化工原理课程设计-空气压缩机后冷却器.doc

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1、目 录一、设计任务书11.1设计数据11.2设计项目11.3设计分量1二、确定设计方案22.1 选择换热器的类型22.2 流动方向及流速的确定22.3 安装方式2三、设计条件及主要物性参数33.1设计条件33.2确定主要物性数据33.2.1定性温度33.2.2流体有关物性数据3四、传热过程工艺计算54.1 估算传热面积54.1.1热流量54.1.2平均传热温差54.1.3传热面积54.1.4冷却水用量54.2主体构件的工艺结构尺寸54.2.1管径和管内流速54.2.2管程数和传热管数54.2.3 平均传热温差校正及壳程数64.2.4 传热管的排列和分程方法64.2.5 壳体内径64.2.6折流

2、板64.3换热器主要传热参数核算74.3.1热量核算74.3.2 壁温核算94.3.3换热器内流体的流动阻力(压降)9五、机械结构设计115.1壳体115.1.1壳体直径与壁厚115.1.2气压校核115.2浮头管板及浮头法兰115.3管箱法兰和管箱侧壳体法兰115.4管箱结构设计125.5固定端管板结构125.5外头盖法兰、外头盖侧壳体法兰125.6拉杆125.7分程隔板125.8接管125.9折流板135.9.1折流板选型135.9.2折流板计算13六、连接及排列方式146.1管子与管板的连接146.2管板与壳体、管箱的连接146.3管程分布与管子排列146.4分程隔板的连接14七、附属件

3、的计算及选型157.1接管法兰157.2垫片157.3防冲板157.4支座设计157.3.1 支座的设计选型157.3.2 支座承载能力校核16八、设计计算结果汇总表17九、设计总结18十、参考资料19附：空气压缩机冷却器工艺流程图20一、设计任务书1.1设计数据为某工厂设计一台空气压缩机后冷却器的基础数据如下：(1)空气流量：Vh= 13 m3/min (标准状态)操作压强：Ph=1.5 MPa进口温度（初温）：T1=150 出口温度（终温）：T2= 40 (2)冷却剂：常温下的水初温：t130；终温：t2 36；温差：t=6；（t=58）(3)冷却器的压降1m水柱(1m水柱9.8*103p

4、a)1.2设计项目1、确定设计方案：确定冷却器型式，流体流向与流速的选择，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，传热膜系数，传热面积，换热器管长，总管数，管间距，管程数，壳程数，校核压降等。3、结构设计：管子在管板上的固定方式，管程分布与管子排列，分程隔板的连接，管板与壳体的连接，折流挡板。4、机械设计：确定壳体，管板壁厚尺寸，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、编写设计说明书一本。2、一号图纸一张（画冷却器）3、设计要求在规定时间内独立完成，设计方案合理，论述清楚，计算正确，制图无误，答辩流利正确。二、确定设

5、计方案2.1 选择换热器的类型本设计中空气压缩机的后冷却器选用带有折流挡板的浮头式换热器，这种换热器管束可以抽出，以方便清洗管、壳程；介质间温差不受限制；管内外均可承受高温高压；可用于结垢比较严重的场合；可用于管程易腐蚀场合。考虑气体温度较高，而且要求1.5MPa的工作压强，故选用浮头式换热器。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。本设计中的浮头式换热器采用的材料为碳钢管(20R钢)。2.2 流动方向及流速的确定本冷却器的管程走冷却水，壳程走压缩后的热空气。热空气和冷却水逆向流动换热。由于循环冷却水较易结垢，若其流速太低，将会加快污垢增长速度，使

