换热器课程设计-环缝双面加热辐射换热器.docx

换热器设计环缝（双面加热）辐射换热器中南大学换热器课程设计（实践）报告书（换热器设计）题 目环缝（双面加热）辐射式换热器学生姓名指导教师学 院专业班级学生学号2015 年 12 月 26日环缝辐射式换热器设计摘 要换热器作为一种热交换设备广泛用于动力、交通、石油化工、冶金等工业领域。根据不同的用途，其种类及结构繁多。按热流体对冷流体传热主要方式分为对流式、辐射式、对流辐射式。辐射换热器指热流体以辐射方式传热为主的换热器。同对流式换热器相比具有释热率（热负荷）高、冷流体加热温度高、表面温度与受热介质加热温度之间的差值较小、以及热流体流道不易被堵塞等优点。一般有色熔炼炉烟气余热利用多为采用。其缺点是外形尺寸较大，换热器出口温度仍然较高，一般需在后面再安装对流式换热器，以进一步回收烟气的余热。 辐射换热器常常采用两种结构形式，即：环缝式（又称夹套式）和管组式（又称鸟笼式）。管组式辐射换热器又可分为圆柱式、屏蔽式和螺旋式三种。通常它采用许多小直径的管子代替环缝通道，这样可以提高换热器的严密性和高温结构强度。本次设计是在热交换计算原理的基础上，对其工作原理、传热计算、结构计算、流动阻力计算和设计有更深刻的理解，也对设计方法和步骤有更全面的了解。关键词：换热器设计 环缝式辐射 双面加热 课程设计 换热器课程设计任务书姓名班级学号设计题目环缝（双面加热）辐射式换热器设计设计起止时间2015年12月20日 至 2016年1月2日设计要求：参照相关文献，严格按照指导教师指定的设计条件对环缝（双面加热）辐射式换热器进行设计，要求在规定时间内提供设计报告一份，其中包含1#图纸一张。 设计报告的组织方式、内容和格式严格按照换热器课程设计报告文本组织及格式要求完成。 要求在一周内完成设计计算，上交文本初稿，供教师指出问题以便修改；第二周完成工程图纸的绘制. 已知条件：1.加热介质：加热介质为有色冶金炉所产生的烟气。烟气状态按照成分、流量和温度的不同而不同。由于烟气成分对换热的影响不大，只选一种常见成分列出如下表所示：co2so2h2oo2n216.00.4711.11.1371.30烟气流量和温度选择如下表所示：序号标况流量vh（m3/s）进口温度（）2218003.被加热介质:被加热对象为水，其状况如下表所示：被加热流体流量vh（m3/s）进口温度（）出口温度（）水0.013520150设计方案简介：本次设计我的任务是环缝式辐射换热器的设计，利用给定的已知条件，用烟气预热空气，使空气满足出口温度360摄氏度。首先进行换热器的类型选择（题目中已给出），计算出换热器的各项参数，选定材质，再进行校核计算，最后需要绘出图纸。主要参考资料：序号名称及说明1换热器课程设计教学大纲（指导教师提供）2有色冶金行业常用换热器结构、设计计算特点、计算实例（指导教师提供）3有色冶金炉设计手册m.冶金工业出版社.4杨世铭、陶文铨. 传热学(第四版)m.高等教育出版社.5t.kuppan. 换热器设计手册m.中国石化出版社.6换热器课程设计报告文本组织及格式要求（指导教师提供）7卓越1301班课程设计任务书（指导教师提供）8机械工程设计手册（动力设备卷）(第二版)m.机械工业出版社设计时间安排序号工作任务内容时间1获得并打印教师指定的课程设计相关资料；阅读换热器课程设计教学大纲、换热器课程设计相关资料汇编等；完成本人设计报告文本的封面和任务书；大致确定换热器结构及材料选择。11.5天2换热器热设计计算；换热器热校验计算；流体流动压降计算3天3汇总换热器技术性能；初步完成文本写作1.5天4绘制换热器总图3天5答疑和上课1天6 目录1.设计条件42确定内外筒直径4（1）内筒直径4（2）环缝宽度5（3）外筒内径53.热计算5（1）有效传热热流量（指空气所需的显热增量）5（2）烟气出口温度的计算6（3）进出口流体温差7（4）水侧传热系数7（5）烟气的传热系数7入口端烟气的辐射传热系数8出口端烟气的辐射传热系数9烟气平均辐射传热系数11（6）换热器的传热系数k11（7）传热表面积f11（8）内筒高度11（9）核算管段入口系数kl124.换热器的验算12（1）空气出口温度12（2）烟气出口温度13（3）壁温计算13平均壁温13烟气入口处壁温13烟气出口处壁温135.流体压降计算13（1）空气侧压损13摩擦压损14形阻（局部）压损14空气侧压总损14（2）烟气侧压损14摩擦阻力损失15形阻损失15烟气侧总阻力损失156.总结.177.参考文献.19环缝式（双面加热）辐射换热器设计说明书一、设计条件 （1）进入换热器的烟气标况流量：=21（m3/s）； （2）换热器烟气进口温度： =800（）；（3）进入换热器的水标况流量： =0.0135（）；（4）换热器水进口温度： =20（）；（5）换热器热水出口温度： =150（）； （6）入换热器烟气成分（体积%）：成分so2h2oo2n216.00.4711.11.1371.30 （7）环缝内安置螺旋形导向片，螺旋节 h=1.0（m）二、计算过程1.