化工原理課程設(shè)計(jì)--換熱器.doc

空氣壓縮機(jī)后冷卻器設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 粘貼二、確定設(shè)計(jì)方案2.1 選擇換熱器的類型本設(shè)計(jì)中空氣壓縮機(jī)的后冷卻器選用帶有折流擋板的固定管板式換熱器，這種換熱器適用于下列情況：溫差不大；溫差較大但是殼程壓力較??；殼程不易結(jié)構(gòu)或能化學(xué)清洗。本次設(shè)計(jì)條件滿足第種情況。另外，固定管板式換熱器具有單位體積傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固，傳熱效果好，而且能用多種材料制造，適用性較強(qiáng)，操作彈性大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，且適用于高溫、高壓的大型裝置中。采用折流擋板，可使作為冷卻劑的水容易形成湍流，可以提高對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，提高傳熱效率。本設(shè)計(jì)中的固定管板式換熱器采用的材料為鋼管(20R鋼)。2.2 流動(dòng)方向及流速的確定本冷卻器的管程走壓縮后的熱空氣，殼程走冷卻水。熱空氣和冷卻水逆向流動(dòng)換熱。根據(jù)的原則有：（1）因?yàn)闊峥諝獾牟僮鲏毫_(dá)到1.1Mpa，而冷卻水的操作壓力取0.3Mpa，如果熱空氣走管內(nèi)可以避免殼體受壓，可節(jié)省殼程金屬消耗量；（2）對(duì)于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，若兩流體的的溫度差較大，對(duì)流傳熱系數(shù)較大者宜走管間，因壁面溫度與對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大的流體溫度相近，可以減少熱應(yīng)力，防止把管子壓彎或把管子從管板處拉脫。（3）熱空氣走管內(nèi)，可以提高熱空氣流速增大其對(duì)流傳熱系數(shù)，因?yàn)楣軆?nèi)截面積通常比管間小，而且管束易于采用多管程以增大流速。查閱化工原理（上）P201表49 可得到，熱空氣的流速范圍為530 ms-1；冷卻水的流速范圍為0.21.5 ms-1。本設(shè)計(jì)中，假設(shè)熱空氣的流速為8 ms-1，然后進(jìn)行計(jì)算校核。2.3 安裝方式冷卻器是小型冷卻器，采用臥式較適宜?？諝饪諝馑⒃O(shè)計(jì)條件及主要物性參數(shù)3.1設(shè)計(jì)條件由設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)可得設(shè)計(jì)條件如下表：數(shù)參類型體積流量（標(biāo)準(zhǔn)m3/min）進(jìn)口溫度（）出口溫度（）操作壓力（Mpa）設(shè)計(jì)壓力（Mpa）空 氣（管內(nèi)）15148 421.11.2冷卻水（管外）2533 0.30.4注：要求設(shè)計(jì)的冷卻器在規(guī)定壓力下操作安全，必須使設(shè)計(jì)壓力比最大操作壓力略大，本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)壓力比最大操作壓力大0.1MPa。3.2確定主要物性數(shù)據(jù)3.2.1定性溫度的確定可取流體進(jìn)出口溫度的平均值。管程氣體的定性溫度為 殼程水的定性溫度為 3.2.2流體有關(guān)物性數(shù)據(jù)根據(jù)由上面兩個(gè)定性溫度數(shù)據(jù)，查閱化工原理（上）P243的附錄六：干空氣的物理性質(zhì)（101.33kPa）和P244的附錄七：水的物理性質(zhì)。運(yùn)用內(nèi)插法（公式為 ）,可得殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù)?？諝庠?5，1.2MPa下的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：物性密度i（kg/m3）定壓比熱容cpi kJ/(kg)粘度i（Pas）導(dǎo)熱系數(shù)i（Wm-1-1）空氣 11.361.0092.1710-5 0.0317 水在29的物性數(shù)據(jù)如下：物性密度o（kg/m3）定壓比熱容cpo kJ/(kg)粘度o（Pas）導(dǎo)熱系數(shù)o（Wm-1-1）水996.0 4.1758.2110-40.0601注：空氣的物性受壓力影響較大，而水的物性受壓力影響不大?？諝饷芏刃Ｕ?，由化工原理實(shí)驗(yàn)P31，公式2-36得：i1.2931.293(1.2MPa/101.33kPa)273/(273+95)11.36 kgm-3四、傳熱過(guò)程工藝計(jì)算4.1 估算傳熱面積4.1.1熱流量空氣的質(zhì)量流量為 m i = 60 Vi Ai(0,1atm)=60831.293=6439.14 kg/h根據(jù)流體力學(xué)（上）P177，公式（4-109），熱流量為 Q i = mi Cpi (T1T2) =6439.141.009（14842）=6.887105 kJ/h = 1.913105 W 4.1.2平均傳熱溫差根據(jù)傳熱傳質(zhì)過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)P15，公式1-11，= = Ai(0,1atm)=51.264.1.3傳熱面積由于管程氣體壓力較高，故可選較大的總傳熱系數(shù)。初步設(shè)定設(shè)Ki=200 Wm-2-1。