空气压缩机后冷却器课程设计.doc

化工原理课程设计 空气压缩机后冷却器课程设计课程设计说明书空气压缩机后冷却器课程设计学生姓名 指导教师 学 院 专 业 班 级 学 号 182008年7月目 录第一章 设计任务-3第二章 确定设计方案-4第三章 工艺设计-53.1 确定总传热量-53.2 确定冷却剂流量-53.3 平均传热温差校正-63.4 确定空气侧传热系数-6 3.5 确定水侧传热系数-73.6 确定总的传热系数-83.7确定换热器所需管子数-93.8 设计计算的校核-93.9 工艺设计结论-10第四章 结构设计-11第五章 机械设计-12第六章 附属设备选型-15第七章 设计结果汇总-16第八章 设计总结-17第九章 参考资料-18第十章 答辩题目-19第一章 设计任务第二章 确定设计方案2.1 冷却器的型式的选择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列管式换热器，因为列管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，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。本设计中的列管式换热器采用的材料为钢管(16MnR钢)。2.2流程的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。其原因如下：（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常压101.33Kpa，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）对于此刚性结构的换热器，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。（4）热空气经冷却器后带有油分，所以采用热空气走管内易于清洗。2.3 流体流速查阅流体力学与传热204页表49 可得到，热空气的流速范围为530 ms-1，一般采用的范围为515 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10.0 ms-1，然后进行计算校核。2.4 流体进出口温度的确定在本设计中，已知：空气的进口温度：T1=154 出口温度：T2=36根据华南地区的气候，冷却水的初始温度范围为2030，设水的进口温度：t1=25 出口温度：t2=302.5 压缩气体和冷却剂水在设计压力和其各自得定性温度下查表得物理性质： 物性流体温度tw(oC)密度(kg/m3)粘度(PaS)比热Cp(JKg)导热系数(W/moC)空气95.09.8010.000021710220.03169水27.5997.950.00080541740.5992.6 安装方式 该空气压缩机后冷却器采用立式换热器。3.1设计条件由设计任务书可得设计条件如下表：流体体积流量进口温度出口温度操作压力设计压力 空气（管内）V=28 m3/min (标准状态)T1160T239 Pi1.05MPaPdi=1.15MPa冷却水（管外）t125 t231 Po0.1MPaPdo=0.2Mpa 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，查阅流体力学与传热P247的附录四：干空气的物理性质（101.33kPa）和P242的附录二：水的物理性质。运用内插法可得壳程和管程流体的有关物性数据。空气在91.5，1.0MPa下的有关物性数据如下：物性密度i（kg/m3）定压比热容cpi J/(kg)粘度i（Pas）导热系数i（Wm-1-1）数值10.75510092.18810-50.03206水在28的物性数据如下：物性密度o（kg/m3）定压比热容cpo J/(kg)粘度o（Pas）导热系数o（Wm-1-1）数值996.2 41768.4210-40.616 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(1.15MPa/101.33kPa)273/(273+99.5)10.755kgm-3 4.1 估算传热面积4.1.1热流量QWh Cp，h（T1T2）VooCp，h（T1T2）=( 1660)1.293kgm-3 1.009kJkg -1K -1（16039）K=42096w4.1.2平均传热温差根据传热传质过程设备设计P15，公式1-11，tm = =45.154.1.3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=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1-8mo = kg/h4.2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ui7m/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)按单程管计算，所需的传热管长度为m按单管程设计，传热管过长，宜采用多管程结构。现取传热管长 l= 2 m ，则该换热器管程数为Np=L / l=3.81/22 （管程）传热管总根数 N = 402= 80 （根）。单根传热管质量=785023.140.0170.004=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R17.00P0.052 依传热传质过程设备设计P16，公式3-13，温度校正系数为0.952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 =45.150.952=42.98( )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 25 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nc =1.1=1.1=9.8410 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=18.5 mm 19mm取各程相邻管的管心距为38mm4.2.5 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=280.6 mm , 查阅传热传质过程设备设计P59，附表1-2（a），圆整可取Di =325 mm4.2.6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=0.25325=81.25 mm ，故可取h=80 mm。 