换热器参数化设计

存档日期： 存档编号： 徐 州 师 范 大 学本科生毕业论文（设计）论 文 题 目： 换热器参数化设计方法研究 一、设计题目换热器参数化设计方法研究二、设计任务要求及主要原始资料设计任务要求：通过 Microsoft Excel、Visual Basic.6.0软件结合Solid works软件实现参数化主要原始资料： 1秦叔经、叶文邦.化工设备设计全书. 换热器M .北京：化学工业出版社.200311邓颂九.提高管壳式换热器传热性能的途径 J .化学工程.1992，20 (2) :30362江楠易、宏甄亮、岑汉钊.管壳式换热器壳程强化传热研究进展 J .化肥工业.1998，25 (6):27323张奕、郭恩震.传热学M .南京:东南大学出版社.2004,24电子版.工业炉设计手册5张景松.流体力学:流体力学与流体机械.徐州:中国矿业大学出版社.2001,6三、设计时间： 2007 年 4 月 9 日至 2007 年 6 月 8日指 导 教 师： （签名）教 学 院 长： （签名）目 录摘要1Abstract21 前言31.1 问题的提出与研究意义31.2 研发背景 31.3 本课题的研究内容42 换热器概述52.1 按工作原理的分类52.2 间壁式换热器的主要形式62.3间壁式换热器中的流动形式92.4小结103 空气预热器113.1空气预热器用途及选用113.2间壁式空气预热器的设计计算163.3小结234 空气预热器的参数化设计254.1 管状空气预热器的设计概述254.2 管状空气预热器设计计算举例264.3 利用Microsoft Excel软件制作表格形式的参数化334.4 利用VB编程的参数化设计334.5 利用Solid Works 软件的参数化设计344.6 小结 38结 论39后 记40附 录41附录1 计算机程序清单41附录2 相关表格和图47参考文献55徐州师范大学本科生毕业设计 换热器参数化设计方法研究换热器参数化设计方法研究关键词:换热装置 工程设计 参数化摘 要:随着换热装置日新月异的设计要求的提出，传统的、单一结构类型的换热器设计辅助手段已显得力不从心了。在换热器设计中，管板的设计占有很重要的分量。以往用手工绘制管板图时，管子排列的绘制费时、费力，不易保证精度，而一旦改变管子排列方案，管板图又得重新绘，同样，现在利用计算机进行绘图，同样会给我们带来不少麻烦，因而， 本课题根据换热器设计的基本原理和设计方法，首先采用Microsoft Excel软件对换热器的设计进行计算；其次根据Microsoft Excel软件所进行的换热器计算过程，利用Visual Basic 6.0软件进行程序设计，利用该软件运行时的直观性，便于对其最终结果进行优化，使最终得到的换热器性能更好、更加经济；最后，尝试利用Solid works软件基于其参数化三维建模的理念，争取能够实现三维建模的参数化。这样，就可以给我们减少设计工作量、复杂性和繁琐性，极大缓解了设计工作的难度，可以更加方便的得到最优换热器，争取向三维参数化方向发展。 The method research ofheat exchanger parameterized design Keywords: heat exchanger engineering design parameterized Abstract : As the design requirement of heat exchangers changes rapidly, the traditional means of aid of monotonous structural type is not adequate. In the heat interchanger design, the tube plate design holds the very important component. When formerly used the manual plan tube plate chart, the pipe arranged the plan time-consuming, took