确定内外筒直径环缝式换热器由两个同心的内外圆筒组成，烟气在直径较大的内筒流动，可以增加高温烟气的辐射传热，而压力较高的空气在较小的环缝内流动可加强对流换热。但其加热面受容器壁面限制，传热系数不高.为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安装搅拌器.若夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时，也可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施，以提高夹套一侧的传热系数.为补充传热面的不足，亦可在釜内部安装蛇管. 夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却。 经分析，采用螺旋顺流结构。（1）内筒直径取烟气的标况流速h=3.0m/s通道断面为：=(2-1)内筒直径为(2-2)取内筒壁厚=6mm，则内筒外径: (2-3)（2）水夹缝宽度取水在环缝螺旋通道内的标况=0.1，则环缝横断面积为：(2-4) 水夹缝宽度为：(2-5) 取烟气在夹缝中的标况流速h=3m/s，则所需横断面积：（3）外筒内径(2-6)取外筒壁厚6mm，则外筒外径烟气夹缝宽度：三、热计算（1）由式4-153有效传热热流量（指水所需的显热增量）(3-1)（2）烟气出口温度的计算根据热平衡式，在不考虑热损失的情况下，空气的吸热等于烟气的放热， 因而可先计算出烟气的出口温度。按照烟气成分求出烟气的比热容。表1 烟气中成分各温度下的比热容表（单位：kj/(m3)）5温度co2so2h2oo2n23001.88071.9551.53791.35831.30804001.94352.0181.55921.37961.31725002.04532.0681.58301.40051.32946002.05912.1141.60771.41521.34197002.10762.1521.63381.43701.35538002.15162.1811.66011.45291.3682由式12-117得比热容计算方法：计算得下表： 表2 烟气比热容t/300400500600700800cp/j/(m3k)1428.761448.271476.371490.641511.251530.72假设，其比热容=1482.78j/(m3)，而烟气入口温度=800时其比热容为= 1530.72j/(m3) ，按热平均计算得：误差在5%可以接受，后面可以按照570参与计算（3）进出口流体温差 设计采用烟气与空气顺流流动，由式4-223则换热器进、出温差及对数平均温差：(3-3)故取对数平均温度差(3-4)（4）水侧传热系数由式3-38a3得水平均温度为：(3-5)得螺旋通道当量直径：(3-6)水流速，水的雷诺数为：属于湍流，传热系数系数确定如下（经验公式）：物性集合系数（5）烟气的传热系数由式3-77a3烟气的平均温度为：(3-14)由于烟气在内筒内的流速很小，其对流传热系数可忽略不记，仅计算烟气的辐射传热系数。根据辐射换热器计算的特点，对于烟气的辐射传热系数按进、出口分别计算。入口端烟气的辐射传热系数由表3-203烟气在内筒内的有效射线长度为：(3-15)烟气的成分为：co21.60%,so2 0.47%,h2o11.1% 烟气入口处温度为800。由图3-16,3-17,3-18,3-193可知:(3-16)则由式3-643烟气的黑度为：(3-17)由式3-683取内筒金属璧的黑度为，按公式求得系统的辐射系数为;(3-18)入口处环缝内水侧传热系数为：当入口水温度t=20，水标态流速，则入口端水传热系数为：物性集合系数 （3-19） (3-20)由式4-603可得：(3-21)由式4-613(3-22)查表4-193得，则内壁温度由式4-593得(3-23)当烟气温度为=51时，查有关图表得;(3-24)则烟气黑度为：(3-25)因此由式4-18b3得，入口处烟气的辐射传热系数为(3-26)出口端烟气的辐射传热系数出口端烟气温度为=570，查有关图表得，(3-27) 则烟气的黑度为：(3-28) 取内筒金属璧的黑度为，按公式求得系统的辐射系数为;(3-29)出口处环缝内水侧传热系数为：当出口水温度=150，水标态流速，则出口端水传热系数为：物性集合系数 （3-30） (3-31)由式4-603和4-613可得：(3-32)(3-33) 查表4-193得，则内壁温度ti=to=427k）,=424-273=151。