化工原理课程设计--换热器.doc

一、设计任务书 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：温差不大；温差较大但是壳程压力较小；壳程不易结构或能化学清洗。本次设计条件满足第种情况。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49 可得到，热空气的流速范围为530 ms-1；冷却水的流速范围为0.21.5 ms-1。本设计中，假设热空气的流速为8 ms-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）15148 421.11.2冷却水（管外）2533 0.30.4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3.2.1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i（kg/m3）定压比热容cpi kJ/(kg)粘度i（Pas）导热系数i（Wm-1-1）空气 11.361.0092.1710-5 0.0317 水在29的物性数据如下：物性密度o（kg/m3）定压比热容cpo kJ/(kg)粘度o（Pas）导热系数o（Wm-1-1）水996.0 4.1758.2110-40.0601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：i1.2931.293(1.2MPa/101.33kPa)273/(273+95)11.36 kgm-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 m i = 60 Vi Ai(0,1atm)=60831.293=6439.14 kg/h根据流体力学（上）P177，公式（4-109），热流量为 Q i = mi Cpi (T1T2) =6439.141.009（14842）=6.887105 kJ/h = 1.913105 W 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)=51.264.1.3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=200 Wm-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 m24.1.4冷却水用量根据传热传质过程设备设计P15，公式1-8mo = kg/h4.2主体构件的工艺结构尺寸4.2.1管径和管内流速选用252.5mm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的数据，可设空气流速ui8m/s，用u i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= 3 m ，则该换热器管程数为Np=L / l=4.72/32（管程）传热管总根数 N = 632= 126 （根）。单根传热管质量785033.140.02250.0025=4.16kg4.2.3 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R13.25P0.065 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 =51.260.931=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 32 mm 。由化工原理上册P278，公式4-123，得横过管束中心线的管数为=1.113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=22 mm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=0.7，由流体力学与传热P206，公式4-115，得壳体内径为Di =1.05t=1.0532=450.8 mm , 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=0.25450=112.5 mm ，故可取h=110 mm。取折流板间距B=0.4Di，则B=0.4450=180 mm。取板间距H150mm，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：当水做冷却剂时，粘度校正为=1.05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de0.0202 m壳程流通截面积，由流体力学与传热P164，公式4-62，得So = BD(1)=0.150.45（1）0.0148 m2壳程冷却水的流速及其雷诺数分别为uo =0.389 m/sReo9532.73普朗特准数（P26，公式1-43）Pr =57.03因此，壳程水的传热膜系数ho为ho = =6408.1 W/(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：管程流通截面积Si =0.0198 m2管程空气的流速及其雷诺数分别为ui =7.95 m/sRe8.32369104普兰特准数Pr =0.691因此，管程空气的传热膜系数hi为hi=0.02383236.90.80.6910.3=281.74 W/(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Rso0.000172m2W-1l 热空气侧的热阻Rsi0.000344m2W-1l 钢的导热系数45Wm-1-1因此，依化工单元过程及设备课程设计P71，公式3-21 Rsi 0.0003440.000172解得：237.80 W/ (m2)此计算值与前面的初设值Ki=200 W/ (m2)的关系： =1.189满足换热器设计所要求的/Ki=1.151.25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：QiSitm得：SiQi/(tm)191300/（237.8051.26）15.69 m2该换热器的实际传热面积SpSp=3.140.023126=23.74 