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 指导老师 学 院 轻工与食品学院 班 级 食品科学与工程 1班 学生学号 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 4.1.1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 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 . 20 1 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 Vh 13 m3/min 标准状态 操作压强 Ph1.5 MPa 进口温度(初温) T1150 出口温度(终温) T2 40 2冷却剂常温下的水 初温 t1 30； 终温 t2 36； 温差 t6；( t5 8) 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 461662mm 浮头盖封头球面内半径按 GB 151-1999标准中表 46，当 DN600mm时，取 Ri500mm 浮头盖封头厚度取 8mm 垫片宽度取 bn12mm 浮头法兰内直径 DfiDi-2b1bn600-2 312570mm 浮头法兰外直径 DfoDi80680mm 浮头法兰螺栓孔中心分布圆直径取 650mm 浮头法兰厚度 b100mm 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 D600mm，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。 12 5.4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 25mm 5.6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 nd 16mm 前螺纹长 La20mm 后螺纹长 Lb60mm 拉杆数 4根 拉杆长度 L14185mm L23935mm 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 Di600mm，对于碳钢，取隔板厚度为 b 10mm。 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 u11.3ui 1.3 0.59610.775m/s，则接管内径为 muqd iV 155.0775.014.3 73.994/53.14441,1 13 同时管径应限制在 d( 1/31/4) Di150200mm，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 u21.3uo 1.3 6.6038.58m/s，则接管内径为 muqd oV 179.058.814.3 146.15/2167.0442,2 同时管径应限制在 d( 1/31/4) Di150200mm，故取标准管径为 200mm，管的外径为 219mm，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 NB16 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 0.5mm595mm 折流板厚度 C 4 mm 管孔直径 d250.825.8mm 14 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 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。 15 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，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 C26mm，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 u2值 u215.146 6.6032660.4kg/m s22230kg/m s2 因此此换热器不需安装防冲板。 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 600mm选择带加强垫板的 B 型 鞍 式 支 座 ， 有 L4300mm ， 支 座 间 距 LB 0.50.7L 0.50.7 430021503010mm，取 LB3000mm。直接高度 H取 300mm。 16 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 壳程接管 2 1.91 3.82 4 壳程接管法兰 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 1 14.84 14.84 10 封头 2 19.96 39.92 11 封头法兰 1 51.17 51.17 12 传热管 156 4.16 648.96 13 拉杆 22 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( 0.025/2) 2 4.5 15640.353m3 壳体体积为 V1 3.14( 0.600/2) 2 4.3 1.215 m3 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。 17 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 /出口温度 / 150/40 30/36 操作压力 /MPa 1.5 0.3 物性参数 定性温度 / 95 33 密度 /kg/m3 15.146 994.73 定压比热熔/kJ/kg K 1.009 4.178 粘度 /Pa s 2.17 105 7.52 10-4 热导率 /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) /MPa 28285 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 / 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 壳体内径 /mm 600 传热面积 /m2 55.13 管 径 /mm 25 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 250 管子排列方式 正三角形 切口高度 /mm 150 管间距 /mm 32 封头 2个 Do600mm 浮头法兰 D680mm 隔板 b10mm 管箱法兰 D740mm 外头盖法兰 D860mm 管箱侧壳体法兰 D740mm 外头盖侧壳体法兰 D860mm 拉杆 4 根 d16mm 支座 JB1167-81B型 浮头管板外径 594mm 固定端管板外径 655mm 壳程接管 200 6 壳程接管法兰 dH340mm 管程接管 200 6 管程接管法兰 dH340mm 备注 设备总重取整为 1260kg 18 九、 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出各项计算参数，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出现失误，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进行选择调整会更加方便的。 经过此次的课程设计训练 ，与其说是巩固化工原理知识内容或是提高画图设计能力，我觉得更大的收获其实是在于设计计划的拟定与时间安排上面。确定设计流程，合理安排工作任务，有利于设计任务的有序进行，提高设计效率，也能减小个人的劳动强度。 以上。19 十、参考资料 1. 王瑶 张晓冬 化工单元过程及设备课程设计，北京，化学工业出版社， 2013 2. 钟理 化工原理(上册)，北京，化学工业出版社， 2013 3. 邹华生流体力学与传热，广州，华南理工大学出版社， 2007 4. 钱颂文换热器设计手册，北京，化学工业出版社， 2002 20 附 空气压缩机冷却器工艺流程图 1 工艺流程简图 2 结构简图