化工原理课程设计任务书修复.docx

空气压缩机后冷却器设计说明书一 设计任务书1.1 设计任务：1 题目：空气压缩机后冷却器的设计。2 原始数据（1） 空气处理量 12 m3/min,操作压强1.4Mpa（绝对压）空气进口温度：143 ； 终温：40（2） 冷却剂：常温下的水初温：25； 终温：31； 温升t=6（3） 冷却器压降1米水柱1.2 设计项目1 确定设计方案：确定冷却型式，流体理想和流速的选择，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，折流板等。4 机械设计：确定壳体，管板壁厚尺寸，选择冷却器封头，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：二、确定设计方案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固定管板式换热器，这种换热器适用于下列情况：温差不大；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(20R钢)。2.2 流动方向及流速的确定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1.1Mpa，而冷却水的操作压力取0.3Mpa，如果热空气走管内可以避免壳体受压，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。查阅化工原理（上）P201表49 可得到，热空气的流速范围为530 ms-1；冷却水的流速范围为0.21.5 ms-1。本设计中，假设热空气的流速为8 ms-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。空气空气水水三、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：参类 数型体积流量（标准m3/min）进口温度（）出口温度（）操作压力（Mpa）设计压力（Mpa）空 气（管内）12143 401.41.5冷却水（管外）2531 0.10.2注：要求设计的冷却器在规定压力下操作安全，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定性温度的确定可取流体进出口温度的平均值。管程气体的定性温度为 壳程水的定性温度为 3.2.2流体有关物性数据根据由上面两个定性温度数据，查阅化工原理（上）P243的附录六：干空气的物理性质（101.33kPa）和P244的附录七：水的物理性质。运用内插法（公式为 ）,可得壳程和管程流体的有关物性数据。空气在91.5，1.5MPa下的有关物性数据如下：物性密度i（kg/m3）定压比热容cpi kJ/(kg)粘度i（Pas）导热系数i（Wm-1-1）空气 14.351.0092.2110-5 0.0322 水在28的物性数据如下：物性密度o（kg/m3）定压比热容cpo kJ/(kg)粘度o（Pas）导热系数o（Wm-1-1）水996.2 4.1768.4210-40.0616注：空气的物性受压力影响较大，而水的物性受压力影响不大。空气密度校正，由化工原理实验P31，公式2-36得：i1.2931.293(1.5MPa/101.33kPa)273/(273+91.5)14.35 kgm-3四、传热过程工艺计算4.1 估算传热面积4.1.1热流量空气的质量流量为 m i = 60 Vi Ai=601214.35=10332 kg/h根据流体力学（上）P177，公式（4-109），热流量为 Q i = mi Cpi (T1T2) =103321.009（14340）=1.074106 kJ/h = 298270 W4.1.2平均传热温差根据传热传质过程设备设计P15，公式1-11，= = =48.254.1.3传热面积由于管程气体压力较高，故可选较大的总传热系数。初步设定设Ki=220 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1-8mo = kg/h=11.91kg/s4.2主体构件的工艺结构尺寸4.2.1管径和管内流速选用192mm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的数据，可设空气流速ui7.5m/s，用u i计算传热膜系数，然后进行校核。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P62，公式3-9可依据传热管内径和流速确定单程传热管数(根)，圆整取151根按单程管计算，所需的传热管长度为m按单管程设计，若取传热管管长4m，则裕量太大，采用多管程结构。取传热管长 l= 2 m ，则该换热器管程数为Np=L / l=3.95/22（管程）传热管总根数 N = 1512= 302 （根）。单根传热管质量786023.140.0170.004=1.68kg4.2.3 平均传热温差校正及壳程数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R17.17P0.051 依传热传质过程设备设计P16，公式3-13，温度校正系数为0.941依传热传质过程设备设计P16，公式3-14，平均传热温差校正为tm=tm =48.250.941=45.40( )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组合排列法，即每程内均按正三角形排列，隔板两侧采用正方形排列。