化工原理课程设计-列管式换热器资料

1、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.11.1设计数据 .11.2设计项目 .11.3设计分量 .1二、确定设计方案 .22.1选择换热器的类型 .22.2流动方向及流速的确定 .22.3安装方式 .2三、设计条件及主要物性参数 .33.1设计条件 .33.2确定主要物性数据 .33.2.1定性温度 .33.2.2流体有关物性数据 .3四、传热过程工艺计算 .54.1估算传热面积 .54.1.1热流量 .54.1.2平均传热温差 .54.

2、1.3传热面积 .54.1.4冷却水用量 .54.2主体构件的工艺结构尺寸 .54.2.1管径和管内流速 .54.2.2管程数和传热管数 .54.2.3平均传热温差校正及壳程数 .64.2.4传热管的排列和分程方法.64.2.5壳体内径 .64.2.6折流板 .64.3换热器主要传热参数核算 .74.3.1热量核算 .74.3.2壁温核算 .94.3.3换热器内流体的流动阻力( 压降 ) .9五、机械结构设计 .115.1壳体 .115.1.1壳体直径与壁厚 .115.1.2气压校核 .115.2浮头管板及浮头法兰 .115.3管箱法兰和管箱侧壳体法兰 .115.4管箱结构设计 .125.5固

3、定端管板结构 .125.5外头盖法兰、外头盖侧壳体法兰.125.6拉杆 .125.7分程隔板 .125.8接管 .125.9折流板.135.9.1折流板选型 .135.9.2折流板计算 .13六、连接及排列方式 .146.1管子与管板的连接 .146.2管板与壳体、管箱的连接 .146.3管程分布与管子排列 .146.4分程隔板的连接 .14七、附属件的计算及选型 .157.1接管法兰 .157.2垫片 .157.3防冲板.157.4支座设计 .157.3.1支座的设计选型 .157.3.2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

4、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：空气流量： Vh= 13 m 3/min ( 标准状态 ) 操作压强： Ph=1.5 MPa进口温度（初温） ： T1 =150 出口温度（终温） ： T2 = 40冷却剂：常温下的水初温： t 1 30；终温： t 2 36；温差： t=6 ；（ t=5 8）冷却器的压降 1m水柱 (1m 水柱 9.8*10 3 pa)1.2 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

5、，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；1.3 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。1二、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

6、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) 。2.2 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

7、15 ms-1 ；冷却水的流速范围为 0.3 3.0 m s-1 。本设计中，假设冷却水的流速为0.6m 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。水空气水空气2三、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：参体积流量进口温度出口温度操作压力设计压力数（标准 m3/min ）（）（）（ Mpa）（ Mpa）类型热空气（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。3.2 确定主要物性数据3

8、.2.1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15040T95 2管程水的定性温度为3036t33 23.2.2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： o=0.0317 W m-1 K-1粘度： o= 2.17 10-5Pa s定压比热容： Cp,o 1.009 kJ kg-1 K -1空 气 密 度： o .293-3 (1600kPa/101.33kPa) 273K/(273+95)K 15.146kg m-3kg m在 95， 1.6MPa 下空气的有关物性数据如下：物性密度 o定压比热容 Cp,o粘度 o导热系数 o3）kJ/(kg

9、 )（ Pa s）-1-1）（ kg/m（ W m 空气15.1461.0092.17 10-50.03173冷却水物性：导热系数： i =0.6220 W m-1 K-1粘度： i =7.523 10-4Pa s定压比热容： Cp, i 4.178kJ kg-1K -1密度： i =994.73 kg m-3在 33水的物性数据如下：物性密度 i定压比热容 cp,i粘度 i导热系数 i3）kJ/(kg )（ Pa s）-1-1）（ kg/m（ W m水994.734.178-40.62207.523 104四、传热过程工艺计算4.1 估算传热面积4.1.1热流量空气的体积流量为V =13=

10、0.2167 m3/so60空气的质量流量为q m,o= 0.2167 15.146=3.282 kg/s热流量为 = q m,o Cp,o (T 1 T2) =3.2816 1.009 (150-40)=364.23kW4.1.2平均传热温差t m =(T1t2 )(T2t 1 ) （15036）（4030）ln T1t 2=ln 15036=42.73T2t140304.1.3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-2-1。初步设定K 值为 17 280 W m -2-1。根据传热传质过程设