m2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=3.140.02310018.84m2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=0.433+0.625=28.2Tm=0.5（148+42）=95 hc = ho = 6408.10 W/ (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=31.028.2 =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3-473-49可得管内流体： Re=83236.9 105由柏拉休斯公式：i=0.0186直管部分的压降：p1= = 735.32 Pa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+13 弯管回路中的压降：p2=1076.97 Pa 总压降：pi（p1+p2）Ft Ns Np（735.32+1076.97）1.5125436.87Pa 9800 Pa（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=0.5fo=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总压降：po（p1p2）Fs Ns（3032.023164.36）1.1516671.03Pa 9810 Pa（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Di450 mm。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DN450mm8mm的壳体，则Do466mm，Di450 mm。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7850kgm3由Po0.3 MPa， Di500mm，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 ，s235MPa0.66 (mm)查阅化工设备机械基础P127，表9-10钢板厚度负偏差，取C10.8mm， C21mm。圆整后： n=0.66+0.8+18(mm) 5.1.3水压校核 由过程设备设计P193，公式（4-88），（4-89），得： 18.15 MPa 而0.9s=0.90.9235=190.35 MPa因为0.9s，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=78502.9143.14（0.46620.4502）/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/mm450管板外径D/mm565管板厚度ba/mm38螺栓孔直径d2/mm18螺栓规格M1680螺栓数量n2/个12螺栓孔高度bf/mm28管板螺栓孔间距D1/mm530管板法兰直径Df /mm565管板螺栓内侧边间距D4/mm487管孔直径d1/mm19管孔数/个100换热管外伸长度/mm5管板体积/m30.00591管板质量/kg46.39注：管板体积=0.00591单块管板质量：m=0.00591785046.39kg5.2.2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（22.930+22.780）3.140.0162/4=18.02 kg拉杆外套有定距管，规格与换热管一样，长度：L1=2.77 m，L2=2.67m。粗略计算定距管质量 m=7850（22.77+22.67）3.14(0.02520.022)/4=15.09 kg5.4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=450mm600 ，对于碳钢，得隔板厚度为：b10mm 。分程隔板长L=260+25+112+5+3210=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=0.4500.4240.0107850=14.84kg5.5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 h110 mm板间距 B150mm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(4503.50.5)mm=446mm折流板厚度 C5 mm。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=0.207380.44620.0413折流板体积 C=0.005=0.000316 折流板质量：m=190.0003167850=47.13 kg5.6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(JB115473)两个，材料采用高合金钢，公称直径Dg450mm（以外径为公称直径），曲面高度h1112mm，直边高度h225mm，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=3.140.4500.2600.0087850=23.07 kg。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1.01.6MPa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M2290mm，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1.21.4倍。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=0.12 m取标准管径为 125 mm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=3.140.1290.0040.157850=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235 mm，厚度b=10mm，螺栓孔间距D1200mm，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iui2=996.00.512=259.062200 kg/(ms2)，故不需防冲板。