空气压缩机一段冷却器设计

1 目录目录 第第 1 章绪论章绪论 2 1 11 1 空气压缩机冷却器工艺流程图空气压缩机冷却器工艺流程图 2 1 1 11 1 1 工艺流程简图工艺流程简图 2 1 1 21 1 2 结构简图结构简图 2 1 21 2 换热器的类型换热器的类型 3 1 31 3 换热器换热器 3 第第 2 章设计计算章设计计算 4 2 12 1 确定设计方案确定设计方案 4 2 1 12 1 1 换热器的类型换热器的类型 两流体的温度变化两流体的温度变化 4 2 1 22 1 2 管程安排管程安排 4 2 22 2 确定物性数据确定物性数据 5 2 32 3 估算传热面积估算传热面积 5 2 3 12 3 1 热流量热流量 5 2 3 22 3 2 冷却水用量冷却水用量 5 2 3 32 3 3 平均传热温差先按照纯逆流计算平均传热温差先按照纯逆流计算 5 2 3 42 3 4 初算传热面积初算传热面积 6 2 42 4 工艺尺寸工艺尺寸 6 2 4 12 4 1 管径和管内流速管径和管内流速 6 2 4 22 4 2 管程数和传热管数管程数和传热管数 6 2 4 32 4 3 平均传热温差校正平均传热温差校正 7 2 4 42 4 4 传热管排列和分程方法传热管排列和分程方法 7 2 4 52 4 5 壳体内径壳体内径 8 2 4 62 4 6 折流板折流板 8 2 4 72 4 7 接管接管 8 2 52 5 换热器核算换热器核算 9 2 5 12 5 1 热传热面积校核热传热面积校核 9 2 5 22 5 2 换热器内压核算换热器内压核算 11 第第 3 章心得体会章心得体会 13 第第 4 章参考文献章参考文献 14 2 第第 1 章绪论章绪论 1 11 1 空气压缩机冷却器工艺流程图空气压缩机冷却器工艺流程图 1 1 1 工艺流程简图工艺流程简图 1 1 2 结构简图结构简图 3 1 2 换热器的类型换热器的类型 列管式换热器又称为管壳式换热器 是最典型的间壁式换热器 历史悠久 占据主 导作用 主要有壳体 管束 管板 折流挡板和封头等组成 一种流体在关内流动 其 行程称为管程 另一种流体在管外流动 其行程称为壳程 管束的壁面即为传热面 其主要优点是单位体积所具有的传热面积大 传热效果好 结构坚固 可选用的结 构材料范围宽广 操作弹性大 因此在高温 高压和大型装置上多采用列管式换热器 为提高壳程流体流速 往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板 折流挡 板不仅可防止流体短路 增加流体流速 还迫使流体按规定路径多次错流通过管束 使 湍流程度大为增加 列管式换热器中 由于两流体的温度不同 使管束和壳体的温度也不相同 因此它 们的热膨胀程度也有差别 若两流体温差较大 50 以上 时 就可能由于热应力而引 起设备的变形 甚至弯曲或破裂 因此必须考虑这种热膨胀的影响 1 3 换热器换热器 换热器是化工 石油 食品及其他许多工业部门的通用设备 在生产中占有重要地 位 由于生产规模 物料的性质 传热的要求等各不相同 故换热器的类型也是多种多 样 按用途它可分为加热器 冷却器 冷凝器 蒸发器和再沸器等 根据冷 热流 体热量交换的原理和方式可分为三大类 混合式 蓄热式 间壁式 间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器 在这类换热器中 冷 热流体被 固体壁面隔开 互不接触 热量从热流体穿过壁面传给冷流体 该类换热器适用于冷 热流体不允许直接接触的场合 间壁式换热器的应用广泛 形式繁多 将在后面做重点 介绍 直接接触式换热器又称混合式换热器 在此类换热器中 冷 热流体相互接触 相 互混合传递热量 该类换热器结构简单 传热效率高 适用于冷 热流体允许直接接触 和混合的场合 常见的设备有凉水塔 洗涤塔 文氏管及喷射冷凝器等 蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器 此类换热器是借助于热容量较大的固体 蓄热体 将热量由热流体传给冷流体 当蓄热体与热流体接触时 从热流体处接受热量 蓄热体温度升高后 再与冷流体接触 将热量传给冷流体 蓄热体温度下降 从而达到 4 换热的目的 此类换热器结构简单 可耐高温 常用于高温气体热量的回收或冷却 其 缺点是设备的体积庞大 且不能完全避免两种流体的混合 工业上最常见的换热器是间壁式换热器 根据结构特点 间壁式换热器可以分为管 壳式换热器和紧凑式换热器 紧凑式换热器主要包括螺旋板式换热器 板式换热器等 管壳式换热器包括了广泛使用的列管式换热器以及夹套式 套管式 蛇管式等类型 的换热器 其中 列管式换热器被作为一种传统的标准换热设备 在许多工业部门被大 量采用 列管式换热器的特点是结构牢固 能承受高温高压 换热表面清洗方便 制造 工艺成熟 选材范围广泛 适应性强及处理能力大等 这使得它在各种换热设备的竞相 