化工原理课程设计-空气压缩机后冷却器

TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、设计任务书 1\o"CurrentDocument"设计数据 1\o"CurrentDocument"设计项目 1\o"CurrentDocument"设计分量 1二、确定设计方案 2\o"CurrentDocument"选择换热器的类型 2\o"CurrentDocument"流动方向及流速的确定 2\o"CurrentDocument"安装方式 2\o"CurrentDocument"三、设计条件及主要物性参数 3\o"CurrentDocument"设计条件 3\o"CurrentDocument"确定主要物性数据 3定性温度 3流体有关物性数据 3\o"CurrentDocument"四、传热过程工艺计算 5估算传热面积 5热流量 5平均传热温差 5传热面积 5冷却水用量 5\o"CurrentDocument"主体构件的工艺结构尺寸 5管径和管内流速 5管程数和传热管数 5平均传热温差校正及壳程数 6传热管的排列和分程方法 6壳体内径 6折流板 6\o"CurrentDocument"换热器主要传热参数核算 7热量核算 7壁温核算 9换热器内流体的流动阻力（压降） 9\o"CurrentDocument"五、机械结构设计 11\o"CurrentDocument"壳体 11壳体直径与壁厚 11气压校核 11\o"CurrentDocument"浮头管板及浮头法兰 11\o"CurrentDocument"管箱法兰和管箱侧壳体法兰 11\o"CurrentDocument"管箱结构设计 12\o"CurrentDocument"固定端管板结构 12\o"CurrentDocument"外头盖法兰、外头盖侧壳体法兰 12\o"CurrentDocument"拉杆 12\o"CurrentDocument"分程隔板 12\o"CurrentDocument"接管 12\o"CurrentDocument"流板 13流板选型 13流板计算 13\o"CurrentDocument"六、连接及排列方式 14\o"CurrentDocument"管子与管板的连接 14\o"CurrentDocument"管板与壳体、管箱的连接 14\o"CurrentDocument"管程分布与管子排列 14\o"CurrentDocument"分程隔板的连接 14\o"CurrentDocument"七、附属件的计算及选型 15\o"CurrentDocument"接管法兰 15\o"CurrentDocument"垫片 15\o"CurrentDocument"防冲板 15\o"CurrentDocument"支座设计 15支座的设计选型 15支座承载能力校核 16\o"CurrentDocument"八、设计计算结果汇总表 17\o"CurrentDocument"九、设计总结 18\o"CurrentDocument"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：V=13m3/min（标准状态）h 操作压强：Ph=1.5MPa进口温度（初温）：T1=150℃出口温度（终温）：T广40℃（2）冷却剂：常温下的水初温：ti=30℃；终温：t2=36℃；温差：△==6℃；（△t=5〜8℃）（3）冷却器的压降＜1m水柱（1m水柱=9.8*103pa）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；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、确定设计方案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）。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3〜15m-s-i；冷却水的流速范围为0.3〜3.0m-s-i。本设计中，假设冷却水的流速为0.6m-s-i,然后进行计算校核。安装方式三、设计条件及主要物性参数设计条件由设计任务书可得设计条件如下表:'类型数^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。确定主要物性数据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T二业”二95℃2管程水的定性温度为t二30±36二33℃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：入=0.0317W・m-i・K-io粘度：匕=2.17X10-5Pa-s定压比热容：C=1.009kJ・kg-i・K-ip,o空气密度：P=.293kg•m-3X(1600kPa/101.33kPa)X273K/(273+95)K=15.146okg,m-3在95℃,1.6MPa下空气的有关物性数据如下:物性密度Po(kg/m3)定压比热容Cp,o[kJ/(kg•r)]粘度no(Paes)导热系数入o(W*m-1*℃-1)空气15.1461.0092.17X10-50.0317冷却水物性：导热系数：入=0.6220W.m-i-K-1i粘度：匕=7.523X10-4Pa-s定压比热容：C,=4.178kJ*kg-i*K-1pi密度：P=994.73kg,m-3在33℃水的物性数据如下：物性密度Pi(kg/m3)定压比热容cp,i[kJ/(kg℃)]粘度ni(Paes)导热系数入i(W・m-1・℃T)水994.734.1787.523X10-40.6220四、传热过程工艺计算估算传热面积热流量13空气的体积流量为V=—=0.2167m3/so60空气的质量流量为qmo=0.2167X15.146=3.282kg/s热流量为①二qmCm(Ti-T2)=3.2816X1.009X(150-40)=364.23kW平均传热油差。'01 2Atm=42.73℃(工—t2)—(T2—t1)(150-36)-(40Atm=42.73℃i:T_J1150—36ln1 2- ln T—t 40—30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17〜280W-m-2-℃-1。初步设定设K=200W-m-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A)，

