空氣壓縮機一段冷卻器設計

1、目錄第1章緒論21.1空氣壓縮機冷卻器工藝流程圖 21.1.1 工藝流程簡圖21.1.2結(jié)構(gòu)簡圖21.2換熱器的類型31.3換熱器3第2章設計計算42.1確定設計方案 42.1.1換熱器的類型 兩流體的溫度變化 42.1.2管程安排42.2確定物性數(shù)據(jù)52.3估算傳熱面積52.3.1熱流量52.3.2 冷卻水用量 52.3.3平均傳熱溫差先按照純逆流計算 52.3.4初算傳熱面積62.4工藝尺寸62.4.1管徑和管內(nèi)流速62.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)62.4.3平均傳熱溫差校正 72.4.4傳熱管排列和分程方法72.4.5殼體內(nèi)徑82.4.6折流板82.4.7 接管82.5換熱器核算 92.5.

2、1熱傳熱面積校核92.5.2換熱器內(nèi)壓核算11第3章心得體會13第4章參考文獻14朋HI7流量計壓縮機壓力計二溫度計I1ITMyn溫度計壓力計溫度計計第1章緒論1.1空氣壓縮機冷卻器工藝流程圖1.1.1工藝流程簡圖0 0 -I-1壓卿I卜1.1.2結(jié)構(gòu)簡圖1.2換熱器的類型列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據(jù)主導 作用，主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在關(guān)內(nèi)流動，其行程 稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。其主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅固，可選用的結(jié)構(gòu) 材料范圍寬廣，操作彈性大

3、，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提 高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅 可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍流程度 大為增加。列管式換熱器中，由于兩流體的溫度不同，使管束和殼體的溫度也不相同，因此它們 的熱膨脹程度也有差別。若兩流體溫差較大（50C以上）時，就可能由于熱應力而引起設 備的變形，甚至彎曲或破裂，因此必須考慮這種熱膨脹的影響。1.3換熱器換熱器是化工、石油、食品及其他許多工業(yè)部門的通用設備， 在生產(chǎn)中占有重要地位 由于生產(chǎn)規(guī)模、物料的性質(zhì)、傳熱的要求等各不相同，故換熱器的類型也是多種

4、多樣。按用途它可分為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。根據(jù)冷、熱流體 熱量交換的原理和方式可分為三大類：混合式、蓄熱式、間壁式。間壁式換熱器又稱表面式換熱器或間接式換熱器。在這類換熱器中，冷、熱流體被固 體壁面隔開，互不接觸，熱量從熱流體穿過壁面?zhèn)鹘o冷流體。該類換熱器適用于冷、熱流 體不允許直接接觸的場合。間壁式換熱器的應用廣泛，形式繁多。將在后面做重點介紹。直接接觸式換熱器又稱混合式換熱器。在此類換熱器中，冷、熱流體相互接觸，相互 混合傳遞熱量。該類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效率高，適用于冷、熱流體允許直接接觸和混 合的場合。常見的設備有涼水塔、洗滌塔、文氏管及噴射冷凝器等。蓄熱式換熱器又

5、稱回流式換熱器或蓄熱器。此類換熱器是借助于熱容量較大的固體蓄 熱體，將熱量由熱流體傳給冷流體。當蓄熱體與熱流體接觸時，從熱流體處接受熱量，蓄 熱體溫度升高后，再與冷流體接觸，將熱量傳給冷流體，蓄熱體溫度下降，從而達到換熱 的目的。此類換熱器結(jié)構(gòu)簡單，可耐高溫，常用于高溫氣體熱量的回收或冷卻。其缺點是 設備的體積龐大，且不能完全避免兩種流體的混合。工業(yè)上最常見的換熱器是間壁式換熱器。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，間壁式換熱器可以分為管殼 式換熱器和緊湊式換熱器。緊湊式換熱器主要包括螺旋板式換熱器、板式換熱器等。管殼式換熱器包括了廣泛使用的列管式換熱器以及夾套式、套管式、蛇管式等類型的 換熱器。其中，列管式換熱器

6、被作為一種傳統(tǒng)的標準換熱設備，在許多工業(yè)部門被大量采 用。列管式換熱器的特點是結(jié)構(gòu)牢固，能承受高溫高壓，換熱表面清洗方便，制造工藝成 熟，選材范圍廣泛，適應性強及處理能力大等。這使得它在各種換熱設備的競相發(fā)展中得 以繼續(xù)存在下來。使用最為廣泛的列管式換熱器把管子按一定方式固定在管板上，而管板則安裝在殼體 內(nèi)。因此，這種換熱器也稱為管殼式換熱器。常見的列管換熱器主要有固定管板式、帶膨 脹節(jié)的固定管板式、浮頭式和 U形管式等幾種類型。第2章設計計算2.1確定設計方案2.1.1換熱器的類型 兩流體的溫度變化兩流體溫度的變化情況：熱流體進口溫度137C，出口溫度 40C；冷流體進口溫度40C，出口溫度