管程流体进出口接管：取接管内空气的流速为 uo= 10 m/s，则接管内径为=0.142 m取标准管径为 150 mm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=3.140.15450.00450.157850=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D1225mm，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=78503.140.0450.00350.08=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m2.34kg。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，A0.23=0.6m，支座间距3000252600=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/kg1壳体（YB231-70）263.17263.172管板246.3992.783壳程接管21.913.824壳程接管法兰2凹3.08/凸4.847.925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20.290.588排气液管法兰22.344.689隔板114.8414.8410封头216.6033.211封头法兰117.8017.8012传热管1004.1641613拉杆2/29.24 / 8.7818.0214定距管L127.6815.09L227.4115折流板192.4847.1316管箱123.0723.0717管箱法兰117.8017.8018支座213.627.2换热器总重量/kg1018.1（2）传热管和拉杆所占的体积粗略为： V23.14（0.025/2）22.914104=0.149m3 壳体体积为： V13.14（0.450/2）22.9140.463m3 忽略隔板体积，水充满整个换热器时的总重为： = 1018.1+（0.463-0.149）996.01330.84kg。小于该鞍式支座的最大载荷14吨。（3）壳体刚度校核已知公式： 和 换热器的受力可简化为如图：AAL 弯矩图为：L=1.790m，=1018.1kg，g=9.81N/kg。校正为1020kg。取A=0.34L=0.341.7900.6086(m)，此时=0.025gL=0.02510209.811.790=705.94Nm抗弯截面模量：=0.0013=705.94/0.0013=0.543MPat=133MPa故此壳体适用。七、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：工艺参数管程壳程质量流量/(kg/h)6439.14进/出口温度/25/33148/42操作压力/MPa1.10.3 物性参数定性温度/9529密度/(kg/m3)11.36996.0定压比热熔/kJ/(kgK)1.0094.175粘度/(Pas)2.1710-58.2110-4热导率/W/(mK)0.03170.601普朗特准数0.69157.03工艺主要计算结果流速/(m/s)7.950.389污垢热阻/m2K/ W0.0003440.000172阻力（压降）/MPa5436.876671.03对流传热系数/W/(m2K)281.746408.1总传热系数/W/(m2K)237.80平均传热温差/51.26热流量/kW191.3传热面积裕度/%17.84 设备结构设计程数21推荐使用材料碳钢碳钢换热器型式固定管板式台数1壳体内径/mm450传热面积/m215.69管 径/mm252.5折流板型式上下管 数/根100折流板数/个19管 长/mm3000折流板间距/mm150管子排列方式切口高度/mm110管间距/mm32封头2个Do=450mm封头法兰dH=450mm隔板b=10mm拉杆4根d=16mm支座(JB1167-81)A型管箱（非标准）Do=450mm管箱法兰dH=450mm定距管252管板请参阅说明书P11壳程接管1254壳程接管法兰dH235mm管程接管1504.5管程接管法兰dH=260mm排气液管453.5排气液管法兰dH=45mm备注 设备总重取整为1018kg八、设计总结此次化工原理课程设计题目是“空气压缩机后冷却器设计”，因为上学期彭老师对传热与换热设备相关内容讲得很详细，印象还比较深，加上这学期正好学习了过程设备设计。另外，从图书馆借阅的几本书也非常具有参考性，所以总体来说这次课程设计没有遇到太大的难题。但不可否认的是设计过程很磨练人的耐心和毅力。一、 数据计算 这是设计第一阶段的主要任务。数据计算的准确性直接影响到后面的各阶段，这就需要我们具有极大的耐心。从拿到原始设计数据到确定最终参数，持续了将近一个星期：确定需要求的参数，查资料找公式、标准值等，一步一步进行计算。我在确定传热面积的时候，因为取的管数太多导致后面得到的传热面积裕度超出规定范围，所以又得回去再算一遍，可见在设计过程中，细心是非常重要的，因为它可以减少很多不必要的麻烦。二、 查资料 以前有个错误的认识：查资料嘛，按部就班就可以了，简单！但是这次课程设计却完全改变了我的认识。其实查资料是很讲究技巧的，也是相对比较灵活的。另外，我这次用到的参考资料有将近10种之多，这在之前是难以想象的。三、 AutoCAD绘图 这是第一次尝试用专业绘图软件AutoCAD进行绘图。这个软件我们很熟悉也很陌生，熟悉是因为大一学工程制图时有接触到这个软件，陌生是因为正真会用或用得好的同学是凤毛麟角。但是，没有压力哪来动力，在下定决心之后，马上借来几AutoCAD学习的资料，重温各种操作工具及技巧等。在准备了两天天之后才开始正式画图，不断修改，差漏补缺，知道最后完成整个设计图。四、 完成设计说明书 这是最后总结性的阶段。需要对前面的数据进行整理归纳，需要一定的耐心。 耐心、细心、决心是本次课程设计最大的感受。 最后，再次感谢彭老师在整个设计过程中给予的悉心指导！九、参考资料【1】钟理, 伍钦，马四朋. 化工原理（上）. 北京，化学工业出版社，2008.8.【2】材料与零部件（上）. 上海科学技术出版社. 1982.7.【3】钱颂文. 换热器设计手册，北京，化学工业出版社，2002.8【4】匡国柱. 化工单元过程及设备课程设计. 北京，化学工业出版社，2002【5】陈锦昌. 计算机工程制图. 广州，华南理工大学出版社，2006.8.【6】郑津洋，董其伍，桑芝富. 过程设备设计. 北京，化学工业出版社，2009.1.【7】赵军. 化工设备机械基础. 北京，化学工业出版社. 2000.