空气压缩机后冷却器设计_化工原理课程设计.doc
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空气压缩机后冷却器设计设计说明书
一、设计任务书
1.原始数据
（1）
空气处理12m3/min,操作压强1.4MPa（绝对压）
空气进口温度147℃，终温40℃
（2）冷却剂：
常温下的水（进出口温度自己选择）
初温：
25℃，终温：
33℃，温升5—8℃
（3）冷却器压降<1m水柱
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：
①温差不大；②温差较大但是壳程压力较小；③壳程不易结构或能化学清洗。
本次设计条件满足第②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4－9可得到，热空气的流速范围为5～30m·s-1；冷却水的流速范围为0.2～1.5m·s-1。
本设计中，假设热空气的流速为8m·s-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：
数
参
类型
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）
83
148
42
1.1
1.2
冷却水（管外）
－
25
33
0.3
0.4
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。
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95℃，1.2MPa下的有关物性数据如下：
物性
密度ρi
（kg/m3）
定压比热容cpi
[kJ/（kg℃）]
粘度μi
（Pa·s）
导热系数λi
（W·m-1·℃-1）
空气
11.36
1.009
2.17×10-5
0.0317
水在29℃的物性数据如下：
物性
密度ρo
（kg/m3）
定压比热容cpo
[kJ/（kg℃）]
粘度μo
（Pa·s）
导热系数λo
（W·m-1·℃-1）
水
996.0
4.175
8.21×10-4
0.0601
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：
ρi＝1.293＝1.293×（1.2MPa/101.33kPa）×273/（273+95）＝11.36kg·m-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mi=60Vi’Ai（0℃,1atm）=60×83×1.293=6439.14kg/h
根据《流体力学（上）》P177，公式（4-109），热流量为
Qi=miCpi（T1－T2）=6439.14×1.009×（148－42）
=6.887×105kJ/h=1.913×105W
4.1.2平均传热温差
根据《传热传质过程设备设计》P15，公式1-11，
==Ai（0℃,1atm）=51.26℃
4.1.3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‘=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
m2
4.1.4冷却水用量
根据《传热传质过程设备设计》P15，公式1-8
mo=kg/h
4.2主体构件的工艺结构尺寸
4.2.1管径和管内流速
选用φ25×2.5mm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的数据，可设空气流速ui＝8m/s，用ui
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=3m，则该换热器管程数为
Np=L/l=4.72/3≈2（管程）
传热管总根数N=63×2=126（根）。
单根传热管质量＝7850×3×3.14×0.0225×0.0025=4.16kg
4.2.3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
R＝＝＝13.25
P＝＝＝0.065
依《传热传质过程设备设计》P16，公式3-13，
温度校正系数为
×
＝×≈0.931
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’=51.26×0.931=47.72（℃）
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＝32mm。
由《化工原理上册》P278，公式4-123，得横过管束中心线的管数为
=1.1×≈13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=32/2+6=22mm
取各程相邻管的管心距为44mm。
4.2.5壳体内径
采用多管程结构，取管板利用率η=0.7，由《流体力学与传热》P206，公式4-115，得壳体内径为
Di=1.05t=1.05×32×=450.8mm,
查阅《化工原理（上）》P275，附录二十三：
热交换器，取Di=450mm。
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=0.25×450=112.5mm，故可取h=110mm。
取折流板间距B=0.4Di，则B=0.4×450=180mm。
取板间距H＝150mm，则：
折流板数NB=－1=－1=19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：
①当水做冷却剂时，粘度校正为=1.05
②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＝
＝＝0.0202m
③壳程流通截面积，由《流体力学与传热》P164，公式4-62，得
So=BD（1－）=0.15×0.45×（1－）＝0.0148m2
④壳程冷却水的流速及其雷诺数分别为
uo＝=＝0.389m/s
Reo＝＝＝9532.73