6、换热器的传热能力下降，所以从总体考虑，应使循环水走管程，压缩后的热空气走壳程。查阅传热传质过程设备设计P7 表1-3 可得到，热空气的流速范围为315 ms-1；冷却水的流速范围为0.33.0 ms-1。本设计中，假设冷却水的流速为0. 6ms-1，然后进行计算校核。2.3 安装方式冷却器是小型冷却器，采用卧式较适宜。水水空气空气三、设计条件及主要物性参数3.1设计条件由设计任务书可得设计条件如下表：数参类型体积流量（标准m3/min）进口温度（）出口温度（）操作压力（Mpa）设计压力（Mpa）热空气（管外）13150401.51.6冷却水（管内）30360.30.4注：要求设计的冷却器在规定

7、压力下操作安全，必须使设计压力比最大操作压力略大，本设计的设计压力比最大操作压力大0.1MPa。3.2确定主要物性数据3.2.1定性温度取流体进出口温度的平均值。壳程气体的定性温度为 管程水的定性温度为 3.2.2流体有关物性数据由化学化工物性数据手册（无机卷）查得：热空气物性：导热系数：o=0.0317 Wm-1K-1粘度：o= 2.1710-5 Pas定压比热容：Cp,o1.009 kJkg -1K -1空气密度：o.293 kgm-3(1600kPa/101.33kPa)273K/(273+95)K15.146 kgm-3在95，1.6MPa下空气的有关物性数据如下：物性密度o（kg/m

8、3）定压比热容Cp,o kJ/(kg)粘度o（Pas）导热系数o（Wm-1-1）空气 15.1461.0092.1710-5 0.0317冷却水物性：导热系数：i=0.6220 Wm-1K-1粘度：i=7.52310-4 Pas定压比热容：Cp,i4.178kJkg -1K -1密度：i=994.73 kgm-3在33水的物性数据如下：物性密度i（kg/m3）定压比热容cp,i kJ/(kg)粘度i（Pas）导热系数i（Wm-1-1）水994.734.1787.52310-40.622020四、传热过程工艺计算4.1 估算传热面积4.1.1热流量空气的体积流量为 Vo= = 0.2167 m3

9、/s空气的质量流量为 qm,o= 0.216715.146=3.282 kg/s热流量为= qm,o Cp,o (T1T2) =3.28161.009(150-40)=364.23kW4.1.2平均传热温差= =42.734.1.3传热面积由于壳程气体压力较高，故可选较大的总传热系数。查阅传热传质过程设备设计P20表1-11，可知管程为水，壳程为气体的总传热系数K值为17280 Wm-2-1。初步设定设K=200 Wm-2-1。根据传热传质过程设备设计P14，公式1-2，则估算的传热面积为 m24.1.4冷却水用量根据传热传质过程设备设计P15，公式1-84.2主体构件的工艺结构尺寸4.2.1

10、管径和管内流速选用252.5mm的传热管(碳钢管)；由传热传质过程设备设计P7表13得管壳式换热器中常用的流速范围为0.53.0m/s。设冷却水流速ui0.6m/s。4.2.2管程数和传热管数依化工单元过程及设备课程设计公式3-10确定单程传热管数 (根)按单程管计算，所需的传热管长度为按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。根据本设计实际情况，采用标准设计，取传热管长，则该换热器的管程数为传热管总根数4.2.3 平均传热温差校正及壳程数平均传热温差校正系数按化工单元过程及设备课程设计公式3-8a和3-8b有RP 按单壳程，双管程结构，查化工单元过程及设备课程设计图3-9得则实际平均传热温

11、差由于平均传热温差校正系数大于0.8，同时壳程流体流量较大，故取单壳程合适。4.2.4 传热管的排列和分程方法采用正三角形排列法，每程内均按正三角形排列，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。传热管与管板的连接方式采取焊接，取管心距t=1.25d0 t=1.2525=31.2532mm隔板中心到离其最近一排管中心距离按化工单元过程及设备课程设计式3-16计算 s=t/2+6=32/2+6=22 mm分程隔板两侧相邻管排之间的管心距为44mm。4.2.5 壳体内径采用多管程结构，壳体内径按化工单元过程及设备课程设计式3-2

12、0估算。取管板利用率=0.7，则壳体内径为按卷制壳体的进级挡及工艺要求，可取。4.2.6折流板采用弓形折流板，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=0.25600=150 mm取折流板间距B=0.4Di，则B=0.4600=240mm，取B为250mm。折流板数 ，根据实际情况选择板数为NB=16。折流板圆缺面水平装配。4.3换热器主要传热参数核算4.3.1热量核算(1)壳程对流传热系数 对于圆缺形折流板，可采用克恩公式。ho = 其中：当量直径，管子为正三角形排列时，依化工单元过程及设备课程设计式3-22得de0.0202 m壳程流通截面积 So = BD(1)=0.