the trouble, was not easy to guarantee the precision, but once the change pipe arrangement plan, the tube plate chart redrew, similarly, now carries on the cartography using the computer, similarly could bring many troubles to us. Thus, this topic designs according to the heat interchanger the basic principle and the design method, first use Microsoft Excel software to carry on the computation to the heat interchanger design. Next acts according to the heat interchanger computation process which Microsoft Excel software carries on, software carries on the programming using Visual Basic 6.0, uses this software to move time direct-viewing, is advantageous for carries on the optimization to its final outcome, causes the heat interchanger performance which finally obtains to be more economical well; Finally, the attempt uses Solid works software based on its parameter three dimensional modeling idea, strives for can realize the three dimensional modeling parameter. Thus, may give us to reduce the design work load, the complexity and tedious, enormously alleviated the design work difficulty, may more convenient obtain the most superior heat interchanger, strives for develops to the three dimensional parameter direction.1 前言1.1 问题的提出与研究意义换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计，在现代化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的30% ，在炼油厂中换热器占全部工艺设备的40%左右，海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。能源是当前人类面临的重要问题之一，能源开发及转换利用已成为各国的重要课题，而换热器是能源利用过程中必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用，化工、冶金、动力、交通、航空与航天等部门应用尤为广泛。近几年由于新技术发展和新能源开发利用，各种类型的换热器越来越受到工业界的重视，而换热器又是节能措施中较为关键的设备，因此，无论是从工业的发展，还是从能源的有效利用。换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义。上个世纪70年代初发生的世界性能源危机，有力地促进了传热技术的发展。