化工原理课程设计-空气压缩机后冷却器

1、化工原理课程设计-空气压缩机后冷却器化工原理课程设计-空气压缩机后冷却器化工原理课程设计题目：空气压缩机后冷却器学生姓名：吴琦楠指导老师：张亚君学院：轻工与食品学院班级：食品科学与工程1班学生学号：201230411233 时 间：2015年7月 目录 一、设计任务书1 1.1设计数据1 1.2设 计项目1 1.3设计分量1二、确定设计方案2 2.1选择换热器的类型2 2.2流动方向及流速的确定 2 2.3安装方式2三、 设计条件及主要物性参数3 3.1设计条件3 3.2确定主要物性数据3 3.2.1定性温度3 3.2.2流体有关物性数据3四、传热过程工艺计算5 4.1估算传热面积5 4.1.

2、1热流量5 4.1.2平均 传热温差5 4.1.3传热面积5 4.1.4冷却水用量5 4.2主体构件 的工艺结构尺寸5 4.2.1管径和管内流速5 4.2.2管程数和传 热管数5 4.2.3平均传热温差校正及壳程数6 4.2.4传热管的排列和分程方法6 4.2.5壳体内径6 4.2.6折流板6 4.3换热器 主要传热参数核算 7 4.3.1热量核算7 4.3.2壁温核算9 4.3.3 换热器内流体的流动阻力（压降）9五、机械结构设计 11 5.1 壳体11 5.1.1壳体直径与壁厚11 5.1.2气压校核11 5.2浮头管板及浮头法兰11 5.3管箱法兰和管箱侧壳体法兰11 5.4管箱结构设计

3、12 5.5固定端管板结构12 5.5外头盖法兰、外头盖 侧壳体法兰12 5.6拉杆12 5.7分程隔板12 5.8接管12 5.9折 流板13 5.9.1折流板选型13 5.9.2折流板计算13六、连接及 排列方式14 6.1管子与管板的连接14 6.2管板与壳体、管箱 的连接14 6.3管程分布与管子排列14 6.4分程隔板的连接14 七、附属件的计算及选型15 7.1接管法兰15 7.2垫片15 7.3防冲板15 7.4支座设计15 7.3.1支座的设计选型 15 7.3.2支 座承载能力校核 16八、设计计算结果汇总表17九、设计总结18十、参考资料19附：空气压缩机冷却器工艺流程图2

4、0 一、设计任务书1.1设计数据 为奥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：Vh= 13 m3/min (标准状态)操作压强： Ph=1.5 MPa进口温度(初温)： T1=150 C由口温度(终温)：T2= 40 C (2)冷却剂：常温下的水初温：t1=30C；终温：t2 =36C；温差：t=6C； ( At=5-8C) (3)冷却器的压降50 C,设计压力为1.6MPa时，管板厚度取为 46mm钩圈采用B型，设计厚度为46+16=62mm 浮头盖封头球面内半径按GB 151-1999标准中表46,当DN=600mm 时，取Ri=500mm 浮头盖封头厚 度取8mm

5、垫片宽度：取bn=12mm 浮头法兰内直径：Dfi=Di-2(b1+bn)=600-2(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。5.3 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。5.4 管箱结构设计 选用B型封头管箱，取管箱总长度为 475mm,

6、管箱壁厚取8mm。封头直边高度为 25mm,总高度为175mm。5.5 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 o5.5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 5.6拉杆 本 换热器壳体内

7、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：=16mm前螺纹长：La=20mm后螺纹长：Lb=60mm拉杆数：4根拉杆长度：L1=4185mm L2=3935mm 拉杆位置见后面 6.3的排管图。5.7 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Di=600mm ,对于碳钢，取隔板厚度为b=10mm。5.8 接管 管程流体进由口接管：接管内流速应为管程水流速的1.21.4倍，取接管内水的流速为u1=1.3ui= 1.3仅5961=0.775m/s,则接管内径为 同时管径应限制在d= (1/3-1

8、/4) Di=150200mm ,故取标准管径为200mm,管的外径为 219mm,伸生高度 250mm。 壳程流体进由口接管：接管内流速应为壳程气体流速的1.21.4倍，取接管内气体的流速为 u2=1.3uo= 1.3 6.603=8.58m/s,则接管内径为 同时 管径应限制在 d= (1/3-1/4) Di=150200mm ,故取标准管径 为200mm ,管的外径为 219mm，伸生高度 250mm。3排气、排液接管：取标准管径为50mm ,管的外径为60mm,伸生高度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。5.9.2折流板计算 前

9、面4.2.6已算由：折流板数 NB=16块 圆缺高度 h= 150 mm板间距 B = 250 mm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 Da=(600 4.5 0.5)mm=595mm 折流 板厚度 C = 4 mm管孔直径 d=25+0.8=25.8mm 六、连接及 排列方式6.1管子与管板的连接换热器工作压力管子伸由长度约为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。6.2 管板与壳体、管箱的连接对于浮头式换热器，为了抽由管束进行清洗、维修，把固定端管板夹持在壳体法兰和管箱法兰之间6.3 管程分布与管子排列换热器设计为双管程

10、，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 6.4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。七、附属件的计算及选型7.1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，由气口采用凸面法兰。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3

11、40mm ,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。7.2 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。7.3 防冲板计算壳程流体pu2t:p u2=15.146 X 6.6032=660.4kg/(m7.&茨座设计 7.3.1 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 = (0.50.7)L=(0.50.7) 4300=(21503010)

12、mm ,取 LB=3000mm。直接高度 H取300mm。7.3.2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 ) 295.512 295.512 2 管板 2 75.12 150.24 3 克程接管 2 1.91 3.82 4克程接管法兰2凹1.54/凸2.42 7.92 5管程接管 2 2.57 5.14 6 管程接管法兰 2凹4.36/凸5.5 9.86 7排气液管2 0.32 0.64 8排气液管法兰2 2.8 5.6 9隔板114.84 14.84 10 封头 2 19.96 39.92 11 封头法兰1 51.