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。查热交换器原理与设计P46，表2-3 管间距，取管间距：t 32 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=1.120根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=25/2+6=18.5mm19mm取各程相邻管的管心距为38mm。4.2.5 壳体内径 采用多管程结构，取管板利用率=0.7，由流体力学与传热P206，公式4-115，得壳体内径为Di =1.05t=1.0525=545.24 mm , 查阅化工原理（上）P275，附录二十三：热交换器，取Di =600mm。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=150mm 查换热器设计手册表1-2-61，取板间距H200mm，则：折流板数 NB=1=1=9 块 根据壳体的长度和水进出口接管的设置Ns取6块，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。由流体力学与传热P164，公式4-60、4-61，得ho = 其中：当水做冷却剂时，粘度校正为=1.05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P72，公式3-22得de0.0173 m壳程流通截面积，由流体力学与传热P164，公式4-62，得So = BD(1)=0.20.600（1）0.0288 m2壳程冷却水的流速及其雷诺数分别为uo =0.415m/sReo8494.3普朗特准数（P26，公式1-43）Pr =5.71因此，壳程水的传热膜系数ho为ho = =3233.36 W/(m2)(2)管程对流传热系数由流体力学与传热P158，公式4-52a、4-52b，得hi = 0.023Re0.8Pr0.3其中： 管程流通截面积Si =0.0267 m2管程空气的流速及其雷诺数分别为ui =7.49 m/sRe72951.2普兰特准数Pr =0.692因此，管程空气的传热膜系数hi为hi=0.02372951.20.80.6920.3=343.52W/(m2)(3)基于管内表面积的总传热系数Ki查阅化工原理（上）P365，附录22，得l 冷却水侧的热阻Rso0.000172m2W-1l 热空气侧的热阻Rsi0.000344m2W-1l 钢的导热系数45Wm-1-1因此，依化工单元过程及设备课程设计P71，公式3-21 Rsi 0.0003440.000172=3.6710-3解得：272.48 W/ (m2)此计算值与前面的初设值Ki=220 W/ (m2)的关系： =1.238满足换热器设计所要求的/Ki=1.151.25的范围，初选的换热器合适。(4) 传热面积依化工单元过程及设备课程设计P75，公式3-35：QiSitm得：SiQi/(tm)298270/（272.4845.40）24.11 m2该换热器的实际传热面积SpSp=3.140.0152302=28.45 m2依化工单元过程及设备课程设计P76，公式3-36该换热器的面积裕度为=18.0%传热面积裕度符合要求的15%20%的范围，该换热器能够完成换热任务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元过程及设备课程设计P77，公式3-42计算。该换热器用自来水作为冷却水，设定冷却水进口温度为25，出口温度为33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P77，公式3-44、3-45计算tm=0.431+0.625=27.4Tm=0.5（143+40）=91.5 hc = ho = 3233.36 W/ (m2) hh = hi = 343.52W/ (m2)传热管平均壁温=33.56 壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=27.4 壳体壁温和传热管壁温之差为 t=33.5627.4 =6.16 该温差不大，故不需要设温度补偿装置。4.3.3换热器内流体的流动阻力(压降)(1)管程流动阻力依化工单元过程及设备课程设计P78，公式3-473-49可得管内流体： Re=8494.3 105由柏拉休斯公式：i=0.0193直管部分的压降：p1= = 1035.8 Pa热空气在冷却器内流动时，出现三次突然扩大与三次突然缩小，所以 3（0.5+1）4.5 弯管回路中的压降：p2=1811.32 Pa 总压降：pi（p1+p2）Ft Ns Np（1035.8+1811.32）1.5128541.36Pa 9800 Pa（符合设计要求） 其中， Ft为结垢校正系数，取1.5；Ns为串联壳程数，取1；Np为管程数，取2。