为了节能降耗，提高工业生产的经济效益，要求开发适用不同工业过程要求的高效能换热设备。管壳式换热器是工业换热设备中的基本结构形式，换热器设计的好坏直接影响到它的长期安全稳定的操作。在换热器设计中，管板的设计占有很重要的分量。以往用手工绘制管板图时，管子排列的绘制费时、费力，不易保证精度，而一旦改变管子排列方案，管板图又得重新绘，同样，现在利用计算机进行绘图，同样会给我们带来不少麻烦，因而，本课题根据换热器设计的基本原理和设计方法，首先采用Microsoft Excel软件对换热器的设计进行计算；其次根据Microsoft Excel软件所进行的换热器计算过程，利用Visual Basic 6.0软件进行程序设计，利用该软件运行时的直观性，便于对其最终结果进行优化，使最终得到的换热器性能更好、更加经济；最后，尝试利用Solid works软件基于其参数化三维建模的理念，争取能够实现三维建模的参数化。这样，就可以给我们减少设计工作量、复杂性和繁琐性，极大缓解了设计工作的难度，可以更加方便的得到最优换热器，争取向三维参数化方向发展。1.2 研发背景换热器是制冷装置、热能设备等的重要组成部分，其性能的好坏，直接影响整个系统的性能。近年来，随着产品更新换代的加快，对换热器的设计提出了新的要求：产品结构形式多样，设计周期短。由于换热器设计本身的特点，设计过程工作量大，传统的人工计算和人工制图已不能适应其发展。基于三维绘图软件的换热器计算机辅助设计(Auto CAD、Solid Works等)不仅节省大量人力、物力，提高设计过程的效率，而且完全改变以往单纯的手工计算和二维绘图设计，使换热器的设计过程提高到了完全计算机计算和绘图，并完成换热器零部件和装配图的三维设计，增强了设计过程中零部件和换热器最终装配的可视化，方便了换热器需求方和设计方在设计过程中的交流和产品优化。通过Microsoft Excel软件和所写的VB6. 0程序以及Solid works软件的结合将有效地推动换热器的设计工作。诚然，换热器CAD 并不陌生。国外已有了相当的发展，如美国的传热研究公司(Heat Transfer Research Inc. )， 英国的传热及流体流动服务公司(Heat Transfer and Fluid Flow Service)，以及前苏联都对计算机在换热器中的应用展开研究，并取得了不同程度的成果。美国的Whessoe公司开发HECAT系统，可以进行各种列管式换热器的设计，并提供材料估计，绘制换热器的装配图。但国内这方面工作开展的还较少。一方面，许多相关程序只是针对个别特殊形式换热器的计算程序，针对性强，通用性差；另一方面，诸多CAD软件教材也只是软件本身功能的使用，真正与实践应用相结合的二次开发还较少；而且，换热器的计算机辅助设计缺乏系统性，阻碍了其发展。本课题目标是实现“空气预热器三维Solid works应用示范”项目的基础研究，其中以间壁式列管式空气预热器为例，间壁式换热器在工程上很多情况下是需要使用的，因而该预热器具有一定的典型性。该种类型的换热器，重点在于其管子的设计及相关结构布置上。为此，通过探索类似装置换热器的设计实践，将解决“空气预热器三维Solid works应用示范”项目的参数化造型等问题。1.3 本课题的研究内容本课题目标是实现空气预热器的Solid works三维参数化，首先采用Microsoft Excel软件对空气预热器的设计进行计算；其次根据Microsoft Excel软件所进行的空气预热器计算过程，利用Visual Basic 6.0软件进行程序设计，利用该软件运行时的直观性，便于对其最终结果进行优化，使最终得到的空气预热器性能更好、更加经济；最后，尝试利用Solid works软件基于其参数化三维建模的理念，争取能够实现三维建模的参数化。2 换热器概述使热量从高温流体传递给低温流体，以满足规定的热工艺要求的设备称为换热器，又称为热交换器。在换热器的实际使用中，由于应用场合、工艺要求和换热器设计方案的不同，出现了型式多样的换热器。对于这些实际使用中类型众多的换热器，可以按换热器的工作原理、结构及换热器内流体的流程进行分类。