p KA)，

p KAtm364.23x103200义42.73=42.615m2冷却水用量根据《传热传质过程设备设计》P15,公式1-8=14.53kg/s==14.53kg/s=52306kg/hci(12—11)—4.178x103x(36-30)主体构件的工艺结构尺寸管径和管内流速选用@25X2.5mm的传热管（碳钢管）；由《传热传质过程设备设计》P7表1-3得管壳式换热器中常用的流速范围为0.5〜3.0m/s。设冷却水流速u=0.6m/so管程数和传热管数 i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14.53/994.733.14-x0.0202x0.64=77.5氏78根（根）按单程管计算，所需的传热管长度为42.6153.1442.6153.14x0.025x78=6.956m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l=4.5m，则该换热器的管程数为NL0二喈“久管程）传热管总根数 NT=78义2=156（根）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R= R= t—t二15上”二18,3336—30t-1 36-30P=——= =0.05T-11 150-30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，=0.91则实际平均传热温差At二£八八t塑=0.91*42.73=38,89℃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。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==1.25盘t=1.25X25=31.25心32mm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=22mm分程隔板两侧相邻管排之间的管心距为44mm。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3-20估算。取管板利用率n=0.7,则壳体内径为D=1.05t、;NT=1.05x32x^11056=501.6mm按卷制壳体的进级挡及工艺要求，可取D=600mm。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=0.25X600=150mm取折流板间距B=0.4Di,则B=0.4X600=240mm,取B为250mm。折 ’流 板 数根据实际N=壳程接管间距+1-4500-105-50-200-200-50-115+1=16.12B折流板间距 250根据实际情况选择板数为N=16。B折流板圆缺面水平装配。

换热器主要传热参数核算热量核算(1)壳程对流传热系数对于圆缺形折流板，可采用克恩公式。…入

h=…入

h=0.36eRe0.55Pri/3(«-)0.14nw其中：①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<3n4(—12—d2), 2 4od= 其中：①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<3n4(—12—d2), 2 4od= endoJ3 n4(—x0.0322__x0.0252)=-2 4 =0.0202m3.14x0.025②壳程流通截面积d 0.025S=BD(1——o)=0.25X0.6X(1 )=0.03281m2° t 0.032③壳程热空气的流速及其雷诺数分别为0.2167=cr=6.603m/s0.0328115.146x6.603x0.0202e= =930982.17x10-5④普兰特准数c从

pr=—pa_o

0九o1.009x103x2.17x10-50.0317=0.6907 n、⑤粘度校正(，)0.皿1nw因此，壳程空气的表面传热系数h°为…0.0317 1h=0.36xx930980.55x0.69073二270.0W/(m2•℃)0 0.0202⑵管程对流传热系数九h=0.023Re0.8Pr0.3才i其中：①管程流通截面积九d2N3.14x0.022156S=—『•t-= x——=0.02450m2i其中：①管程流通截面积九d2N3.14x0.022156S=—『•t-= x——=0.02450m2i42 4 2②管程冷却水的流速及其雷诺数分别为q 14.53/994.73u=—^= =0.5961m/siS0.02450iRe.=994.73x0.5961x0.02i= =157637.523x10-4③普兰特准数cPr.=.4.178x103x7.523x10一40.6220=5.053因此，管程空气的传热膜系数h为.c—一“cc0.6220……-一、h=0.023X157630.8X5.053o.3X =3119.1W/(m2・℃)i 0.02⑶基于管内表面积的总传热系数Kc由《化工单元过程及设备课程设计》表3-9和表3-10,可取管外侧污垢热阻R=0.0004m2・K・Wto管内侧污垢热阻R=0.0006m2・K・W-1i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50W・m-1-K-1按式3-34计算管壁热阻0.0025 /R= =0.00005m2•K/WW50因此，由《化工单元过程及设备课程设计》式3-21有1~dRdRTT o-+-i~~o+-W~~ohddd =188.3W/(m2•K)+R+—(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364.23X103二49.73m2KCAt 188.3x38.89该换热器的实际传热面积A=兀dlNT=3.14x0.025x4.50x156=55.13m2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

A—A 55.13—49.73H- c义100%= *100%=10.86%AC 49.73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。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》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T…/h

1/h+1/hh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m mtm=0.4X36+0.6X30=32.4℃Tm=0.5X(150+40)=95℃hc=hi=3119.1W/(m2•K)hh=h=270.0W/(m2•K)传热管平均壁温°-37.39℃95/3119.1+32.4/270.0t- -37.39℃w1/3119.1+1/270.0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=95—37.39=57.61℃因此，选用浮头式换热器较为适宜。换热器内流体的流动阻力（压降）⑴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02=0.01,查莫狄图得九=0.041.20 i直管部分的压降：lu2△p=8 i—p=0.041xilu2△p=8 i—p=0.041xiid2i