7、為30C。該換熱器用循環(huán)冷卻水冷卻，冬季操作時，其進口溫度會降低，考慮到這一因素，估 計該換熱器的管壁溫度和殼體溫度之差較大，確定選用浮頭式換熱器。圖1-3 浮頭式換熱器1 一殼蓋空-周定借板耳隔板 * 一浮頭苗圈法蘭 5 浮動伶板占一浮頭蓋2.1.2管程安排從兩物流的操作壓力看，應使混合氣體走管程，循環(huán)冷卻水走殼程。但由于循環(huán)冷卻水較易結(jié)垢，若其流速太低，將會加快污垢增長速度，使換熱器的熱流量下降，所以從總 體考慮，應使循環(huán)冷卻水走管程，熱空氣走殼程。2.2確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：對于一般氣體和水等低黏度流體，其定性溫度可取流體進出口溫度的平均值。故殼程混和氣體的定性溫度為T= 137 40

8、=88.5 C2管程流體的定性溫度為t - 40 30 -35 C2空氣與冷卻水的物理性質(zhì)表物 性密度3 (kg/m )比熱容kJ/(kg C)粘度(Pa - s)導熱系數(shù)(W- m1 C-1)空氣0.9871.0092.13 X 10-50.031水994.034.1747.27 X 10-40.6262.3估算傳熱面積2.3.1熱流量65000 匯 0 987。訴 65000 1.009 97 W9.4kw2.3.2冷卻水用量q m,cQtCpQt1790.44.174 103=42.9kg/s = 155.3m /h2.3.3平均傳熱溫差先按照純逆流計算(137-40)-(40-30)l

9、nS-38.3 C40-302.3.4初算傳熱面積查下表取K=280 W/(tf k)列管式換熱器中總傳熱系數(shù)K的經(jīng)驗值Qt1790.4280 38.3= 167m2冷流體熱流體總傳熱系數(shù)/W/ (tf?K)水水850-1700水氣體17-280水有機溶劑280-850水輕油340-910水重油60-2802.4工藝尺寸2.4.1管徑和管內(nèi)流速選用25 2.5mm較高級冷拔傳熱管(碳鋼)，差下表取管內(nèi)流速* =1.2m/s。列管式換熱器常用流速范圍流體類型流速/ (m/s)管程殼程一般液體0.5-30.2-1.5易結(jié)垢液體10.5氣體5-303-152.4.2管程數(shù)和傳熱管數(shù)可以依據(jù)傳熱管內(nèi)徑

10、和流速確定單程管傳熱數(shù)Nsqv,c155.3 3600-diUi40.785 0.022 1.2 =125167按照單管程，所需的傳熱管長度為L=18m二dNs 3.14 0.025 125按單程管設計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取l=6m，則該換熱器的管程數(shù)為Np取 Np=4傳熱管總根數(shù)n=500根。2.4.3平均傳熱溫差校正T140 -30137-30-0.09T1t2 - t1137-3040 -30=10按單殼程，四管程結(jié)構(gòu)，查得.廠 0.85平均傳熱溫差tm = t tm, -0.85 38.3 = 32.6 C由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8,同時殼程流體流量較大，故取單殼

11、程合適 2.4.4傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按正三角形排列，隔板兩側(cè)采用正方形排列 取管心距P =1.25d。，則P =1.25 25 = 31.25 32mm隔板中心到離其最近一排管中心距離按下式計算ptZ I 6 二 22mm2各程相鄰管的管心距為44mm。2.4.5殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按下式估算。取管板利用率n =0.75，則殼體內(nèi)徑為D =1.05R二 795mm按卷制殼體的進級檔，可取D=800mm。2.4.6折流板用圓缺折流板，去弓形之流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為h=0.25X 800=200mm故可取h=200mm。取折流板

12、間距B=0.5D,則B=0.5X 800=400mm 可取B為400mm。折流板數(shù)目Nb傳熱管長d 6000 d 一1=1=14折流板間距4002.4.7接管殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)氣體流速為 4 =15m/s，則接管內(nèi)徑為,650004 36003.14 15二 205mm圓整后可取管內(nèi)徑為210mm。管程流體進出口接管：取接管內(nèi)液體流速 U2 =1.2m/s，則接管內(nèi)徑為J, 155.34 _3600o.2iom3.14 1.2圓整后去管內(nèi)徑為210mm。2.5換熱器核算2.5.1熱傳熱面積校核管程傳熱膜系數(shù):i 二 0.023丄 Re08 Pr04 di管程流體流通截面積2 2S =