2.1 按工作原理的分类2.1.1 混合式换热器在这种换热器中，高温流体通过和低温流体的混合而将热量传递给低温流体，因此这种类型的换热器又称为直接接触换热器。比如在热力发电厂中使用的热力除氧器，就是用高温蒸汽直接加热冷水，使水中溶解的氧逸出，而在电厂和制冷装置中广泛使用的冷却塔是用空气直接冷却热水的一种混合式换热器。混合式换热器中发生的热量传递并不属于传热过程。2.1.2 回热式换热器在这种换热器中，高温流体和低温流体周期性地交替流过骨体壁面而实现热量从高温流体向低温流体的传递。在这种换热器中，固体表面是通过在低温状态时先蓄积高温流体的热量，然后再将蓄积的热量在高温状态时传给低温流体，因此这种换热器又称为蓄热式换热器。即使在换热器的稳定工作过程中，这种换热器中的热量传递过程也是非稳态的。比如在空气分离装置、炼铁高炉及炼钢平炉中，常用这种换热器来预冷或预热空气。这种换热器中发生的热量传递过程不属于传热过程。2.1.3 间壁式换热器工程上在很多情况下只要求高温流体将热量传递给低温流体，而不允许两种流体相互混合，间壁式换热器是能严格满足这一要求的换热器。所谓间壁式换热器就是指用固体壁面将高温流体和低温流体分隔开，并实现热量通过固体壁面从高温流体向低温流体传递的过程。比如热力发电厂中的各给水加热器，冷凝器，冷油器，空气冷却器，空气预热器，各水样、汽样抽取口的换热器，省煤器，水冷壁等，都属于间壁式换热器，在暖通空调中也大量使用间壁式换热器，如集中供热系统换热站的一次、二次水换热器，各种制冷机组的蒸发器、冷凝器等都是间壁式换热器。在间壁式换热器中，热量传递属于传热过程。由于间壁式换热器在工程使用中占据了绝对主要的地位，因此其热量传递方式属于传热过程。2.2 间壁式换热器的主要形式间壁式换热器按照其不同的结构形式，又可分为套管式换热器、壳管式换热器、肋片管式换热器、板式换热器、板翘式换热器、螺旋板式换热器等。2.2.1 套管式换热器如图2.11所示，这种换热器由直径不同的同心圆管组成，一种流体在内管中流动，另一种流体在两管形成的环形通道中流动。这是一种结构最简单的换热器。按照两种流体相对流动方向的不同，这种换热器还可作进一步分类。如图2.1(a)，两种流体流动方向一致，称为顺流，换热器称为顺流式套管换热器。图2.1(b)、(c)两种流体流动方向相反，称为逆流，换热器称为逆流式套管换热器。套管式换热器由于传热面积不宜做得太大，因而只能应用于一些特殊场合，如所要求的传热量不大、流体流量较小或流体压力很高。2.2.2 壳管式换热器壳管式换热器主要由管束和外壳两部分组成，其主要结构和部件名称及两种流体的流动情况见图2.21。这种换热器又可称为管壳式换热器或列管式换热器。壳管式换热器由于能处理的流体流量很大，传热量多，结构简单，运行可靠，因此在实际工程中得到大量应用。比如热力发电厂的冷凝器、冷油器、给水加热器、空气预热器、省煤器等都属于壳管式加热器。另外，这种换热器还在暖通空调、化工、石化等部门被广泛使用。在管束的管子内流动的流体称为管侧流体，即图2.2中的冷流体。管侧流体从换热器的一端流到另一端称为一个管程。由于图2.2所示壳管式换热器左侧封头隔板的作用，因此管侧流体为两个管程的流动。在管子外侧与外壳内表面所形成的空间内流动的流体称为壳侧流体，即图2.2中的热流体。同样，壳侧流体从换热器的一端流动到另一端称为一个壳程。图2.2所示换热器中的壳侧流体为一个壳程的流动，因此这种壳管式换热器又称为1-2型壳管式换热器。1表示壳侧流体为一个壳程的流动，2表示管侧流体为两个管程的流动。类似地，图2.31中的换热器就称为2-4型壳管式换热器，这种换热器可看作由两个1-2型壳管式换热器串联而成。 在同样的壳侧流体流速下，壳侧流体横向冲刷管束外部的传热效果要比简单的顺着管束纵向冲刷好得多，因此，在换热器内加装一定数量的折流板改变壳侧流体的流向，增强传热效果。折流板同时还可增强换热强度，减少管束的振动。加装折流板不利的一面是增加了壳侧流体的流动的阻力。图2.41所示1-2型壳管式换热器与图2.2所示的换热器不同之处在于该换热器少了一个右端的管板。