当烟气温度为=151时，查有关图表（参考文献2）得;(3-34)则烟气黑度为：(3-35)因此，据式4-18b3得，出口处烟气的辐射传热系数为(3-36)烟气平均辐射传热系数(3-37)考虑进、出口集箱辐射的影响取辐射增量，则烟气辐射传热系数为：(3-38)（6）换热器的传热系数k(3-39)（7）传热表面积f(3-40)（8）由于是双面加热，则内筒高度：(3-41)取内筒高度h=15m，则换热器传热表面积为;(3-42)（9）核算管段入口系数kl螺旋节距h=1.0m，螺旋直径为：(3-43)内同高度h=15m，螺旋圈n=h/h=15/1.0=15圈，螺旋长度(指水流程长度)为：(3-44)在进行环缝通道内空气传热系数计算时，环缝的当量直径de=0.23m，则l/de50，故计算空气对流传热系数时假定kl=1.0是正确的，不需再算。四、换热器的验算 （1）水出口温度当水温度为时，比热容为：，其水当量据式4-29a3(4-1)当烟气温度为时，比热容,其水当量为:(4-2)水当量之比为：(4-3)换热器空气侧的热传递单元为：(4-4)换热器空气侧的热传有效度(顺流式)为：(4-5) 则，水出口温度为：(4-6) 经验算水出口温度误差为1.33%能满足150的要求。（2）烟气出口温度(4-7)与假定中的570低8，误差为1.4%5%，满足出口温度570的要求验算结果表明，水出口温度151和烟气出口温度570与热计算中的条件基本相符，传热表面积可满足要求。（3）壁温计算 平均壁温(4-8) 烟气入口处壁温(4-9) 烟气出口处壁温 (4-10)根据最高壁温，换热管材质选耐热铸钢zg40cr9si2.五、流体压降计算（1）水侧压损 摩擦压损由热计算知水在环缝通道内的雷诺数为35690，属于湍流状态。据式4-443可推得摩擦阻力系数为：(5-1)按式4-433公式计算摩擦阻力损失为：(5-2)形阻（局部）压损按式4-45a3取进、出口环形集管阻力系数，温度补正系数：(5-3)按式4-45b3公式求得形阻损失为： (5-4)水侧压总损(5-5) （2）烟气侧压损 烟气侧压力损失包括烟气进、出口的形阻损失和内筒内的摩擦阻力损失，由于换热器为立式安装，烟气的浮力忽略不计。 烟气在内筒内标况流速为：(5-6)烟气雷诺数为：(5-7)摩擦阻力损失 摩擦系数： (5-8)摩擦阻力损失为：(5-9)形阻损失 取换热器烟气进、出口总阻力系数为，而温度补正系数为：(5-10)形阻损失为：(5-11)烟气侧总阻力损失(5-12) 表3 环缝式辐射换热器的技术性能表序号名称数值1传热面积/m22822流动方式螺旋顺流式3水入口温度/204水出口温度/1505水标况流量/0.01356烟气入口温度/8007烟气出口温度/5708烟气标况流量/219水标况流速/0.110烟气标况流速/311总传热系数4612内筒内径/mm290013内筒壁厚/mm614内筒材质zg40cr30ni2015外筒内径/mm497516外筒材质/g2017空气侧压降/pa1689.618烟气侧压降/pa82.16六、.总结 在本次设计过程中，我遇到一个很大的问题，那就是老师所给的参考资料中对于气液换热的介绍很少，对后面传热系数的计算造成了阻碍。而且由于所给参数的问题，第一次计算时发现所给的烟气的条件无法使水加热到所需温度，经过跟同学们讨论我们第一次降低了水温，可是后来答疑时请教老师时，老师告诉我们：如果将水温降到50那这次设计的意义就不大了，可以采取其他办法：降低水的流量，升高烟气温度或者增大烟气流量等。而在计算过程中我发现水所在的环缝的直径已经很小了，若是再减少水的流量，环缝直径会更小，而且水的流速也不能再降了，所以只能增大烟气的流量或者增大烟气入口温度。第一次我改动了烟气的温度，将其升到了1400，这已经是上限不能再升了，但是由于辐射传热系数过小，还是无法达到要求。第一次改动失败了。第二次我改动了烟气的流量，假设烟气流速为1m/s、水流速0.5m/s，算得的换热器外径1.995m高达到了40多米，显然设计不合理。第三次改动我既升高了烟气入口温度同时也升高了烟气流量，但是压降过大，且换热器偏于高痩比例不协调，为了使后面画设计图纸时的协调准确度，所以再次改动，降低了烟气的流速，但是又引发了另一个问题：换热器的横截面积偏大而且其高度也无法再降低（要再降低高度横截面积会变更大），而且由于临近考试时间比较紧，所以最后设计结果是内筒内径为2.90m，外筒外径为4.987m，而内筒高15m，而且为了保证环缝直径不会过小水的流速也不能增加，所以筒的高度不能再降了。设计过程中，由于所查阅的资料有限，所以设计参数可能有误差。在比热容的计算部分主要参考有色冶金材料中的比热容表，采用内插法计算，误差较小。后面黑度部分需要查图读数据时存在人为读数的误差。书中规定环缝辐射换热器中烟气的流速不能大于1，但是在计算过程中对它进行了改动，但总体校核符合设计要求。经校核计算，各项误差均小于工程允许误差5%，虽然在外形的设计上还是不太协调，但是设计实践的目的达到了：通过设计的过程，我对学过的传热学，流体力学等学科有了更深层次的理解，通过这次设计，也对各类换热器的结构，相关参数，以及设计计算和校核的方法有了一定的了解。在整个设