11、备设计P14，公式1-2 ，则估算的传热面积设 K=200 W m为ApKt m364.2310342.615 m2200 42.734.1.4 冷却水用量根据传热传质过程设备设计P15，公式 1-8qm,i364.23103）14.53kg / s 52306kg / hcp,i (t 2t1)3（4.178 1036304.2主体构件的工艺结构尺寸4.2.1管径和管内流速选用 25 2.5mm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为0.53.0m/s。设冷却水流速 ui 0.6m/s 。4.2.2管程数和传热管数依化工单元过程及设备课

12、程设计公式3-10 确定单程传热管数qV , i14.53 / 994.7377.5 78根( 根 )ns3.14di2 ui0.02020.644按单程管计算，所需的传热管长度为Ap42.6156.956mL3.140.02578dons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5L6.956（2管程）N p4.5l传热管总根数NT 782 156（根）4.2.3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T1T21504018.33Rt2t1

13、3630P t 2t1 36300.05T1t115030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t mtt m塑0.9142.7338.89 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。4.2.4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t=1.25d 0t=1.25 25=31.25 32mm隔板中心到离其最近一排管中心距离按化工单

14、元过程及设备课程设计式3-16 计算s=t/2+6=32/2+6=22 mm分程隔板两侧相邻管排之间的管心距为44mm。4.2.5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 =0.7 ，则壳体内径为D 1.05t NT1.0532156501.6mm0.7按卷制壳体的进级挡及工艺要求，可取D600mm 。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=0.25 600=150 mm取折流板间距 B=0.4Di ，则 B=0.4 600=240mm，取 B 为 250mm。折流板数N B壳程接管间

15、距4500105502002005011516.12 ，根据实际12501折流板间距情况选择板数为NB=16。折流板圆缺面水平装配。64.3 换热器主要传热参数核算4.3.1 热量核算壳程对流传热系数对于圆缺形折流板，可采用克恩公式。ho = 0.36oRe0.55 Pr1/ 3 ( o ) 0.14dew其中：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4(3 t 2do2 )de24do4( 30.0322 0.0252 )24 0.0202 m3.140.025壳程流通截面积So = BD(1 do )=0.25 0.6 （ 1 0.025 ） 0.0328

16、1 m 2t0.032壳程热空气的流速及其雷诺数分别为uo qV , o =0.2167 6.603m/sSo0.03281ouo de15.1466.603 0.0202 93098Re o2.17 10 5o普兰特准数Pro cpoo = 1.009 10 3 2.17 10o0.03175=0.6907粘度校正（）0.14 1w因此，壳程空气的表面传热系数ho 为0.031793098 0.551ho = 0.360.6907 3 = 270.0W/(m2 )0.0202管程对流传热系数hi = 0.023Re0.8Pr0.3idi7其中：管程流通截面积Si = di2N T= 3.14

17、0.022156 =0.02450m24242管程冷却水的流速及其雷诺数分别为qV ,i14.53 / 994.73ui =0.5961m/sSi0.02450Rei iui di994.73 0.59610.02 15763i7.52310-4普兰特准数Pr i c pii4.1781037.523104=0.6220=5.053i因此，管程空气的传热膜系数h 为ihi =0.023 157630.8 5.053 0.3 0.6220 =3119.1W/(m 2 )0.02(3) 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Ro 0.

18、0004m2-1KW管内侧污垢热阻i 0.0006m2-1RKW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50Wm-1 K-1按式 3-34 计算管壁热阻R=0.00252=0.00005 m K/WW50因此，由化工单元过程及设备课程设计式3-21 有K CdoRi do1188.3W /(m2 K )RW do1hi dididmRoh0(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ACK Ctm364.2310349.73m2188.3 38.89该换热器的实际传热面积AdolN T3.140.0254.50 15655.13m2由化工单

19、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8HA AC100%55.13 49.73 100% 10.86%AC49.73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。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

20、有Tm / hctm / hht w1/ hh1/ hc式中，液体的平均温度t m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t m=0.4 36+0.6 30=32.4T =0.5 （ 150+40） =95 mhc = h i = 3119.1 W/ (m2 K)hh = h o = 270.0W/ (m 2K)传热管平均壁温95 / 3119.132.4 / 270.0t w37.391/ 3119.11/ 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

21、热器较为适宜。4.3.3 换热器内流体的流动阻力( 压降 )(1) 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0.2 =0.01 ，查莫狄图得 i =0.041.20直管部分的压降：pi =lui2i = 0.0414.50 0.59612idi2994.73 1630.2Pa0.022弯管回路中的压降：局部阻力系数一般情况下取3ui20.59612pr i = 3994.73 530.15Pa229总压降：pt （ pi + pr ） Ft Ns N pNs 壳程取 1， Np 管程取 2，Ft 管程结垢校正系数取1.5p