i0.02弯管回路中的压降：局部阻力系数。一般情况下取3△p=0"p=3x0.59612x994.73-530.15Par2i2总压降： △pt=(4p.+^p)FtNNNs壳程取1,Np管程取2：Ft管程结垢校正系数取1.5Apt=(1630.2+530.15)*1.5义1x2=6481.1<9810Pa符合设计要求。⑵壳程阻力：由《化工单元过程及设备课程设计》式3-50〜式3-54可得流体流过管束的压降：pu2△‘p=FfN(N+1)。。ooTCB 2其中：F=0.5f=5X(93098)-0.228=0.3682oN=1.1N0.5=1.1X1560.5=13.74TC TNB=16u=6.603m/s°△’Po=0.5X0.3682X13.74X(16+1)X(15.146X6.6032)/2=14197Pa2B pu2TOC\o"1-5"\h\z△'p=N(3.5- ) ()()iB D2, 2x0.25、,=16X(3.5- )X(15.146X6.6032)/2=14088Pa0.6总压降：△p=△'p+△,p=14197+14088=28285Pa<35000Pao o i符合设计要求。10五、机械结构设计壳体壳体直径与壁厚本次设计采用的换热器壳体内径Dj=600mm。由《传热传质过程设备设计》P305,总附表1,碳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D=616mm。壳体长度为4300mm。气压校核_p^[D+0.5S]。T T2SLe_1.15x1.6x(600+0.5x8)2X8=69.46MPa而0.8@Qs=0.8X0.8X235=150.4MPa因为。T<0.8@os，所以气压试验时强度足够。浮头管板及浮头法兰浮头管板外径：D=D-2b=600-2X3=594mmoi1浮头管板外径与壳体内径间隙，因为DN<600,取b「3mm浮头管板厚度：因为△t>50°C,设计压力为1.6MPa时，管板厚度取为46mm钩圈采用8型，设计厚度为46+16=62mm浮头盖封头球面内半径按GB151-1999标准中表46，当DN=600mm时，取R=500mmi浮头盖封头厚度取8mm垫片宽度：取b=12mmn浮头法兰内直径：Dfi=Di-2(b1+bn)=600-2X(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。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。11管箱结构设计选用8型封头管箱，取管箱总长度为475mm，管箱壁厚取8mm。封头直边高度为25mm,总高度为175mm。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。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25mm拉杆本换热器壳体内径为600mm，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：dn=16mm前螺纹长： L=20mma后螺纹长： L=60mmb拉杆数： 4根拉杆长度： L1=4185mmL=3935mm2拉杆位置见后面6.3的排管图。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D「600mm，对于碳钢，取隔板厚度为b=10mm。 1接管① 管程流体进出口接管：接管内流速应为管程水流速的1.2〜1.4倍，取接管内水的流速为u1=1.3ui=1.3X0.5961=0.775m/s，则接管内径为/ ：4q 4X14.53/994.73d='一与=1 =0.155m1\兀u 33.14X0.7751 112

同时管径应限制在d=(1/3~1/4)D=150~200mm,故取标准管径为200mm,管的外径为219mm,i伸出高度250mm。②壳程流体进出口接管：接管内流速应为壳程气体流速的1.2~1.4倍，取接管内气体的流速为u2=1.3uo=1.3X6.603=8.58m/s,则接管内径为,14x0.2167/15.1463.14x8.58, =0.179m3.14x8.58同时管径应限制在d=(1/3~1/4)D=150~200mm,故取标准管径为200mm,管的外径为219mm,i伸出高度250mm。③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。5.9.1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 N=16块B圆缺高度 h=150mm板间距 B=250mm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 D=(600—4.5—0.5)mm=595mma折流板厚度C=4mm管孔直径 d=25+0.8=25.8mm13六、连接及排列方式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。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。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16mm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。14七、附属件的计算及选型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295mm，法兰厚度C=26mm，螺纹M20，螺栓孔数量12。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。防冲板计算壳程流体PU2值：PU2=15.146X6.6032=660.4kg/(m・s2)<2230kg/(m,s2)因此此换热器不需安装防冲板。支座设计支座的设计选型查《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=(0.5~0.7)L=(0.5~0.7)X4300=(2150〜3010)mm,取L=3000mm。直接高度H取300mm。B15

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L’127.6815.09L’227.4115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1259.412kg(2)传热管和拉杆所占的体积粗略为：V=3.14X(0.025/2)2X4.5X(156+4)=0.353m32壳体体积为：V=3.14X(0.600/2)2X4.3=1.215m31忽略隔板体积，水充满整个换热器时的总重为：M总=1259.412+(1.215-0.353)X994.73=2116.87kg。小于该鞍式支座的最大载荷14吨。16

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//8/卜)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/(kg・K)]1.0094.178粘度/(Pa-s)2.17X1057.52X10-4热导率/[W/(m・K)]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/(m2•K)]267.03119总传热系数/[W/(m2«)]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/mm①25X2.5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