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1、空气压缩机后冷却器设计 设计说明书第 1 页 共 24 页一、设计任务书二、确定设计方案空气压缩机后冷却器设计 设计说明书第 2 页 共 24 页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
2、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
3、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。三、设计条件及主要物性参数空气水水空气空气压缩机后冷却器设计 设计说明书第 3 页 共 24 页3.1 设计条件由设计任务书可得设计条件如下表：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） 15 148 42 1.1 1.2冷却水（管外） 25 33 0.3 0.4注：要求设计
4、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952418T壳程水的定性温度为 3t3.2.2 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。()/(bababavgbyytt空气在 95，1.2MPa 下的有关物性数据如下：物性 密度 i（kg/m 3） 定压 比
5、热容 cpi kJ/(kg) 粘度 i（Pas） 导热系数 i（Wm -1 -1）空气 11.36 1.009 2.1710-5 0.0317 水在 29的物性数据如下：物性 密度 o（kg/m 3） 定压 比热容 cpo kJ/(kg) 粘度 o（Pas） 导热系数 o（Wm -1 -1）水 996.0 4.175 8.2110-4 0.0601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： i1.293 1.293(1.2MPa/101.33kPa)273/(273+95)11.36 kgm -3T273P参 数空气压缩机后
6、冷却器设计 设计说明书第 4 页 共 24 页四、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 (T1T 2) =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)=51.26mt121ln)()(tT4.1.3 传热面积由于管程气体压力较高，故可选较大
7、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m26.182.5093tm iKQS4.1.4 冷却水用量根据传热传质过程设备设计P15，公式 1-8mo = kg/h2065317.468)(2 ）（tcpi4.2 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-
8、9 可依据传热管内径和流速确定单程传热管数(根)226439.1/(.6300785isiVndu）按单程管计算，所需的传热管长度为m72.630.13sinSL空气压缩机后冷却器设计 设计说明书第 5 页 共 24 页按单管程设计，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=4.16kg0mld钢4.2.3 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
9、差校正系数R 13.2512tTP 0.065 1t3548依传热传质过程设备设计P16，公式3-13，温度校正系数为t12R)11(lnl2RP 0.93123.5120.65l3.(.)ln11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t m= t m =51.260.931=47.72( )t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
10、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=1.1 13 根1.en126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空气压缩机后冷却器设计 设计说明书第 6 页 共 24 页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
11、, /n126/0.7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 N B= 1= 1=19 块折 流 板 间 距传 热 管 长 3015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 4-6
12、0、4-61，得ho = 14.03/15.0)(PrRe36.wood其中：当水做冷却剂时，粘度校正为 =1.0514.0)(wo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de234()otd 0.0202 m22(0.3.05)41空气压缩机后冷却器设计 设计说明书第 7 页 共 24 页壳程流通截面积，由流体力学与传热P164，公式 4-62，得So = BD(1 )=0.150.45（1 ）0.0148 m 2tdo0.253壳程冷却水的流速及其雷诺数分别为uo = 0.389 m/sV206/(396.).48Reo 9532.73ed 0.
13、2.1普朗特准数（P26，公式 1-43）Pr = =57.03opc4175.806因此，壳程水的传热膜系数 ho为ho = 0.51/30.14.0.3693275=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 id其中：管程流通截面积Si = = =0.0198 m224idn23.1064管程空气的流速及其雷诺数分别为ui = 7.95 m/siSV69./(.3)018Re 8.32369 104id 5.7.2普兰特准数Pr = =0.691ipc5109.37因此，管程空气的传热
14、膜系数 hi为hi=0.02383236.90.80.6910.3 =281.74 W/(m2)0.12(3)基于管内表面积的总传热系数 Ki空气压缩机后冷却器设计 设计说明书第 8 页 共 24 页查阅化工原理（上） P365，附录 22，得 冷却水侧的热阻 Rso0.000172m 2W -1 热空气侧的热阻 Rsi0.000344m 2W -1 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 R si iK1ihmidboihoisd 0.000344 28.74 0.25.40.26481 50.000172 .解得： 237.80 W/ (
15、m 2)iK此计算值与前面的初设值 Ki=200 W/ (m2)的关系：= =1.189i37.802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：Q i Sit m得：KSiQ i/( t m)191300/（237.8051.26）15.69 m 2iK该换热器的实际传热面积 SpSp= =3.140.023126=23.74 m2idln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%10ipSH23.7415.690%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= =3.140.02310018.84m 2idln面积裕度为= =17.84%10ipH8.415.690%