(2)壳程阻力：由传热力学与传热P209，公式4-121、4-122，得： 流体横过管束的压降：p1=Ffonc(NB+1)其中：F=0.5fo=5.0（8494.3）-0.228=0.6355nc=20NB=6uo=0.415 m/sp1=0.50.635520(6+1)(996.20.4152)/2 4064.13Pap2NB（3.5）6（3.5）(996.20.4152)/21553Pa总压降：po（p1p2）Fs Ns（4064.131553）1.1516459.7Pa 9810 Pa（符合设计要求） 其中，Fs为壳程压强降的校正系数，对于液体取1.15；Ns为串联的壳程数，取1。五、主要构件的设计计算及选型5.1壳体5.1.1壳体直径根据前面的工艺计算，本次设计采用的换热器壳体内径Di600 mm。容器的公称直径大于600mm时采用钢板卷制而成，材料为Q245，换热器设计手册，采用公称直径为DN450mm8mm的壳体，则Do616mm，Di600 mm。5.1.2壳体壁厚 查阅化工设备机械基础P126，表9-3，采用Q245-B.F钢板(GB3274)，其中钢密度7860kgm3由Po0.2 MPa， Di600mm，再查阅化工设备机械基础P124，表9-6,对壳体与管板采用单面焊，当全部无损探伤时，焊接接头系数0.9。查阅过程设备设计P373，附录表D-1 Q245在厚度316板许用应力，得：t=147MPa ，s245MPa4.54 10-4(mm)查阅化工设备机械基础P127，表9-10钢板厚度负偏差，取C10.3mm， C22mm。圆整后： n=4.54 10-4+0.3+28(mm) 5.1.3水压校核 由过程设备设计P193，公式（4-88），（4-89），得： 13.03 MPa 而0.9s=0.90.9245=198.4MPa因为0.9s，所以水压试验时强度足够。5.1.4壳体质量壳体长度=1.904m质量=78601.9043.14（0.61620.62）/4 =228.57kg注：个别数据来源于后续步骤。详见附图。5.2管板5.2.1管板参数根据壳体内径尺寸，查阅换热器设计手册P161，表1-6-9 管板尺寸表，由于没有适合本次设计的标准管板，材料为16MnR根据非标准设计得管板相关参数。具体参数列于下表： 管板参数（管板按非标准设计）参数名称参数值管板直径Da/mm600管板外径D/mm740管板厚度ba/mm44螺栓孔直径d2/mm23螺栓规格M20100螺栓数量n2/个28螺栓孔高度bf/mm34管板螺栓孔间距D1/mm700管板法兰直径Df /mm740管板螺栓内侧边间距D4/mm652管孔直径d1/mm19.6管孔数/个302换热管外伸长度/mm4管板体积/m30.01358管板质量/kg106.74注：管板体积=0.01358单块管板质量：m=0.013587860106.74kg5.2.2管板与壳体的连接 管板兼作法兰，固定板与壳体采用不可拆焊接式，管板与封头采用法兰连接。5.2.3管子在管板上的固定方式 采用焊接法在管板上固定管子。根据换热器设计手册P172，表1-6-20，管子伸出长度约4mm。5.3拉杆本换热器壳体内径为600mm，查阅换热器设计手册P14，表1-2-4得：拉杆螺纹公称直径：=12mm拉杆长：L1=1.494m L2=1.294m前螺纹长La=20mm后螺纹长Lb=50mm拉杆数：4根左视图拉杆位置如左图的圆圈位置所示。拉杆质量：m=7860（31.1.494+11.294）3.140.0122/4=6.3kg拉杆外套有定距管，规格与换热管一样，长度：L1=1.75 m，L2=1.45m。粗略计算定距管质量 m=7860（31.75+11.45）3.14(0.02520.022)/4=15.09 kg5.4分程隔板查阅化工单元过程及设备课程设计P127，表4-1，因本此设计换热器的公称直径Di=600mm ，对于碳钢，得隔板厚度为：b8mm 。分程隔板长L=300+25+150+5+444-8=507mm，其中8mm为管箱嵌入法兰深度，5mm为隔板嵌入管板深度，4mm为换热管伸出管板的长度。分程隔板质量以长方体板粗略估计：m=0.60.5070.0087860=19.13kg5.5折流板5.5.1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。前面已算出：折流板数 NB=6 块圆缺高度 h150 mm板间距 B200mm查阅换热器设计手册P182，表1-6-26和表1-6-33，得：折流板直径 Da(6004.5)mm=595.5mm折流板厚度 C4mm。折流板的管孔，按GB151规定I级换热器，管孔直径=19+0.4=19.4mm查换热器设计手册P184 公式计算： 圆缺部分面积：=0.20738=0.207380.595.520.00.0738折流板体积 C=0.004=0.00046 折流板质量：m=90.000467860=32.54 kg5.6封头及管箱5.6.1 封头查阅材料与零部件P332，表2-1-9，本换热器采用椭圆型封头(JB115473)两个，材料采用Q245，公称直径Dg600mm（以内径为公称直径），前管箱封头曲面高度h1150mm，直边高度h225mm，厚度8mm,重量=28.3kg。后封头曲面高度h1150mm，直边高度h250mm，厚度8mm,重量=310.3kg。一个焊接于管箱，一个焊接于法兰。