这种换热器又可称为U形管式换热器，因为管束中的每一根管都是U形管，其开口分别位于左侧隔板的上下两侧，从而形成两个管程的流动。这种换热器的优点是U形管一端受热后可自由膨胀，因此管子和管板接口处的热应力很小，不容易产生泄漏。2.2.3 肋片管式换热器这是一种常用的强化传热型换热器，又称为翘片管式换热器，如图2.51所示。在这种换热器中，一般管内流体的表面传热系数较高，管外流体多为空气，表面传热系数较小，热阻较大。为了强化传热，在这一侧加肋片可以使传热系数成倍提高。肋片管式换热器须特别注意的问题时应保证管外壁与肋基良好、紧密接触，保证不存在接触热阻，否则肋片强化传热的作用会急剧下降。2.2.4 板式换热器如图2.61所示，板式换热器由许多几何结构相同的平行薄板相互叠压而成。两相邻薄板用密封垫片隔开，形成两种流体间隔流动的通道，为强化传热并增加薄板的刚度，常在薄板上压制出各种花纹，如图2.6板式换热器中的薄板称为人字形波纹板。板式换热器由于板间流体的流动紊流度很大，因而总传热系数很大，比如水-水单相传热可达6000W/(m2K)以上。而且由于板间距离很小，其单位体积的传热面积（称为紧凑度）很大，可达5000 m2/ m3，因而这种换热器属于高效换热器。这种换热器很容易进行拆卸清洗，因而可用于容易沉积污垢的流体的场合。这种换热器的缺点是密封垫片容易老化，薄板容易穿孔，这些都会引起两种流体的混合，使换热器不能正常工作。2.2.5 板翅式换热器如图2.71所示，这种换热器由许多薄平板和板间的二次表面（翅片）组成。翅片既起到强化传热效果，又能固定板间距并增加平板强度。这种换热器的总传热系数也很高，比如用于气-气传热时，以平板面积为传热面积的传热系数就高达350W/(m2K)，它的紧凑度也很高，可达40005000 m2/ m3，因而这种换热器也属于高效换热器。2.2.6 螺旋板式换热器如图2.81所示，螺旋板式换热器由两块卷制成螺旋状的金属板相互套接而成，在螺旋形中心用一块矩形金属板将两个流道隔开。流体1从换热器中心的半圆接口进入，从螺旋板侧边开口流出；流体2从螺旋板侧边另一开口流入，从中心半圆接口流出。螺旋板式换热器的传热效果很好，紧凑度很高，但制造、加工困难，换热器的密封也较难解决。2.3 间壁式换热器中的流动形式除了在逃管式换热器中介绍的两种流体间的顺流流动和逆流流动方式外，在间壁式换热器中还会出现许多两种流体间的不同流动方式。比如对于1-2型或U形管式换热器，壳侧流体和管侧流体间既有顺流，又有逆流，甚至还包括流向相互垂直的交叉流；在板翅式换热器中，两种流体的流向一般采用相互垂直的交叉流动。所有这些流动都可统称为复杂流。顺流、逆流及各种形式的复杂流见图2.91。2.4 小结本章节主要是对换热器的一个概述，讲了3种常见类型换热器的工作原理，因为本课题用的空气预热器（管状空气预热器）是间壁式换热器的一种，所以重点介绍了间壁式换热器的结构、分类，以及流动方式，为后面的工作做铺垫。3 空气预热器 3.1 空气预热器用途及选用利用工业炉排放的烟气余热对助燃空气进行加热的装置称为空气预热器。由炉内排放的烟气温度多达6001200，约占供炉内热量的30%60%，回收这部分热量用以预热空气，可提高燃料的理论燃烧温度，保正必须的炉温以加快升温速度并能显著节约燃料。3.1.1 空气预热器的用途空气预热器属于气气热交换装置，其主要用途分述如下：1、提高燃料的理论燃烧温度空气或煤气预热后可以提高燃料的理论燃烧温度，温度的提高程度与燃料种类及气体的预热温度有关，一般空气预热温度每提高100可提高理论燃烧温度50左右。准确数据可通过燃烧计算或查图3-12及表3-12求得。 1焦炉煤气 Qd=16750kJ/Nm32混合煤气 Qd=8370kJ/Nm33发生炉煤气 Qd=5440kJ/Nm34高炉煤气 Qd=4180kJ/Nm3图3-1 空气预热后几种燃料的理论燃烧温度表3-1 不同空气预热温度时燃料的理论燃烧温度燃料种类低发热量QdkJ/Nm3(kg)空气预热温度()02004006008001000燃料油40550198021202250240025502700烟煤27170172018401960焦炉煤气16750198021002230237025502650发生炉煤气6270165017501830193020302130高炉煤气3762135014301500157016501720天然气359501900202021502、保证必需的炉温提高燃料的理论燃烧温度后对提高炉温有直接作用，炉温值与理论燃烧温度的关系见式3-1。