13、250.6（1）0.03281 m2壳程热空气的流速及其雷诺数分别为uo = 6.603m/sReo93098普兰特准数Pro =0.6907粘度校正（）0.141因此，壳程空气的表面传热系数ho为ho = 270.0W/(m2)(2)管程对流传热系数hi = 0.023Re0.8Pr0.3其中：管程流通截面积Si =0.02450m2管程冷却水的流速及其雷诺数分别为ui =0.5961m/sRei15763普兰特准数Pri =5.053因此，管程空气的传热膜系数hi为hi=0.023157630.85.0530.3=3119.1W/(m2)(3)基于管内表面积的总传热系数KC由化工单元过程及

14、设备课程设计表3-9和表3-10，可取管外侧污垢热阻Ro0.0004m2KW-1管内侧污垢热阻Ri0.0006m2KW-1由化工单元过程及设备课程设计表3-11，碳钢在该条件下的导热率为50Wm-1K-1按式3-34计算管壁热阻RW=0.00005 m2K/W因此，由化工单元过程及设备课程设计式3-21有 (4) 传热面积裕度由化工单元过程及设备课程设计式3-35,计算传热面积该换热器的实际传热面积由化工单元过程及设备课程设计式3-36计算该换热器的面积裕度为传热面积裕度处于要求的8%20%的范围内，该换热器能满足设计要求。4.3.2 壁温核算 因管壁很薄，且管壁热阻很小，故管壁温度可按化工单

15、元过程及设备课程设计式3-42计算。设定冷却水进口温度为30，出口温度为36来计算传热管壁温。由于传热管内侧污垢热阻较大，会使传热管壁温升高，降低了壳体和传热管壁温之差。但在操作早期，污垢热阻较小，壳体和传热管间壁温差可能较大。计算中，应按最不利的操作条件考虑。因此，取两侧污垢热阻为零计算传热管壁温。于是按式3-42有式中，液体的平均温度tm和气体的平均温度Tm分别按化工单元过程及设备课程设计式3-43、3-44计算tm=0.436+0.630=32.4 Tm=0.5（150+40）=95 hc = hi = 3119.1 W/ (m2K)hh = ho = 270.0W/ (m2K)传热管平

16、均壁温 壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=95壳体壁温和传热管壁温之差为 t=9537.39 = 57.61 因此，选用浮头式换热器较为适宜。4.3.3换热器内流体的流动阻力(压降)(1)管程流动阻力由化工单元过程及设备课程设计式3-47式3-49可得管内流体：Re=15763传热管相对粗糙度=0.01，查莫狄图得=0.041.直管部分的压降：pi=弯管回路中的压降：局部阻力系数一般情况下取3pr=总压降：pt（pi+pr）Ft Ns NpNs壳程取1，Np管程取2，Ft管程结垢校正系数取1.5符合设计要求。(2)壳程阻力：由化工单元过程及设备课程设计式3-50式3-54可得流体流

17、过管束的压降：po=FfoNTC(NB+1)其中：F=0.5fo=5（93098）-0.228=0.3682NTC=1.1NT0.5=1.11560.5=13.74NB=16uo=6.603 m/spo=0.50.368213.74(16+1)(15.1466.6032)/2 14197PapiNB（3.5）16（3.5）(15.1466.6032)/214088Pa总压降：po popi =14197+1408828285Pa35000Pa符合设计要求。五、机械结构设计5.1壳体5.1.1壳体直径与壁厚本次设计采用的换热器壳体内径Di600 mm。由传热传质过程设备设计P305，总附表1，碳