根據(jù)傳熱傳質(zhì)過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)P14，公式1-2，則估算的傳熱面積為 m24.1.4冷卻水用量根據(jù)傳熱傳質(zhì)過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)P15，公式1-8mo = kg/h4.2主體構(gòu)件的工藝結(jié)構(gòu)尺寸4.2.1管徑和管內(nèi)流速選用252.5mm的傳熱管(碳鋼管)；由傳熱傳質(zhì)過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)P7表13得管殼式換熱器中常用的流速范圍的數(shù)據(jù)，可設(shè)空氣流速ui8m/s，用u i計(jì)算傳熱膜系數(shù)，然后進(jìn)行校核。4.2.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)依化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P62，公式3-9可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)(根)按單程管計(jì)算，所需的傳熱管長(zhǎng)度為m按單管程設(shè)計(jì)，傳熱管過(guò)長(zhǎng)，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長(zhǎng) l= 3 m ，則該換熱器管程數(shù)為Np=L / l=4.72/32（管程）傳熱管總根數(shù) N = 632= 126 （根）。單根傳熱管質(zhì)量785033.140.02250.0025=4.16kg4.2.3 平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)依化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P63，公式3-13a和3-13b，平均傳熱溫差校正系數(shù)R13.25P0.065 依傳熱傳質(zhì)過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)P16，公式3-13，溫度校正系數(shù)為0.931依傳熱傳質(zhì)過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)P16，公式3-14，平均傳熱溫差校正為tm=tm =51.260.931=47.72( )由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時(shí)殼程流體流量較大，故取單殼程合適。4.2.4 傳熱管的排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列。其中，每程內(nèi)的正三角形排列，其優(yōu)點(diǎn)為管板強(qiáng)度高，流體走短路的機(jī)會(huì)少，且管外流體擾動(dòng)較大，因而對(duì)流傳熱系數(shù)較高，相同的殼程內(nèi)可排列更多的管子。查熱交換器原理與設(shè)計(jì)P46，表2-3 管間距，取管間距：t 32 mm 。由化工原理上冊(cè)P278，公式4-123，得橫過(guò)管束中心線的管數(shù)為=1.113根由化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P67，公式3-16，隔板中心到離其最近一排管中心距離S=t/2+6=32/2+6=22 mm取各程相鄰管的管心距為44mm。4.2.5 殼體內(nèi)徑 采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率=0.7，由流體力學(xué)與傳熱P206，公式4-115，得殼體內(nèi)徑為Di =1.05t=1.0532=450.8 mm , 查閱化工原理（上）P275，附錄二十三：熱交換器，取Di =450mm。4.2.6折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為h=0.25450=112.5 mm ，故可取h=110 mm。取折流板間距B=0.4Di，則B=0.4450=180 mm。取板間距H150mm，則：折流板數(shù) NB=1=1=19 塊 折流板圓缺面水平裝配。4.3換熱器主要傳熱參數(shù)核算4.3.1熱量核算(1)殼程對(duì)流傳熱系數(shù) 對(duì)于圓缺形折流板，可采用克恩公式。由流體力學(xué)與傳熱P164，公式4-60、4-61，得ho = 其中：當(dāng)水做冷卻劑時(shí)，粘度校正為=1.05當(dāng)量直徑，管子為正三角形排列時(shí)，依化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P72，公式3-22得de0.0202 m殼程流通截面積，由流體力學(xué)與傳熱P164，公式4-62，得So = BD(1)=0.150.45（1）0.0148 m2殼程冷卻水的流速及其雷諾數(shù)分別為uo =0.389 m/sReo9532.73普朗特準(zhǔn)數(shù)（P26，公式1-43）Pr =57.03因此，殼程水的傳熱膜系數(shù)ho為ho = =6408.1 W/(m2)(2)管程對(duì)流傳熱系數(shù)由流體力學(xué)與傳熱P158，公式4-52a、4-52b，得hi = 0.023Re0.8Pr0.3其中：管程流通截面積Si =0.0198 m2管程空氣的流速及其雷諾數(shù)分別為ui =7.95 m/sRe8.32369104普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr =0.691因此，管程空氣的傳熱膜系數(shù)hi為hi=0.02383236.90.80.6910.3=281.74 W/(m2)(3)基于管內(nèi)表面積的總傳熱系數(shù)Ki查閱化工原理（上）P365，附錄22，得l 冷卻水側(cè)的熱阻Rso0.000172m2W-1l 熱空氣側(cè)的熱阻Rsi0.000344m2W-1l 鋼的導(dǎo)熱系數(shù)45Wm-1-1因此，依化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P71，公式3-21 Rsi 0.0003440.000172解得：237.80 W/ (m2)此計(jì)算值與前面的初設(shè)值Ki=200 W/ (m2)的關(guān)系： =1.189滿足換熱器設(shè)計(jì)所要求的/Ki=1.151.25的范圍，初選的換熱器合適。(4) 傳熱面積依化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P75，公式3-35：QiSitm得：SiQi/(tm)191300/（237.8051.26）15.69 m2該換熱器的實(shí)際傳熱面積SpSp=3.140.023126=23.74 m2依化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P76，公式3-36該換熱器的面積裕度為=22.74%傳熱面積裕度超出要求的15%20%的范圍，故需減少管數(shù)，取管數(shù)n=100,則實(shí)際傳熱面積Sp=3.140.02310018.84m2面積裕度為=17.84%處于要求的15%20%的范圍內(nèi)，該換熱器符合實(shí)際生產(chǎn)要求。4.3.2 壁溫核算 因管壁很薄，且管壁熱阻很小，故管壁溫度可按化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P77，公式3-42計(jì)算。該換熱器用自來(lái)水作為冷卻水，設(shè)定冷卻水進(jìn)口溫度為25，出口溫度為33來(lái)計(jì)算傳熱管壁溫。由于傳熱管內(nèi)側(cè)污垢熱阻較大，會(huì)使傳熱管壁溫升高，降低了殼體和傳熱管壁溫之差。但在操作早期，污垢熱阻較小，殼體和傳熱管間壁溫差可能較大。計(jì)算中，應(yīng)按最不利的操作條件考慮。因此，取兩側(cè)污垢熱阻為零計(jì)算傳熱管壁溫。于是按式3-42有式中，液體的平均溫度tm和氣體的平均溫度Tm分別按化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P77，公式3-44、3-45計(jì)算tm=0.433+0.625=28.2Tm=0.5（148+42）=95 hc = ho = 6408.10 W/ (m2) hh = hi = 281.74W/ (m2)傳熱管平均壁溫=31.0 殼體壁溫，可近似取為殼程流體的平均溫度，即T=28.2 殼體壁溫和傳熱管壁溫之差為 t=31.028.2 =2.8 該溫差不大，故不需要設(shè)溫度補(bǔ)償裝置。4.3.3換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)阻力(壓降)(1)管程流動(dòng)阻力依化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)P78，公式3-473-49可得管內(nèi)流體： Re=83236.9 105由柏拉休斯公式：i=0.0186直管部分的壓降：p1= = 735.32 Pa熱空氣在冷卻器內(nèi)流動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)兩次突然擴(kuò)大與兩次突然縮小，所以 0.5+1+0.5+13 彎管回路中的壓降：p2=1076.97 Pa 總壓降：pi（p1+p2）Ft Ns Np（735.32+1076.97）1.5125436.87Pa 9800 Pa（符合設(shè)計(jì)要求） 其中， Ft為結(jié)垢校正系數(shù)，取1.5；Ns為串聯(lián)殼程數(shù)，取1；Np為管程數(shù)，取2。(2)殼程阻力：由傳熱力學(xué)與傳熱P209，公式4-121、4-122，得： 流體橫過(guò)管束的壓降：p1=Ffonc(NB+1)其中：F=0.5fo=5.0（9532.73）-0.228=0.619nc=10NB=12uo=0.389 m/sp1=0.50.61910(12+1)(996.00.3892)/2 3032.02 Pap2NB（3.5）12（3.5）(996.00.3892)/23164.36Pa總壓降：po（p1p2）Fs Ns（3032.023164.36）1.1516671.03Pa 9810 Pa（符合設(shè)計(jì)要求） 其中，F(xiàn)s為殼程壓強(qiáng)降的校正系數(shù)，對(duì)于液體取1.15；Ns為串聯(lián)的殼程數(shù)，取1。五、主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算及選型5.1殼體5.1.1殼體直徑根據(jù)前面的工藝計(jì)算，本次設(shè)計(jì)采用的換熱器殼體內(nèi)徑Di450 mm。查閱結(jié)構(gòu)與零部件（上）P123，表1-1-86 的無(wú)縫鋼管制作筒體時(shí)容器的公稱直徑，本次采用公稱直徑為DN450mm8mm的殼體，則Do466mm，Di450 mm。