

9、N 面积裕度：（ACAO）/AO*100%=12%符合要求。 3.8.2 管程阻力 其中： NS为壳程数，NP为管程数，FS为管程结垢校正系数所以， 符合设计要求。3.8.3 壳程阻力 其中： FS为壳程结垢校正系数，NS为壳程数 所以， 符合设计要求。第四章 结构设计4.1 管子在管板上的固定方式 管子和管板的焊接目前采用比较广泛，由于管孔不需要开槽，而且管孔的粗糙度要求不高，管子端部不需要退火和磨光，因此制造加工方便。4.2 管程分布与管子排列 采用组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用矩形排列。其中，每程内的正三角形排列，其优点为管板强度高，流体走短路的机会少，且管外流体扰动

10、较大，因而对流传热系数较高，相同的壳程内可排列更多的管子。查化工原理上册P202，取管间距：t 33 mm 。 由化工原理上册P278，公式4-123，得横过管束中心线的管数为 取14 由化工单元过程及设备课程设计P67，公式3-16，隔板中心到离其最近一排管中心距离 S=t/2+6=33/2+6=22.5 mm取23mm取各程相邻管的管心距为46mm。 4.3 分程隔板的连接 分程隔板应采用与封头、管箱短节等同材料，除密封面外，应满焊于管箱上。4.4 管板与壳体的连接 本换热器采用平面密封形式，适用于管程操作压力小于1.6MPa，且对气密性要求不高的情况。4.5 折流板本次设计的冷却器采用弓

11、形折流板。折流板数 NB=9块圆缺高度 h125 mm板间距 B300mm查阅换热器设计手册P182，表1-6-26和表1-6-33，得： 折流板厚度 C4 mm。4.6 拉杆、定距管 拉杆一端用螺纹拧入管板，每两块折流板之间的间距用定距管固定，最后一块折流板用两个螺母锁紧固定，这种形式易于调节折流板之间夹紧程度，在穿进换热管之后，各折流板处于相对自由状态，是列管换热器最常见的形式。 查化工单元过程及设备课程设计P101表4-7,4-8得拉杆直径，拉杆数量等数据。拉杆的前螺纹长La=20mm拉杆的前螺纹长Lb=20mm拉杆长度L1=2694mm拉杆长度L2=2394mm第五章 机械设计5.1

12、壳体管板的厚度尺寸 查化工单元过程及设备课程设计P204表4-12，由于壳体内径为500mm，取厚度为8mm5.2 水压校核 由过程设备设计P193，公式（4-88），（4-89），得： 68.52 MPa 而0.9s=0.90.9235=190.35 MPa因为0.9s，所以水压试验时强度足够5.3 管板的参数 根据换热器设计手册P159，由于为固定管板，壳体压强1.0Mpa，选择图1-6-6（a）,壳程Ps0.6Mpa,管程Pt1.6Mpa,具体参数参照表1-6-11(A)5.4 折流板计算 采用弓形折流板，取弓形折流板圆缺高度为壳体内径的25%，则切去的圆缺高度为h=0.25500=12

13、5 mm ，故可取h=125 mm。取折流板间距B=0.6Di，则B=0.4500=300 mm。取板间距H300mm，则：折流板数 NB=1=9块 折流板圆缺面水平装配。5.5 接管与管法兰 查标准HG/T20594-97，带颈平焊钢制管法兰具体尺寸为：5.6 封头设计 查标准JB1154-73，椭圆形封头标准。具体尺寸： 5.7 支座设计 查标准鞍式支座JB1167-81。第六章 辅助设备选型6.1接管及其法兰 根据流体力学与传热P207，接管直径公式，同时也考虑到接管内的流体流速为相应管、壳程流速的1.21.4倍。壳程流体进出口接管：取接管内水的流速为 ui= 0.45m/s，则接管内径

14、为=0.134 m取标准管径为 150 mm查标准YB231-70，取管的外径159mm，管厚4.5mm，伸出高度200mm。进水口采用凸法兰，出水口采用凹法兰，查阅国际法兰P88，取法兰直径285 mm，厚度b=4.5m，螺栓孔间距D1240mm，孔直径22mm。螺栓规格：M20，螺栓数量为8。由于iui2=995.40.452=447.932200 kg/(ms2)，故不需防冲板。管程流体进出口接管：取接管内空气的流速为 uo= 10 m/s，则接管内径为=0.43 m取标准管径为150 mm查标准YB231-70，取管的外径159mm，管厚4.mm，伸出高度200mm。进气口采用凹法兰，

15、出气口采用凸法兰，查阅国际法兰P88，取法兰直径285，厚度b=45mm，螺栓孔间距D1240mm,23mm。螺栓规格：M20螺栓数量为8。6.2排液管查标准YB231-70，取管的外径58mm，管厚4mm，伸出高度80mm。查阅国际法兰P88，取法兰直径165 mm，厚度b=4mm，螺栓孔间距D1125mm，孔直径18mm。螺栓规格：M16，螺栓数量为10。第七章 设计结果一览表工艺参数管程壳程质量流量/(kg/h)654429002进/出口温度/150/4028/34操作压力/MPa1.20.3 物性参数定性温度/9531密度/(kg/m3)11.397995.4定压比热熔/kJ/(kgK

16、)1.0094.174粘度/(Pas)2.1310-50.000786热导率/W/(mK)0.03170.619普朗特准数0.6785.3工艺主要计算结果流速/(m/s)6.960.24污垢热阻/m2K/ W0.00040.0006阻力（压降）/MPa75242234对流传热系数/W/(m2K)2732202总传热系数/W/(m2K)161平均传热温差/44热流量/kW201.8传热面积裕度/%12 设备结构设计程数21推荐使用材料碳钢碳钢换热器型式固定管板式台数1壳体内径/mm50传热面积/m234.40管 径/mm252.5折流板型式上下管 数/根146折流板数/个9管 长/mm3000折

17、流板间距/mm30管子排列方式切口高度/mm125管间距/mm33封头2个Do=50mm封头法兰dH=50mm隔板b=8mm拉杆4根d=16mm支座JB1167-81管箱（非标准）Do=50mm管箱法兰dH=600mm定距管252.5管板请参阅说明书壳程接管1504.5壳程接管法兰dH285mm管程接管1504.5管程接管法兰dH=285mm排气液管504排气液管法兰dH=165mm备注 第八章 设计体会两周的课程设计结束了，通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关换热器设计方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期

18、我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取,这本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在不懈的努力下，终于迎刃而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！课程设计不仅

19、是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思路，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了换热器设计的基础原理在这两周的的课程设计中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在课程设计过程中，我们学会了很多学习的方法,真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时

20、不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在课堂上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。总之，认真对待每一个学习的机会，珍惜过程中的每一分一秒，学到最多的知识和方法，锻炼自己的能力，这个是我们在在本次化工原理课程设计中学到的最重要的东西，以后也将受益匪浅的！参考文献【1】钟理, 伍钦，马四朋. 化工原理（上）. 北京，化学工业出版社，2008.8.【2】【3】钱颂文. 换热器设计手册，北京，化学工业出版社，2002.8【4】匡国柱. 化工单元过程及设备课程设计. 北京，化学工业出版社，2002【5】陈锦昌. 计算机工程制图. 广州，华南理工大学出版社，2006.8.【6】传热传质过程设备设计作者:邹华生，钟理，伍钦等编著 出版社:华南理工大学出版社 出版时间:2007-6-1取取N=146根Ao=30.73m2AC=34.40m2取27