18、钢与普通钢制内压圆筒壁厚，选择材料为16MnR钢，密度为7850kg/m3。在工作压力1.6MPa下，公称直径600mm下，筒体壁厚为8mm，因此壳体外径Do=616mm。壳体长度为4300mm。5.1.2气压校核 69.46MPa 而0.8s=0.80.8235=150.4 MPa 因为0.8s，所以气压试验时强度足够。5.2浮头管板及浮头法兰 浮头管板外径：Do=Di-2b1=600-23=594mm浮头管板外径与壳体内径间隙，因为DN50C，设计压力为1.6MPa时，管板厚度取为46mm钩圈采用B型，设计厚度为46+16=62mm浮头盖封头球面内半径按GB 151-1999标准中表46，

19、当DN=600mm时，取Ri=500mm浮头盖封头厚度取8mm垫片宽度：取bn=12mm浮头法兰内直径：Dfi=Di-2(b1+bn)=600-2(3+12)=570mm浮头法兰外直径：Dfo=Di+80=680mm浮头法兰螺栓孔中心分布圆直径取650mm浮头法兰厚度：b=100mm浮头法兰螺栓规格：M20，数量为24。5.3管箱法兰和管箱侧壳体法兰根据公称直径D=600mm，查JB-T4703-2000长颈对焊法兰选取。确定法兰外径为740mm，螺栓孔圆心所在分度圆直径为700mm，孔深为44mm，法兰厚度为105mm。法兰螺栓规格：M20，数量为28。5.4管箱结构设计选用B型封头管箱，取

20、管箱总长度为475mm，管箱壁厚取8mm。封头直边高度为25mm，总高度为175mm。5.5固定端管板结构依据所选用的管箱法兰、管箱侧法兰的结构尺寸，确定固定端管板最大外径为655mm，管板厚度取为46mm。5.5外头盖法兰、外头盖侧壳体法兰浮头法兰外直径为700mm，按公称直径700mm查阅JB-T4703-2000长颈对焊法兰选取，确定外头盖法兰外径为860mm，盖侧法兰内径为700mm，壳侧法兰内径为600mm，螺栓孔圆心所在分度圆直径为815mm，孔深46mm，厚度为115mm，法兰螺栓规格：M24，数量为24。外头盖封头总高度200mm，直边高度25mm5.6拉杆本换热器壳体内径为6

21、00mm，换热管直径为25mm，查化工单元过程及设备课程设计表4-7和表4-8得拉杆螺纹公称直径：=16mm前螺纹长：La=20mm后螺纹长：Lb=60mm拉杆数：4根拉杆长度：L1=4185mmL2=3935mm拉杆位置见后面6.3的排管图。5.7分程隔板查化工单元过程及设备课程设计表4-1，因本此设计换热器的公称直径Di=600mm，对于碳钢，取隔板厚度为b10mm。5.8接管 管程流体进出口接管：接管内流速应为管程水流速的1.21.4倍，取接管内水的流速为 u1=1.3ui= 1.30.5961=0.775m/s，则接管内径为同时管径应限制在d=（1/31/4）Di=150200mm，故

22、取标准管径为200mm，管的外径为219mm，伸出高度250mm。 壳程流体进出口接管：接管内流速应为壳程气体流速的1.21.4倍，取接管内气体的流速为 u2=1.3uo= 1.36.603=8.58m/s，则接管内径为同时管径应限制在d=（1/31/4）Di=150200mm，故取标准管径为200mm，管的外径为219mm，伸出高度250mm。 排气、排液接管：取标准管径为50mm，管的外径为60mm，伸出高度100mm。5.9折流板5.9.1折流板选型 本次设计的冷却器采用弓形折流板。如右图所示。5.9.2折流板计算前面4.2.6已算出：折流板数 NB=16 块圆缺高度 h150 mm板间