13、1751.17 12 传热管 156 4.16 648.96 13 拉杆 2+2 9.27 / 8.84 18.11 14 定距管 L' 1 2 7.68 15.09 L'2 2 7.41 15 折流板 16 2.99 47.84 16 管箱 1 25.35 25.35 17 管箱法兰 1 51.17 51.17 18支座2 38 76换热器总质量 1259.412 kg (2)传热管和 拉杆所占的体积粗略为：V2 = 3.14 X( 0.025/2) 2 M.5 卷156+4)=0.353m3 壳体体积为： V1 =3.14 X(0.600/2) 2X3= 1.215 m3

14、忽略隔板体积，水 充满整个换热器时的总重为：=1259.412+ (1.215-0.353) X994.73=2116.87 kg。小于该鞍式支座的最大载荷14吨。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/(kg/h) 11813.81 52306.31 进/由口温度/C 150/40 30/36操作压力/MPa 1.5 0.3物性参 数 定性温度/C 95 33密度/(kg/m3) 15.146 994.73定压比 热熔/kJ/(kg K) 1.009 4.178 粘度/(Pas) 2.17 M05 7.52 M0-4 热

15、导率/W/(m K) 0.0317 0.6220 普朗特准数 0.691 5.05 工 艺主要计算结果流速/(m/s) 6.603 0.6阻力(压降)/MPa28285 6481.1 对流传热系数 /W/(m2 K) 267.0 3119 总传热 系数/W/(m2 K) 188.3平均传热温差/C 42.73热流量/kW 364.23传热面积裕度/% 10.86设备结构设计 程数1 2推 荐使用材料碳钢碳钢换热器型式浮头式台数1克体 内径/mm 600传热面积/m2 55.13管 径/mm25X 2.5折流 板型式 上下 管 数/根156折流板数/个16管 长/mm 4500折流板间距/mm

16、250管子排列方式 正三角形 切口高 度/mm 150管间距/mm 32封头X2个Do=600mm 浮头法兰 D=680mm 隔板b=10mm管箱法兰 D=740mm外头盖法兰 D=860mm管箱侧壳体法兰D=740mm外头盖侧壳体法兰D=860mm 拉杆 X4 根 d=16mm 支座(JB1167-81)B 型 浮头 管板外径 594mm固定端管板外径 655mm壳程接管 200 X流程接管法兰dH=340mm 管程接管200 x 6f 程接管法兰 dH=340mm 备注 设备总重取整为 1260kg 9、 设计总结 经过上一次的机械设计基础的课程设计后，这一 次的化工原理课程设计进行起来就

17、显得顺利一些了。从一开始先翻看课本化工单元过程及设备课程设计，再对几份相关的标准快速翻阅，然后根据书里的例题和模板 进行工艺计算。吸取了上一次数次修改设计书的经验，这次一开始并没有 直接在设计书上进行编辑修改，而是先利用草稿纸列由各项 计算参数，编写Excel文件进行计算，方便调整参数的选择， 以符合工艺要求。把设计书的修改、排版放在了画完图纸之后。在完成工艺计算后，机械设计部分的尺寸选择反倒遇到 了较大的阻碍。许多零件的标准尺寸需要翻阅各份标准，参考其他人的经 验值，使得这一部分的完成需要和同学一起进行讨论。其实机械设计部分由于本次课程设计对于强度校核没有 严格要求，任务已经相对轻松，但是部

18、分结构的尺寸数据是 需要边画图才能边确定的，所以在进行机械设计部分的计算 时，应当先绘制装配草图，以弄清楚对各部分结构之间的装 配关系，方便尺寸选择。在选择各结构尺寸时，应当优先考虑标准值，再根据实际 设计需要进行取舍在图纸的绘制过程中，才逐渐对整个设备的结构和尺寸有 了形象的了解，而如果事先有见到过列管式换热器的实物， 会有利于装配图纸的绘制。在此过程中，值得一提的还有换热管的排管部分。根据数据大致确定管数分布后，一开始按比例用手绘，发 现排管不合理后难以调整，手绘尺寸误差容易导致排管由现 失误，绘制圆心连线形成的三角形矩阵后，对整体的排管情 况还是难有形象的认识。但是如果用SolidWorks软件进行绘制的话，不仅精确度提 高了，方便拉杆位置的调整，而且得到的较为完整的剖面图， 也有利于判断排管是否匀称。证明了：科学技术是第一生产力。虽然说磨刀不误砍柴工，但是在必要的准备步骤完成后 就应当大胆开始绘制图纸了，而不能过分纠结于设计书中的 每一项参数选择中。如果在设计计算过程中，遇到暂时无法确定的尺寸数据， 应当标记后先跳过，回头再补充。要认识到少数尺寸规格在实际图纸绘制中再