13、0.785 0.02250 =0.072m管程流體流速和離諾數(shù)分別為Ui15530.60m/s3600 0.072Reid u.2 .6 994.j 16407.60.727 10；普朗特數(shù)Pri量，174 103 .727 10 二 4.850.626:i = 0.0230626 16407.63-8 4.850.4 =3188.6 W/ mt C0.02殼程傳熱膜系數(shù)。：0= O.36Re00.55 Prl3()0.14de當量直徑P蔦do二 d。二 0.02m殼程流通截面積& =BD 1doP= 0.8 0.41 -25 = 0.525m2I 32丿殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為o= 65

14、000/3600 33.9m20.0525普朗特數(shù)粘度校正Reo.。2 3439 987 =3.18 1052.13 10“r/1310.09=0.710.0310.36 湮污垢熱阻和管壁熱阻R =1.72 10m2LC/W =50W/ me?？倐鳠嵯禂?shù)K為0.14:0.9500231800C0.55 漢 0.710.33 漢 0.95 = 404.4加/（口29 ）1管外側(cè)污垢熱阻Ro =3.44 10mtlC/W，管內(nèi)測污垢熱阻已知管壁寬度b=0.0025m，碳鋼在該條件下的熱導率為d。:idi1旦Ro丄 di - dm= 270.9W/ ml C傳熱面積校核=1622K %270.9 3

15、8.3換熱器實際傳熱面積S =呦。叫=3.14 0.025 4.5 500 =176.6m2換熱器的面積裕度SSS176.6-162.5176.6= 10%傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務 2.5.2換熱器內(nèi)壓核算管程阻力:Pi =( P P)NsNpFtNs =1,Np=4,匚 p1d?Ui由 Re=16407.6,傳熱管對粗糙度 0.2/20=0.01，查得，=0.048，流速 u 1.20m/ s，? =994.03kg/m3，所以p =0.0470.021.22 994.032二 7729.6Pa=3994.03 1.222二 2147.1Pap =(7729.6 2147.

16、1) 4 1.4 =55309.5Pa管程流體阻力在允許范圍內(nèi)。殼程阻力。卩。=(P P)FtNs其中 Ns =1 Ft =1，流體流經(jīng)管束的阻力卩1 二 Ffnc Nb 1F =0.50 228f0 =5 16407.6 .-0.056nc =1.1 n =1.1 500 = 24.6Nb =14計算得u。= 343.9m/s,因?qū)嶋H生產(chǎn)中達不到現(xiàn)取u。= 34.4m/spl =0.5 0.056 24.6 15 0.987 34.4 = 6033.8Pa流體流過折流板缺口阻力.p NB 3.5 -I D丿2其中 h =0.3m, D =0.8m,則l p2 = 14 I 3.50.8注99

17、4型土 ,2483.5Pa總阻力po =6033.8 22483.5 = 28517.3Pa參數(shù)管程殼程流率mh155.365000進/出口溫度/C30/4013740壓力/MPa0.40.15物 性定性溫度IC3588.5密度 / (kg/m3)994.030.987定壓比熱容/kj/ (kg?k)4.1741.009粘度 / (Pa?s)7.27X0 鼻2.13勺0厘熱導率(W/m ?k)0.6260.031雷諾數(shù)16407.6318000普朗特數(shù)4.850.71設備形式浮頭式殼程數(shù)1殼體內(nèi)徑/伽800臺數(shù)1管徑/ mm 25 X 2.5管心距/ m44管長/ m6000管子排列正三角形由

18、于該換熱器殼程流體的操作壓力較高，所以殼程流體的阻力也比較適換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果見下表構(gòu) 參 數(shù)管數(shù)目/根500折流板數(shù)/個14傳熱面積/176.6折流板間距/伽400管程數(shù)4材質(zhì)碳鋼主要計算結(jié)果管程殼程流速/ ( m/s)1.2034.4表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)/W/ (tf?k)3188.4404.4污垢熱阻/ (tf? k/W)0.000170.00034阻力/ MPa0.05530.0285熱流量/KW1790.4傳熱溫差/K38.3傳熱系數(shù)/W/ (tf?K)270.9裕度/%10%第3章心得體會通過本次課程設計的訓練，讓我對自己的專業(yè)有了更加感性和理性的認識，這對我們 的繼續(xù)學習是一個很好的指導方向，我們了解了工程設計的基本內(nèi)容，掌握了化工設計的 主要程序和方法，增強了分析和解決工程實際問題的能力。同時，通過課程設計，還使我 們樹立正確的設計思想，培養(yǎng)實事求是、嚴肅認真、高度負責的工作作風，加強工程設計 能力的訓練和培養(yǎng)嚴謹求實的科學作風更尤為重要。由于是第一次弄這樣的課程設計活 動，對于設計結(jié)果，我們還是比較滿意的。這次的設計主要是針對現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)中的換熱 器課題展開的，設計任務主要是實現(xiàn)空氣壓縮機的冷卻，通過參照有關(guān)參考書和查閱相關(guān) 網(wǎng)上資料，我們設計出來了這個浮頭式換熱器。此換熱