23、距 B250 mm查化工单元过程及设备课程设计表4-2、表4-3、表4-4得折流板直径Da(6004.50.5)mm=595mm折流板厚度C4 mm管孔直径 d=25+0.8=25.8mm 六、连接及排列方式6.1管子与管板的连接换热器工作压力4MPa，工作温度200，根据传热传质过程设备设计表1-16，采用焊接法在管板上固定管子。管子伸出长度约为5mm，管子与管孔间保留1mm的距离，防止管子受热膨胀，使管板受压变形。6.2管板与壳体、管箱的连接对于浮头式换热器，为了抽出管束进行清洗、维修，把固定端管板夹持在壳体法兰和管箱法兰之间。6.3管程分布与管子排列换热器设计为双管程，单壳程。采用正三角

24、形排列法，每程内均按正三角形排列，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。排管及拉杆布置见下图。筒体内径600mm，外径616mm；折流板直径595mm，圆缺高度150mm；换热管数156，管径25mm；拉杆数4，杆径16mm6.4分程隔板的连接 分程隔板采用常规连接形式，连接方式为焊接。七、附属件的计算及选型7.1接管法兰接管法兰选用板式平焊法兰，进气口采用凹面法兰，出气口采用凸面法兰。查化工单元过程及设备课程设计附录四表2有：选用凹凸面板式平焊法兰，公称直径为200mm，法兰外径为340mm，螺栓孔中心分布圆直径295

25、mm，法兰厚度C=26mm，螺纹M20，螺栓孔数量12。7.2垫片换热器工作压力为1.6MPa，浮头法兰、管箱法兰、管箱侧法兰、外头盖法兰和外头盖侧法兰，均采用20mm非金属软垫片。7.3防冲板计算壳程流体u2值：u2=15.1466.6032=660.4kg/(ms2)2230kg/(ms2)因此此换热器不需安装防冲板。7.4支座设计7.3.1 支座的设计选型查传热与传质过程设备设计P324，总附表12，由公称直径600mm选择带加强垫板的B型鞍式支座，有：L=4300mm，支座间距LB(0.50.7)L(0.50.7)4300=(21503010)mm，取LB=3000mm。直接高度H取3

26、00mm。7.3.2 支座承载能力校核（1）换热器的质量统计于下表：序号各零部件数量单件重量/kg重量/kg1壳体（YB231-70）295.512295.5122管板275.12150.243壳程接管21.913.824壳程接管法兰2凹1.54/凸2.427.925管程接管22.575.146管程接管法兰2凹4.36/凸5.59.867排气液管20.320.648排气液管法兰22.85.69隔板114.8414.8410封头219.9639.9211封头法兰151.1751.1712传热管1564.16648.9613拉杆2+29.27 / 8.8418.1114定距管L127.6815.0

27、9L227.4115折流板162.9947.8416管箱125.3525.3517管箱法兰151.1751.1718支座23876换热器总质量1259.412 kg（2）传热管和拉杆所占的体积粗略为： V23.14（0.025/2）24.5(156+4)=0.353m3 壳体体积为： V13.14（0.600/2）24.31.215 m3 忽略隔板体积，水充满整个换热器时的总重为： =1259.412+（1.2150.353）994.732116.87 kg。小于该鞍式支座的最大载荷14吨。八、设计计算结果汇总表换热器的工艺计算及结构设计的主要结果和主要尺寸汇总于下表：工艺参数壳程管程质量流量

28、/(kg/h)11813.8152306.31进/出口温度/150/4030/36操作压力/MPa1.50.3物性参数定性温度/9533密度/(kg/m3)15.146994.73定压比热熔/kJ/(kgK)1.0094.178粘度/(Pas)2.171057.5210-4热导率/W/(mK)0.03170.6220普朗特准数0.6915.05工艺主要计算结果流速/(m/s)6.6030.6阻力（压降）/MPa282856481.1对流传热系数/W/(m2K)267.03119总传热系数/W/(m2K)188.3平均传热温差/42.73热流量/kW364.23传热面积裕度/%10.86设备结构