() (3-1) 2式中tli燃料的理论燃烧温度() g炉子高温系数炉子高温系数与炉型结构、炉子热负荷、炉子生产能力、燃料类别及燃烧方法等因素有关，炉型结构紧凑合理、热负荷大、生产能力低、火焰辐射能力大、燃烧速度快，都可增大高温系数。燃料的理论燃烧温度提高后炉温亦即提高，其辐射传热量与绝对温度的4次方成正比，从而又可提高炉子的生产能力。根据经验：空气预热温度每提高100，约可提高炉子生产能力2%。对使用低热值煤气的高温炉来说，预热空气和煤气成为必须的前提，否则将达不到加热工艺所要求的炉温。为达到规定炉温所要求的空气预热温度可按图3-1或表3-1查得燃料的理论燃烧温度值，再按式3-1求得炉温值。不同发热量的低热值煤气为达到规定炉温所需空气或煤气最低预热温度见表3-22。表3-2 使用低热值煤气时空气煤气的最低预热温度炉型炉温()煤气低发热量Qd(kJ/Nm3)5020544060706070预热空气预热空气、煤气预热空气预热空气、煤气预热空气预热空气、煤气室内加热炉1450各400各350400各2501300400各250350各250300各200台车式加热炉1300400各250350各250300各2001250350各200350各200300各2003、节约燃料单独预热空气、或空气煤气同时预热时，燃料的节约率按式3-2计算。 (3-2) 2式中 j燃料节约率(%) Qw空气或空气与煤气同时预热时得到的物理热(kJ/Nm3) Qd燃料低发热量(kJ/Nm3) Qy烟气带走的热量(kJ/Nm3)常用的几种燃料，当预热空气时其预热温度、离炉烟气温度与燃料节约百分数的关系见图3-22所示。图3-2 空气预热温度、离炉烟气温度与燃料节约百分数的关系a)烟煤Qd=27200kJ/kg b)燃料油Qd=41000kJ/kgc)焦炉煤气Qd=18200 kJ/Nm3 d)发生炉煤气Qd=5650kJ/Nm3一般认为：每提高空气预热温度100，可节约燃料5%左右，是有效的节能手段，投资回收期短，有高的经济效益。4、提高燃烧效率并降低钢材损耗空气或煤气预热后由于体积膨胀使气体流动速度加快，促使可燃物混合加强，混合物活性增加，从而能实现低氧完全燃烧并提高了燃烧效率。以油为燃料的了炉子，空气预热后能促进油雾的裂解和气化，也有利于提高燃烧效率。另外，在低氧燃烧情况下由于烟气中含氧量减少，加之火焰温度有所提高，使钢材在高温状态下的停留时间相应减少，从而钢材的氧化烧损量减少。5、减少烟气排放量有利保护环境随着环境保护标准的提高，不仅要求降低空气中SO2和NOX的排放浓度，同时要求烟气的总排放量也要减少，这是因为烟气中CO2的大量排放将影响全球的大气质量。回收烟气余热可在总供热能力不变的情况下减少燃料的供给量，亦即减少了烟气的生成量和排放量。回收的热量越多，则烟气的排放量就越少，对环境保护的意义就更大。3.1.2 空气预热器的选用空气预热器有多种类型且性能各异，必须根据实际条件和炉型要求进行选用。1、空气预热器应具有的基本性能1)要有高的热回收能力，即在烟气温度一定的情况下使被预热气体获得最高的预热温度。2)空气预热器体的综合传热系数要高，这是评价空气预热器性能的重要技术经济指标。综合传热系数高，气体预热温度就高，或空气预热器的结构尺寸将相应减小。3)空气侧及烟气侧的压力损失要尽可能小，以减少风机的一次投资和经常性动力消耗；降低排烟阻力，则可降低烟囱高度或减小引风机的功率。4)空气预热器单位面积的传热体积要大，由此而使空气预热器尺寸小、用材省、重量轻、价格低廉。5)性能持久，维护简单，正常条件下使用寿命要长。