⑤普朗特准数（<传热传质过程设备设计>P26，公式1-43）
Pr＝==57.03
因此，壳程水的传热膜系数ho为
ho=
=6408.1W/（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：
①管程流通截面积
Si===0.0198m2
②管程空气的流速及其雷诺数分别为
ui＝=＝7.95m/s
Re＝＝＝8.32369104
③普兰特准数
Pr＝==0.691
因此，管程空气的传热膜系数hi为
hi=0.023×83236.90.8×0.6910.3×=281.74W/（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Rso＝0.000172m2·℃·W-1
l热空气侧的热阻Rsi＝0.000344m2·℃·W-1
l钢的导热系数λ＝45W·m-1·℃-1
因此，依《化工单元过程及设备课程设计》P71，公式3-21
＝＋Rsi＋＋＋
＝＋0.000344＋＋
＋0.000172×
解得：
＝237.80W/（m2·℃）
此计算值与前面的初设值Ki‘=200W/（m2·℃）的关系：
==1.189
满足换热器设计所要求的/Ki‘=1.15~1.25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：
Qi＝Si△tm得：
Si＝Qi/（△tm）＝191300/（237.80×51.26）＝15.69m2
该换热器的实际传热面积Sp
Sp==3.14×0.02×3×126=23.74m2
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
==22.74%
传热面积裕度超出要求的15%～20%的范围，故需减少管数，取管数n=100,
则实际传热面积
Sp==3.14×0.02×3×100＝18.84m2
面积裕度为
==17.84%
处于要求的15%～20%的范围内，该换热器符合实际生产要求。
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=0.4×33+0.6×25=28.2℃
Tm=0.5×（148+42）=95℃
hc=ho=6408.10W/（m2·℃）
hh =hi=281.74W/（m2·℃）
传热管平均壁温
=31.0℃
壳体壁温，可近似取为壳程流体的平均温度，即T=28.2℃
壳体壁温和传热管壁温之差为
△t=31.0－28.2=2.8℃
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3-47～3-49可得
管内流体：
Re=83236.9<105
由柏拉休斯公式：
λi==≈0.0186
直管部分的压降：
△p1===735.32Pa
热空气在冷却器内流动时，出现两次突然扩大与两次突然缩小，所以
＝0.5+1+0.5+1＝3
弯管回路中的压降：
△p2＝=＝1076.97Pa
总压降：
∑△pi＝（△p1+△p2）FtNsNp＝（735.32+1076.97）×1.5×1×2
＝5436.87Pa<9800Pa（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=0.5
fo=5.0×（9532.73）-0.228=0.619
nc=10
NB=12
uo=0.389m/s
△’p1=0.5×0.619×10×（12+1）×（996.0×0.3892）/2＝3032.02Pa
△’p2＝NB（3.5－）
＝12×（3.5－）×（996.0×0.3892）/2＝3164.36Pa
总压降：
∑△po＝（△’p1＋△’p2）FsNs
＝（3032.02＋3164.36）×1.15×1
＝6671.03Pa<9810Pa（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Di＝450mm。
查阅《结构与零部件（上）》P123，表1-1-86的无缝钢管制作筒体时容器的公称直径，本次采用公称直径为DN＝450mm×8mm的壳体，则Do＝466mm，Di＝450mm。
5.1.2壳体壁厚
查阅《化工设备机械基础》P126，表9-3，采用Q235-A.F钢板（GB3274），其中钢密度＝7850kg·m3
由Po＝0.3MPa，Di＝500mm，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《化工设备机械基础》P124，表9-4碳素钢、普通低合金钢板许用应力，得：
[]t=113MPa，σs＝235MPa
＝≈0.66（mm）
查阅《化工设备机械基础》P127，表9-10钢板厚度负偏差，取C1＝0.8mm，C2＝1mm。
圆整后：
δn=0.66+0.8+1＋△≈8（mm）
5.1.3水压校核
由《过程设备设计》P193，公式（4-88），（4-89），得：
＝18.15MPa
而0.9φσs=0.9×0.9×235=190.35MPa
因为<0.9φσs，所以水压试验时强度足够。
5.1.4壳体质量
壳体长度=2.914m
质量=7850×2.914×3.14×（0.4662－0.4502）/4
=263.17kg
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，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/mm
450
管板外径D/mm
565
管板厚度ba/mm
38
螺栓孔直径d2/mm
18
螺栓规格
M16×80
螺栓数量n2/个
12
螺栓孔高度bf/mm
28
管板螺栓孔间距D1/mm
530
管板法兰直径Df/mm
565
管板螺栓内侧边间距D4/mm
487
管孔直径d1/mm
19
管孔数/个
100
换热管外伸长度/mm
5
管板体积/m3
0.00591
管板质量/kg
46.39
注：
管板体积
=
=0.00591
单块管板质量：
m=0.00591×7850＝46.39kg