发展中得以继续存在下来 使用最为广泛的列管式换热器把管子按一定方式固定在管板上 而管板则安装在壳 体内 因此 这种换热器也称为管壳式换热器 常见的列管换热器主要有固定管板式 带膨胀节的固定管板式 浮头式和 U 形管式等几种类型 第第 2 章设计计算章设计计算 2 1 确定设计方案确定设计方案 2 1 1 换热器的类型换热器的类型 两流体的温度变化两流体的温度变化 两流体温度的变化情况 热流体进口温度 137 出口温度 40 冷流体进口温度40 出口温度为 30 该换热器用循环冷却水冷却 冬季操作时 其进口温度会降低 考虑到这一因素 估 计该换热器的管壁温度和壳体温度之差较大 确定选用浮头式换热器 5 2 1 2 管程安排管程安排 从两物流的操作压力看 应使混合气体走管程 循环冷却水走壳程 但由于循环冷 却水较易结垢 若其流速太低 将会加快污垢增长速度 使换热器的热流量下降 所以 从总体考虑 应使循环冷却水走管程 热空气走壳程 2 2 确定物性数据确定物性数据 定性温度 对于一般气体和水等低黏度流体 其定性温度可取流体进出口温度的平 均值 故壳程混和气体的定性温度为 T 13740 88 5 2 管程流体的定性温度为 t 35 4030 2 空气与冷却水的物理性质表 物 性 密度 kg m3 比热容 kJ kg 粘度 Pa s 导热系数 W m 1 1 空气0 9871 0092 13 10 5 0 031 水994 034 1747 27 10 40 626 2 32 3 估算传热面积估算传热面积 2 3 1 热流量热流量 65000 0 987 1 009 971790 4 3600 Tm hp h QqcTkw 2 3 2 冷却水用量冷却水用量 3 m c 1790 4 q42 9 155 3 4 174 10 T p c Q kg smh ct 6 2 3 32 3 3 平均传热温差先按照纯逆流计算平均传热温差先按照纯逆流计算 137 40 40 30 38 3 137 40 ln 40 30 m tC 2 3 4 初算传热面积初算传热面积 查下表取K 280 W k 列管式换热器中总传热系数列管式换热器中总传热系数K的经验值的经验值 冷流体热流体总传热系数 W K 水水850 1700 水气体17 280 水有机溶剂280 850 水轻油340 910 水重油60 280 2 1790 4 167 280 38 3 T m Q Sm K t 估 2 4 工艺尺寸工艺尺寸 2 4 1 管径和管内流速管径和管内流速 选用mm较高级冷拔传热管 碳钢 差下表取管内流速 25 2 5 1 2 i um s 列管式换热器常用流速范围列管式换热器常用流速范围 流速 m s 流体类型 管程壳程 一般液体0 5 30 2 1 5 易结垢液体 1 0 5 气体5 303 15 7 2 4 2 管程数和传热管数管程数和传热管数 可以依据传热管内径和流速确定单程管传热数 2 155 3 3600 125 0 785 0 021 2 4 v c s ii q N d u 按照单管程 所需的传热管长度为 按单程管设计 传热管过长 宜采用多管程结构 现取 l 6m 则该换热器的管程数 为 取 4 p N 传热管总根数 n 500 根 2 4 3 平均传热温差校正平均传热温差校正 11 21 13730 10 4030 Tt R tt 按单壳程 四管程结构 查得 0 85 t 平均传热温差 0 85 38 332 6 mtm ttC 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 o S167 L 18 d3 14 0 025 125 s m N 估 18 3 6 p L N l 21 11 4030 0 09 13730 tt P Tt 8 2 4 42 4 4 传热管排列和分程方法传热管排列和分程方法 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 取管心距 则1 25 to Pd 1 25 2531 2532 t Pmm 隔板中心到离其最近一排管中心距离按下式计算 622 2 t P Zmm 各程相邻管的管心距为 44mm 2 4 5 壳体内径壳体内径 采用多管程结构 壳体内径可按下式估算 取管板利用率 0 75 则壳体内径为 500 1 051 05 32795 0 75 t n DPmm 按卷制壳体的进级档 可取 D 800mm 2 4 6 折流板折流板 用圆缺折流板 去弓形之流板圆缺高度为壳体内径的 25 则切去的圆缺高度为 h 0 25 800 200mm 故可取 h 200mm 取折流板间距 B 0 5D 则 B 0 5 800 400mm 可取 B 为 400mm 折流板数目 6000 1 1 14 400 B N 传热管长 折流板间距 9 2 4 7 接管接管 壳程流体进出口接管 取接管内气体流速为 则接管内径为 1 15 um s 1 