2、空气预热器分类及使用条件按空气预热器热交换特性通常分为间壁式、蓄热式和热管式三类；按材质分为金属质和陶瓷质两种；按主要传热方式则分为对流式和辐射式两类；前者适用于中、低温烟气换热，后者适用于高温烟气换热。常用空气预热器的性能及使用条件见表3-32。表3-3 常用空气预热器性能及使用条件空气预热器种类种类预热温度()综合传热系数W/(m2) W/(m2K)空气侧压力损失(Pa)损失(Pa)烟气侧压力损失(Pa)损失(Pa)预热材料及烟气进口温度()气进口温度()附注金属空气预热器对流式双面针片状管管200600451002003000550耐热铸铁800耐热刚1000预热空气、煤气单面针片状管管20060023455003000551耐热铸铁800耐热刚1000整体铸造20040016235005000550耐热铸铁600耐热刚800平滑钢管20050016305003000550碳素钢600耐热刚800套管20050016355005000550碳素钢600耐热刚800钢管带插入件件20050023405005000550碳素钢600耐热刚800钢管带扰流件件20050023355001000550碳素钢600耐热刚800喷流200600357010003000550碳素钢800耐热刚1000列管式100300501001001000550碳素钢500耐热刚700辐射式缝式30070023451000600016碳素钢600耐热刚1200预热空气筒式30070023581001000016碳素钢600耐热刚1200喷流3007004590500300016碳素钢700耐热刚1250陶瓷空气预热器八角管式40080061220010001100粘土质1200四孔砖式4007004920015001100粘土质1200长管式4007004820010001100粘土质1200蓄热式8001200231000300010003000普通铸铁600高铝质1300注：表中传热系数均折合为光管表面表3-3中所列缝式金属空气预热器，又称板式空气预热器，是我国近期研制成功的一种高效空气预热器，由天津侨盟科技发展公司生产，产品型号及名称是FH金属缝式空气预热器，结构特点及主要性能指标如下：1)选用耐热钢材制造，使用寿命长。2)单位体积换热面积大，达40 m2/m3。3)综合传热系数高，达35 W/(m2) 。4)烟气和空气侧的流动阻力小，空气侧1000Pa，烟气侧100Pa。5)体积小，安装方便，适用于烟气温度为400900范围内各种工业炉的余热回收。3.1.3 提高空气预热器使用性能的措施空气预热器使用过程中常出现的问题是：性能参数达不到预期要求，运行中性能逐渐降低以及使用寿命短等。需要在设计和操作中注意采取以下几方面的措施：1)正确选择设计原始数据。例如选择空气预热器材料允许的使用温度时应适当留有余量，以保证烟气温度非正常性出现温度过高情况时而不致烧坏。确定传热面积时应留有10%15%的余量以消除因气流分布不均、传热面积灰等原因影响气体的预热温度。选择风机或引风机时更需留有20%左右的余量，避免因管道阻力计算不准确而影响供风量或排烟系统的抽力。2)正确进行设计计算。设计时对空气预热器的类型、气体流动方式、材料性能、烟气温度、烟气含硫和含尘量、气体预热温度和预热量、热膨胀的补偿等要结合实际情况周密考虑后进行正确设计与计算。3)精确制造和施工，避免空气预热器体在铸造、焊接、加工、组装和运输过程中因技术措施不当产生应力集中和泄露缺陷，导致空气预热器很快烧坏。4)使用中注意维护。当气体预热温度过高或进空气预热器烟气温度过高时要采取降温措施，停电、停炉时要采取应急和保护措施，空气预热器严重积灰时要采取清扫措施，炉子出现不完全燃烧时要采取防止二次燃烧措施等。3.2 间壁式空气预热器的设计计算3.2.1 概述间壁式空气预热器常用类型有金属质的管状、片状、筒状和喷流空气预热器，此外尚有陶瓷质的管式，砌砖式和蓄热式空气预热器等。间壁式空气预热器应用广泛，可用来回收高、中、低温的烟气余热，其特点是烟气和预热气体之间用中间壁隔开，相互之间不发生混合。烟气流动时，通过对流换热和辐射传热将热量传给间壁，经过间壁的传导传热后热量再通过对流换热和辐射传热（对空气仅有对流换热）传给被预热气体，其过程属于稳定态传热工况。