5.2.2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，管子伸出长度约为5mm。
5.3拉杆
本换热器壳体内径为450mm，查阅《化工单元过程及设备课程设计》P135，表4-7和表4-8得：
拉杆螺纹公称直径：
=16mm
拉杆长：
L1=2.930m
L2=2.780m
前螺纹长La=20mm
后螺纹长Lb=60mm
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=7850×（2×2.930+2×2.780）×3.14×0.0162/4=18.02kg
拉杆外套有定距管，规格与换热管一样，长度：
L1‘=2.77m，L2’=2.67m。
粗略计算定距管质量
m’=7850×（2×2.77+2×2.67）×3.14×（0.0252－0.022）/4=15.09kg
5.4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=450mm<600，对于碳钢，得隔板厚度为：
b＝10mm。
分程隔板长L=260+25+112+5+32－10=424mm，其中10mm为管箱嵌入法兰深度，5mm为隔板嵌入管板深度。
分程隔板质量以长方体板粗略估计：
m=0.450×0.424×0.010×7850=14.84kg
5.5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。
前面第四章第四节已算出：
折流板数NB=19块
圆缺高度h＝110mm
板间距B＝150mm
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＝（450－3.5－0.5）mm=446mm
折流板厚度C＝5mm。
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×=0.20738×0.4462＝0.0413
折流板体积C
=×0.005
=0.000316
折流板质量：
m=19×0.000316×7850=47.13kg
5.6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（JB1154—73）两个，材料采用高合金钢，公称直径Dg＝450mm（以外径为公称直径），曲面高度h1＝112mm，直边高度h2＝25mm，厚度＝8mm,重量=16.6kg。
一个焊接于管箱，一个焊接于法兰。
5.6.2管箱
管箱长L=260mm，管箱外径=450mm（按非标准设计），壁厚=8mm
管箱质量：
m=3.14×0.450×0.260×0.008×7850=23.07kg。
5.6.3封头法兰及管箱法兰
查阅《材料与零部件（上）》P386，表2-2-22，采用凹法兰，在公称压力1.0～1.6MPa范围内，选取的法兰参数为D=565mm，公称直径=450mm，孔间距D1=510mm，D2=482mm。
孔直径＝25mm，厚度b=32mm，法兰重量=17.80kg。
所用螺栓规格M22×90mm，螺栓数目：
12。
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1.2～1.4倍。
①壳程流体进出口接管：
取接管内水的流速为ui=0.51m/s，则接管内径为
==0.12m
取标准管径为125mm
查表《材料与零部件（上）》P655表2-8-1，取管的外径＝133mm，管厚＝4mm，伸出高度＝150mm。
接管质量=3.14×0.129×0.004×0.15×7850=1.91kg
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＝235mm，厚度b=10mm，螺栓孔间距D1＝200mm，D2=178mm，孔直径＝18mm。
法兰重量：
凹法兰＝1.54kg，凸法兰=2.42kg，螺栓规格：
M16，螺栓数量为4。
由于ρiui2=996.0×0.512=259.06<2200kg/（m﹒s2），故不需防冲板。
②管程流体进出口接管：
取接管内空气的流速为uo=10m/s，则接管内径为
==0.142m
取标准管径为150mm
查表《材料与零部件》P132无缝钢管（YB231-70），取管的外径＝159mm，管厚＝4.5mm，查阅《材料与零部件（上》P655表2-8-1，伸出高度＝150mm。
接管质量=3.14×0.1545×0.0045×0.15×7850=2.57kg
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＝260mm，厚度b=12mm，螺栓孔间距D1＝225mm，D2=202mm，孔直径＝18mm。
法兰重量：
凹法兰＝2.18kg，凸法兰=2.75kg，螺栓规格：
M16，数量为8。
6.2排气、排液管
查表《材料与零部件》P123无缝钢管（YB231-70），取排气液管：
外径＝45mm，管厚＝3.5mm，伸出高度＝80mm。
质量=7850×3.14×0.045×0.0035×0.08=0.29kg。
查阅《材料与零部件》P384，表2-2-23，配套法兰：
选用凸法兰，dH=45mm，厚度b=20mm，D=145mm，D1=110mm，D2=88mm，质量m＝2.34kg。
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=160mm,L=420mm,B=120mm，b=90mm，m=200mm，质量=13.6kg，
A＝0.2×3=0.6m，支座间距＝3000－2×5－2×600=1790mm。
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/kg
1
壳体
（YB231-70）
263.17
263.17
2
管板
2
46.39
92.78
3
壳程接管
2
1.91
3.82
4
壳程接管法兰
2
凹3.08/凸4.84
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