29、设计程数12推荐使用材料碳钢碳钢换热器型式浮头式台数1壳体内径/mm600传热面积/m255.13管 径/mm252.5折流板型式上下管 数/根156折流板数/个16管 长/mm4500折流板间距/mm250管子排列方式正三角形切口高度/mm150管间距/mm32封头2个Do=600mm浮头法兰D=680mm隔板b=10mm管箱法兰D=740mm外头盖法兰D=860mm管箱侧壳体法兰D=740mm外头盖侧壳体法兰D=860mm拉杆4根d=16mm支座(JB1167-81)B型浮头管板外径594mm固定端管板外径655mm壳程接管2006壳程接管法兰dH=340mm管程接管2006管程接管法兰d

30、H=340mm备注设备总重取整为1260kg九、 设计总结经过上一次的机械设计基础的课程设计后，这一次的化工原理课程设计进行起来就显得顺利一些了。从一开始先翻看课本化工单元过程及设备课程设计，再对几份相关的标准快速翻阅，然后根据书里的例题和模板进行工艺计算。吸取了上一次数次修改设计书的经验，这次一开始并没有直接在设计书上进行编辑修改，而是先利用草稿纸列出各项计算参数，编写Excel文件进行计算，方便调整参数的选择，以符合工艺要求。把设计书的修改、排版放在了画完图纸之后。在完成工艺计算后，机械设计部分的尺寸选择反倒遇到了较大的阻碍。许多零件的标准尺寸需要翻阅各份标准，参考其他人的经验值，使得这一

31、部分的完成需要和同学一起进行讨论。其实机械设计部分由于本次课程设计对于强度校核没有严格要求，任务已经相对轻松，但是部分结构的尺寸数据是需要边画图才能边确定的，所以在进行机械设计部分的计算时，应当先绘制装配草图，以弄清楚对各部分结构之间的装配关系，方便尺寸选择。在选择各结构尺寸时，应当优先考虑标准值，再根据实际设计需要进行取舍。在图纸的绘制过程中，才逐渐对整个设备的结构和尺寸有了形象的了解，而如果事先有见到过列管式换热器的实物，会有利于装配图纸的绘制。在此过程中，值得一提的还有换热管的排管部分。根据数据大致确定管数分布后，一开始按比例用手绘，发现排管不合理后难以调整，手绘尺寸误差容易导致排管出现

32、失误，绘制圆心连线形成的三角形矩阵后，对整体的排管情况还是难有形象的认识。但是如果用SolidWorks软件进行绘制的话，不仅精确度提高了，方便拉杆位置的调整，而且得到的较为完整的剖面图，也有利于判断排管是否匀称。证明了：科学技术是第一生产力。虽然说磨刀不误砍柴工，但是在必要的准备步骤完成后就应当大胆开始绘制图纸了，而不能过分纠结于设计书中的每一项参数选择中。如果在设计计算过程中，遇到暂时无法确定的尺寸数据，应当标记后先跳过，回头再补充。要认识到少数尺寸规格在实际图纸绘制中再进行选择调整会更加方便的。经过此次的课程设计训练，与其说是巩固化工原理知识内容或是提高画图设计能力，我觉得更大的收获其实是在于设计计划的拟定与时间安排上面。确定设计流程，合理安排工作任务，有利于设计任务的有序进行，提高设计效率，也能减小个人的劳动强度。以上。十、参考资料1. 王瑶 张晓冬化工单元过程及设备课程设计，北京，化学工业出版社，20132. 钟理 化工原理（上册），北京，化学工业出版社，20133. 邹华生流体力学与传热，广州，华南理工大学出版社，20074. 钱颂文换热器设计手册，北京，化学工业出版社，2002附： 空气压缩机冷却器工艺流程图1 工艺流程简图： 2 结构简图：