取折流板间距B=0.4Di，则B=0.4325=130 mm，可取B为150mm。折流板数 NB=1=1=12 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de(3-1)来自流体力学与传热P181式(4-102)(3-4)来自化工原理实验P31公式(2-36)化工原理上册P330 干空气的物理性质化工原理上册p331 水的物理性质( (3-13)、(3-14)由流体力学与传热P156，表4-1 查得各准数的名称与符号(3-15)来自流体力学与传热P15公式(4-52a)，(4-52b)查热交换器原理与设计P64，表2-2 管间距，得，最小管间距t32mm(3-16)来自流体力学与传热P164，公式(4-62)(3-19)来自流体力学与传热P164(3-21)来自流体力学与传热P164 公式 (4-64)查热交换器原理与设计P416附录5、6查流体力学与传热P271 附录7(3-22)来自流体力学与传热P183 公式 (4-107)查阅流体离心与传热P205，取46查阅热交换器的原理与设计P68表26(3-28)、(3-29)来自流体力学与传热P206公式(4-115)、(4-116)(3-30)来自流体力学与传热P208公式 (4-118)(3-31)来自流体力学与传热P38公式(1-74a)(3-22)来自流体力学与传热P41柏拉修斯公式(1-82)(3-23)来自流体力学与传热P45公式(1-87a)管子伸出长度查阅化工设备机械基础P82a查阅化工设备机械基础P96(5-1)来自化工设备机械基础P6查阅化工设备机械基础P12 表22-12碳素钢、普通低合金钢板许用应力查化工设备机械基础P10，表22-10（5-2）来化工设备机械基础P6公式922-4)(5-3)来自化工设备机械基础P11,式(22-5)负偏差查阅化工设备机械基础P12，表22-14(5-4)来自化工设备机械基础P13，公式(22-6a)管板参数查阅换热器设计手册P161，表1-6-9 管板尺寸表拉杆尺寸查换热器设计手册P189挡板直径查换热器设计手册P196,表1-6-33(5-5)来自换热器设计手册P198 系数C查换热器设计手册P198,表1-6-35(5-6)来自换热器设计手册P198 公式(1-6-9)封头设计查阅材料与零部件P329表2-1-7 (5-7)来自流体力学与传热P207进气管查无缝钢管表(HG 5010-58,pg=10公斤/厘米2)进水管查无缝钢管表(HG 5010-58,pg=6公斤/厘米2)垫片查材料与零部件P451,表2-3-8.排水,气管查无缝钢管表(HG 5010-58),压力分别和进水,气相同支座的选择查材料与零部件P570，表2-7-1 角钢支脚尺寸第七章 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：工艺参数管程壳程体积流量/(m3/h)1000. 78进/出口温度/25/30154/36操作压力/MPa1.20.4 物性参数定性温度/9527.5密度/(kg/m3)9.801998定压比热熔/J/(kgK)10224174粘度/(Pas)2.1710-580.510-5热导率/W/(mK)0.031690.599普朗特准数0.75.61工艺主要计算结果流速/(m/s)10.2346污垢热阻/m2K/ W0.000340.00017阻力（压降）/MPa8185.24对流传热系数/W/(m2K)300.982545.99总传热系数/W/(m2K)263.26平均传热温差/47.125热流量/kW272.88 设备结构设计程数21推荐使用材料黄铜碳钢换热器型式固定管板式台数1壳体内径/mm430传热面积/m222管 径/mm252.5折流板型式上下管 数/根120折流板数/个9管 长/mm3000折流板间距/mm300管子排列方式切口高度/mm106.5管间距/mm32封头2个Do=450mm封头法兰dH=450mm隔板b=8mm拉杆4根d=10mm支座角钢支架管箱（非标准）Do=450mm管箱法兰D=565mm定距管252.5管板请参阅说明书P11壳程接管1084壳程接管法兰D=215mm管程接管1084管程接管法兰D=205mm排气管894排气管法兰D=195mm排液管894排液管法兰D=185mm第八章 设计总结两周的换热器课程设计让我进一步加深了对化工原理这门课程,特别是传热知识的理解和掌握。我综合地运用了所学习到的流体力学与传热,传热等化工原理基础知识, 运用纯熟的手工和电脑制图技巧加以配合,最终圆满完成这次设计课程, 设计出了一款性能优良的空气压缩机后冷却器。通过这次设计,我了解了很多课本没有的知识,总结出了以下几点体会： 1.它是知识的高度再现。巩固了我多方面的知识:包括强化了对Word、AutoCAD等知识的运用。这次课程设计,我综合运用了工程制图，化工设备设计基础，机械设计基础等课程的知识，可谓集思广益，全面上提高了综合运用各个学科知识，和交叉学科之间的相互渗透的能力。2培养了我查找科学文献,寻求标准化的思维方式。设计中需要查阅许多书籍、科学文献、数据参数，并需要找老师解答疑问,同时其中的许多数据,如:壳体壁厚,管板尺寸,分程隔板尺寸等的选取,我都积极和宿舍同学进行讨论,在熟悉换热器工作原理的同时,进一步增加了自己的知识；3培养了我实事求是的精神。在设计过程中,老师给我们一份设计任务书,要求我们对这些数据深究根源，力求保证整个设计的科学性和可行性。结合设计任务的具体要求，广泛查阅和收集资料，认真分析、对比和筛选，使设计尽可能先进、合理。例如: 材料与零部件上面外管和内管的尺寸都是有严格的要求的，不是随便随手画