5.6.2 管箱管箱长L=300mm，管箱外径=616mm（按非标准设计），壁厚=8mm管箱质量：m=3.140.6160.30.0087860=35.54 kg。5.6.3封头法兰及管箱法兰 封头和管箱法兰采用与管板法兰相对应的平面法兰，在公称压力1.01.6MPa范围内，选取的法兰参数为740mm，公称直径=600mm，孔间距D1=700mm，D2=665mm。孔直径23mm，厚度b=44mm ，法兰重量=41.2kg 。所用螺栓规格M20120mm，螺栓数目：28。一个法兰焊接在管箱，再与前管板连接；另一个法兰焊接在封头，与后管板连接。六、附属件的计算及选型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。 程流体进出口接管：取接管内水的流速为 ui= 0. 54m/s，则接管内径为=0.168 m取标准管径为 200 mm查表材料与零部件（上）P655表 2-8-1，取管的外径200mm，管厚6mm，伸出高度200mm。接管质量=3.140.2060.0060.27860=6.3kg进水口采用凸法兰，出水口采用凹法兰，查阅材料与零部件P380，表2-2-19，取法兰直径315 mm，厚度b=30mm，螺栓孔间距D1280mm，D2=258mm，孔直径22mm。法兰重量：凹法兰5.72kg，凸法兰=6.4kg，螺栓规格：M16，螺栓数量为8。由于iui2=996.00.542=290.52200 kg/(ms2)，故不需防冲板。 程流体进出口接管：取接管内空气的流速为 uo=9.75 m/s，则接管内径为=0.162 m取标准管径为 200 mm查表材料与零部件P132无缝钢管（YB231-70），取管的外径219mm，管厚6mm ，查阅材料与零部件（上P655表 2-8-1，伸出高度200mm。接管质量=3.140.2060.0060.27860=6.3kg进气口采用凹法兰，出气口采用凸法兰。查阅材料与零件P380，表2-2-19，法兰的直径335mm，厚度b=6mm，螺栓孔间距D1295mm，D2=268mm，孔直径23mm。法兰重量：凹法兰9.3kg，凸法兰=3.90kg，螺栓规格：M20，数量为12。6.2排液管查表材料与零部件P123无缝钢管（YB231-70），取排液管：外径57mm，管厚3.5mm，伸出高度100mm。质量=78603.140.05350.00350.1=0.462kg。查阅材料与零部件P384，表2-2-23，配套法兰：选用凸法兰，dH=57mm，厚度b=16mm，D=140mm，D1=110mm，D2=90mm，质量m1.42kg。6.3支座设计6.3.1 支座的设计选型查材料与零部件（上）P627-628，表2-7-1 鞍式支座尺寸，当公称直径450mm时，b1=180mm , L=550mm , B=120mm， b=90mm，m=220mm，质量=26.3kg，支座间距为（0.40.6）L，因为管板对壳体具有很好补强作用，所以没必要为了使封头能补强壳体而去A=0.2L。考虑到接管的设置，取支座的间距为1322mm。6.3.2 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）228.57228.572管板2106.74213.483壳程接管26.312.64壳程接管法兰2凹5.72/凸6.412.125管程接管26.312.66管程接管法兰2凹9.3/凸10.820.17排液管10.4620.4628排液管法兰11.421.429隔板119.1319.1310封头2前28.3/后31.359.611封头法兰141.241.212传热管3021.68506.8413拉杆3/11.72 /1.156.3114定距管L137.6815.09L217.4115折流板63.6221.7216管箱135.5435.5417管箱法兰141.241.218支座226.352.6换热器总重量/kg1018.1（2）传热管和拉杆所占的体积粗略为： V23.14（0.025/2）22.914104=0.149m3 壳体体积为： V13.14（0.450/2）22.9140.463m3 忽略隔板体积，水充满整个换热器时的总重为： = 1018.1+（0.463-0.149）996.01330.84kg。小于该鞍式支座的最大载荷14吨。（3）壳体刚度校核已知公式： 和 换热器的受力可简化为如图：AAL 弯矩图为：L=1.790m，=1018.1kg，g=9.81N/kg。校正为1020kg。取A=0.34L=0.341.7900.6086(m)，此时=0.025gL=0.02510209.811.790=705.94Nm抗弯截面模量：=0.0013=705.94/0.0013=0.543MPat=133MPa故此壳体适用。七、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：工艺参数管程壳程质量流量/(kg/h)6439.14进/出口温度/25/33148/42操作压力/MPa1.10.3 物性参数定性温度/9529密度/(kg/m3)11.36996.0定压比热熔/kJ/(kgK)1.0094.175粘度/(Pas)2.1710-58.2110-4热导率/W/(mK)0.03170.601普朗特准数0.69157.03工艺主要计算结果流速/(m/s)7.950.389污垢热阻/m2K/ W0.000344