5.1.2殼體壁厚 查閱化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)P126，表9-3，采用Q235-A.F鋼板(GB3274)，其中鋼密度7850kgm3由Po0.3 MPa， Di500mm，再查閱化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)P124，表9-6,對(duì)殼體與管板采用單面焊，當(dāng)全部無(wú)損探傷時(shí)，焊接接頭系數(shù)0.9。查閱化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)P124，表9-4 碳素鋼、普通低合金鋼板許用應(yīng)力，得：t=113MPa ，s235MPa0.66 (mm)查閱化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)P127，表9-10鋼板厚度負(fù)偏差，取C10.8mm， C21mm。6管程接管法蘭2凹4.36/凸5.59.867排氣液管20.290.588排氣液管法蘭22.344.689隔板114.8414.8410封頭216.6033.211封頭法蘭117.8017.8012傳熱管1004.1641613拉桿2/29.24 / 8.7818.0214定距管L127.6815.09L227.4115折流板192.4847.1316管箱123.0723.0717管箱法蘭117.8017.8018支座213.627.2換熱器總重量/kg1018.1（2）傳熱管和拉桿所占的體積粗略為： V23.14（0.025/2）22.914104=0.149m3 殼體體積為： V13.14（0.450/2）22.9140.463m3 忽略隔板體積，水充滿整個(gè)換熱器時(shí)的總重為： = 1018.1+（0.463-0.149）996.01330.84kg。小于該鞍式支座的最大載荷14噸。（3）殼體剛度校核已知公式： 和 換熱器的受力可簡(jiǎn)化為如圖：AAL 彎矩圖為：L=1.790m，=1018.1kg，g=9.81N/kg。校正為1020kg。取A=0.34L=0.341.7900.6086(m)，此時(shí)=0.025gL=0.02510209.811.790=705.94Nm抗彎截面模量：=0.0013=705.94/0.0013=0.543MPat=133MPa故此殼體適用。七、設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總表?yè)Q熱器的工藝計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要結(jié)果和主要尺寸匯總于下表：工藝參數(shù)管程殼程質(zhì)量流量/(kg/h)6439.14進(jìn)/出口溫度/25/33148/42操作壓力/MPa1.10.3 物性參數(shù)定性溫度/9529密度/(kg/m3)11.36996.0定壓比熱熔/kJ/(kgK)1.0094.175粘度/(Pas)2.1710-58.2110-4熱導(dǎo)率/W/(mK)0.03170.601普朗特準(zhǔn)數(shù)0.69157.03工藝主要計(jì)算結(jié)果流速/(m/s)7.950.389污垢熱阻/m2K/ W0.0003440.000172阻力（壓降）/MPa5436.876671.03對(duì)流傳熱系數(shù)/W/(m2K)281.746408.1總傳熱系數(shù)/W/(m2K)237.80平均傳熱溫差/51.26熱流量/kW191.3傳熱面積裕度/%17.84 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程數(shù)21推薦使用材料碳鋼碳鋼換熱器型式固定管板式臺(tái)數(shù)1殼體內(nèi)徑/mm450傳熱面積/m215.69管 徑/mm252.5折流板型式上下管 數(shù)/根100折流板數(shù)/個(gè)19管 長(zhǎng)/mm3000折流板間距/mm150管子排列方式切口高度/mm110管間距/mm32封頭2個(gè)Do=450mm封頭法蘭dH=450mm隔板b=10mm拉桿4根d=16mm支座(JB1167-81)A型管箱（非標(biāo)準(zhǔn)）Do=450mm管箱法蘭dH=450mm定距管252管板請(qǐng)參閱說(shuō)明書(shū)P11殼程接管1254殼程接管法蘭dH235mm管程接管1504.5管程接管法蘭dH=260mm排氣液管453.5排氣液管法蘭dH=45mm備注 設(shè)備總重取整為1018kg八、設(shè)計(jì)總結(jié)此次化工原理課程設(shè)計(jì)題目是“空氣壓縮機(jī)后冷卻器設(shè)計(jì)”，因?yàn)樯蠈W(xué)期彭老師對(duì)傳熱與換熱設(shè)備相關(guān)內(nèi)容講得很詳細(xì)，印象還比較深，加上這學(xué)期正好學(xué)習(xí)了過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)。另外，從圖書(shū)館借閱的幾本書(shū)也非常具有參考性，所以總體來(lái)說(shuō)這次課程設(shè)計(jì)沒(méi)有遇到太大的難題。但不可否認(rèn)的是設(shè)計(jì)過(guò)程很磨練人的耐心和毅力。一、 數(shù)據(jù)計(jì)算 這是設(shè)計(jì)第一階段的主要任務(wù)。數(shù)據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確性直接影響到后面的各階段，這就需要我們具有極大的耐心。從拿到原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)到確定最終參數(shù)，持續(xù)了將近一個(gè)星期：確定需要求的參數(shù)，查資料找公式、標(biāo)準(zhǔn)值等，一步一步進(jìn)行計(jì)算。我在確定傳熱面積的時(shí)候，