22、t (1630.2 530.15) 1.5 1 2 6481.19810Pa符合设计要求。(2) 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： po=Ff oNTC(NB+1)ouo22其中： F=0.5f o=5（ 93098） -0.228 =0.3682N =1.1N0.5=1.1 1560.5=13.74TTCNB=16uo=6.603 m/s po=0.5 0.3682 13.74 (16+1) (15.146 6.603 2)/2 14197Pa pi NB（ 3.5 2B ）Do uo2216（ 3.5 2 0.25 ） (15.146

23、 6.603 2)/2 14088Pa0.6总压降：po po pi =14197+14088 28285Pa35000Pa符合设计要求。10五、机械结构设计5.1 壳体5.1.1 壳体直径与壁厚本次设计采用的换热器壳体内径Di 600 mm。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Do=616mm。壳体长度为4300mm。5.1.2 气压校核pT Di0.5Se T2Se1.151.6(6000.58)2869.46MPa而 0.8

24、 s=0.8 0.8 235=150.4 MPa因为T 0.8 s ，所以气压试验时强度足够。5.2 浮头管板及浮头法兰浮头管板外径：Do=Di -2b 1=600-2 3=594mm浮头管板外径与壳体内径间隙，因为DN50 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垫片宽度：取bn=12mm浮头法兰内直径：Dfi =Di -2(b 1+bn)=600-2 (3+12)=570mm浮头法兰外直径：Dfo

25、 =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。115.4 管箱结构设计选用 B 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。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

26、定端管板最大外径为655mm，管板厚度取为46mm。5.5 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25mm5.6 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：d n =16mm前螺纹

27、长：La=20mm后螺纹长：L =60mmb拉杆数：4 根拉杆长度：L1=4185mmL2=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b10mm。5.8 接管管程流体进出口接管： 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 u 1=1.3u i = 1.3 0.5961=0.775m/s ，则接管内径为4qV , i4 14.53/ 994.73d10.155mu13.14 0.77512同时管径应限制在 d=（1/31/4 ）Di =150200

28、mm，故取标准管径为 200mm，管的外径为 219mm，伸出高度 250mm。 壳程流体进出口接管：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u 2=1.3u o= 1.3 6.603=8.58m/s ，则接管内径为4qV ,o40.2167 /15.146d20.179mu23.14 8.58同时管径应限制在d=（1/31/4）D =150200mm，故取标准管径为 200mm，管的外径为 219mm，i伸出高度 250mm。 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

29、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=25.8mm13六、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。6.2 管板与壳体、管箱的连接对于浮头式

30、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。6.3 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 16mm6.4 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。14七、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

31、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。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22222 计算壳程流体 u 值： u =15.146 6.603 =660.4kg/(m s )2230kg/(m s )7.4 支座设计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

32、 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)mm，取 LB=3000mm。直接高度 H取 300mm。157.3.2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 /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.

33、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 / 8.8418.1114L 127.6815.09定距管27.41L 215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1259.412 kg（ 2）传热管和拉杆所占的体积粗略为：V 3.14（ 0.025/22 (156+4)=0.353m3） 4.52壳体体积为：V1 3.14（ 0.600/2） 2 4.3 1.215

34、m 3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 ） 994.73 2116.87 kg 。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 /(kg/h)11813.8152306.31进/出口温度 /150/4030/36操作压力 /MPa1.50.3定性温度 / 9533物密度 /(kg/m 3)15.146994.73定压比热熔性1.0094.178/kJ/(kg K)参粘度 /(Pa s)5-4数2.17 107.52 10热导率 /W

35、/(m K)0.03170.6220普朗特准数0.6915.05工流速 /(m/s)6.6030.6艺阻力（压降） /MPa282856481.1主对流传热系数267.03119要/W/(m 2K)计总传热系数 /W/(m 2K)188.3算平均传热温差 / 42.73结热流量 /kW364.23果传热面积裕度 /%10.86程数12推荐使用材料碳钢碳钢换热器型式浮头式台数1设壳体内径 /mm600传热面积 /m255.13备管径 /mm25 2.5折流板型式上下结管数 / 根156折流板数 / 个16构管长 /mm4500折流板间距 /mm250设管子排列方式正三角形切口高度 /mm150计管间距 /mm32封头2个D =600mmo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4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 6壳程