65000 4 4 3600 205 3 14 15 v q Dmm u 圆整后可取管内径为 210mm 管程流体进出口接管 取接管内液体流速 则接管内径为 2 1 2 um s 2 155 3 4 3600 0 210 3 14 1 2 Dm 圆整后去管内径为 210mm 2 5 换热器核算换热器核算 2 5 12 5 1 热传热面积校核热传热面积校核 管程传热膜系数 4 08 0 PrRe023 0 i i i d 管程流体流通截面积 22 0 785 0 022500 072 i Sm 管程流体流速和离诺数分别为 155 3 0 60 3600 0 072 i um s 3 0 02 0 6 994 03 16407 6 0 727 10 ei d u R 普朗特数 33 4 174 100 727 10 4 85 0 626 p ri c P 10 0 80 42 0 626 0 02316407 64 853188 6 0 02 i WmC A 壳程传热膜系数 14 0 3 1 55 0 0 1 0 PrRe36 0 we d 当量直径 22 0 3 4 24 0 02 to e Pd dm d 壳程流通截面积 2 25 10 8 0 410 525 32 o O t d SBDm P 壳程流体流速及其雷诺数分别为 2 65000 3600 343 9 0 0525 o um 5 5 0 02 343 9 0 987 3 18 10 2 13 10 eo R 普朗特数 5 2 13 101 009 0 71 0 031 r P 粘度校正 0 14 0 95 w 0 550 332 0 031 0 363180000 710 95404 4 0 02 o WmC A 污垢热阻和管壁热阻 管外侧污垢热阻 管内测污垢热阻 42 3 44 10 o RmC W A 已知管壁宽度 b 0 0025m 碳钢在该条件下的热导率为 42 1 72 10 i RmC W A 50 Wm C A 总传热系数 K 为 11 2 1 270 9 1 ooo io iiimo KWmC ddbd RR ddd A 传热面积校核 3 2 1790 4 10 162 5 270 9 38 3 T m Q Sm K t 换热器实际传热面积 2 3 14 0 025 4 5 500176 6 oT Sd lNm 换热器的面积裕度 176 6 162 5 10 176 6 SS S 传热面积裕度合适 该换热器能够完成生产任务 2 5 2 换热器内压核算换热器内压核算 管程阻力 12 ispt pppN N F 1 2 1 4 2 i sp ul NNp d 由 Re 16407 6 传热管对粗糙度 0 2 20 0 01 查得 流速 0 048 1 20 i um s 所以 3 994 03 kg m 2 1 71 2994 03 0 047729 6 0 022 pPa 22 2 994 03 1 2 332147 1 22 i u pPa 7729 62147 1 4 1 455309 5 i pPa 管程流体阻力在允许范围内 壳程阻力 12 ots ppp FN 12 其中 1 s N 1 t F 流体流经管束的阻力 2 10 1 2 o cB u pFf nN 0 5F 0 228 0 5 16407 60 056f 1 11 1 50024 6 c nn 14 B N 计算得 因实际生产中达不到现取 0 u343 9 m s 0 u34 4 m s 2 1 0 987 34 4 0 5 0 056 24 6 156033 8 2 pPa 流体流过折流板缺口阻力 2 2 2 3 5 2 o B uh pN D 其中则0 3 0 8 hm Dm 2 2 2 0 3 994 03 34 4 143 522483 5 0 82 pPa 总阻力 6033 822483 528517 3 o pPa 由于该换热器壳程流体的操作压力较高 所以壳程流体的阻力也比较适 换热器主要结构尺寸和计算结果见下表 参数管程壳程 流率 m3 h155 365000 进 出口温度 30 40137 40 压力 MPa0 40 15 物 性 定性温度 3588 5 13 密度 kg m3 994 030 987 定压比热容 kj kg k 4 1741 009 粘度 Pa s 4 7 27 10 5 2 13 10 热导率 W m k 0 6260 031 雷诺数16407 6318000 普朗特数4 850 71 形式浮头式壳程数1 壳体内径 800台数1 管径 25 2 5 管心距 44 管长 6000管子排列正三角形 管数目 根500折流板数 个14 传热面积 176 6折流板间距 400 设备结构参数 管程数4材质碳钢 主要计算结果管程壳程 流速 m s 1 2034 4 表面传热系数 W k 3188 4404 4 污垢热阻 k W 0 000170 00034 阻力 MPa0 0553