烟气和预热气体的流动方向可以是同向的，称为顺流空气预热器；也可以是逆向流动的，称为逆流空气预热器；也可以是间隔相互垂直流动的，称为错流空气预热器。预热器间壁传输热量的能力决定于烟气侧的传热系数、间壁的热阻、和被预热气体侧传热系数的综合，尤其决定于三者中的最薄弱环节。为了提高间壁的传热强度，往往在壁面上采取一些强化措施，如增设肋片增加其传热面积和增加壁面的粗糙度等。另外，通过提高气流速度、用插入件扰动气流、用扰流件减薄气流附面层、利用喷流破碎气流附面层、利用旋流延长气流行程、即时清除壁面积灰以减少热阻等，均能取得良好的传热效果。金属质空气预热器的密封性能好，可用来预热空气和煤气；陶瓷质空气预热器的密封性不好，只适宜用来预热空气。3.2.2 设计要点1、空气预热器类型的确定采用间壁式空气预热器时首先要确定选用何种类型。陶瓷空气预热器的使用温度高、寿命长，但体积庞大、漏气率高，只宜用来预热空气；金属空气预热器的使用温度较低、寿命短，但体积紧凑、气密性好，可用来预热空气或煤气。随着耐热钢的大量出现，目前多趋向使用金属空气预热器。当烟气温度低于800时，宜选用对流型空气预热器；烟气温度高于800时，宜选用辐射型空气预热器，或者高温段用辐射型，低温段用对流型。任何一种空气预热器都具有一定的优缺点，应根据使用条件择优选用。2、结构设计要点设计管状空气预热器时，管子长度不宜大于1m。预热空气时采用低压流体输送钢管或焊接钢管；预热煤气时采用无缝钢管。预热发生炉煤气时，管子内径不小于20mm。设计筒状辐射空气预热器时，为了提高传热效率，以辐射为主的高温筒状辐射空气预热器在一定传热面积下应选取较大的直径，较小的长度；低温筒状辐射空气预热器应选取较小的直径，较大的长度。为了便于安装，不带肋片的筒状辐射空气预热器，其内外筒间隙一般不小于810mm；带肋片筒状辐射空气预热器，肋片端部与外筒间隙不小于2mm。空气预热器尺寸（直径及长度）越大，则所留间隙应适当放大。内筒厚度一般选用60mm，外筒厚度选用36mm。3、提高空气预热器使用寿命的措施1)管状辐射空气预热器器壁温度达400，普通碳素钢将明显产生蠕变现象；达500时的持久强度仅为常温时抗拉强度的1/10左右；长时间受热还会产生热脆性（焊缝附近更明显）。因此，筒状材料应选用含硫、磷低，热脆性小的锅炉钢板并用锅炉用焊条焊接。2)普通碳素钢在空气中加热时表面生成黑色氧化铁皮（Fe3O4），质地致富，不易脱落，能阻止钢材进一步氧化；温度大于570时，在黑色氧化铁皮和钢材间产生红色氧化铁皮（FeO），质地松散，易脱落，加速了钢材的进一步氧化。正常情况下，进空气预热器烟气温度1000时，辐射预热器壁温不超过550，因此碳素钢制造的筒状辐射空气预热器原则上允许进入的烟气温度等于1000。但实际操作中往往出现离炉烟气在空气预热器前发生二次燃烧；或因炉子温度制度改变使烟气温度升高；或因停炉后别预热气体停止供送，使预热气体承受高温等不正常温度，因而设计中应选取较为安全的进空气预热器烟气温度（见表3-3），以提高预热器的使用寿命。3)管状空气预热器的钢管、筒状辐射空气预热器的内筒，不能采用耐热钢（抗氧化钢）时，可采取表面渗铝的办法以提高碳素钢管的抗氧化性能。各类空气预热器的间壁材料及允许温度见表3-42所示。表3-4 各类空气预热器间壁材料及允许温度空气预热器种类使用材料进空气预热器允许温度()间壁允许温度()附注管状对流碳素钢管600700400500Q235-A锅炉刚渗铝钢管700800500650Q235-A渗铝合金钢管11007008001Gr18Ni9Ti耐热钢管12008001100Gr25Ni20片状对流普通铸铁800850550650HT250耐热铸铁1000650700RTSi5.5RQSi5.5耐热铸刚1200700850Gr25Ni20筒状辐射合金钢11007508001Gr18Ni9Ti耐热r25Ni20蓄热式普通铸铁650600HT250粘土制品12001150Al2O330%40%高铝制品14501350Al2O360%4) 空气预热器前加防辐射措施，不使预热器体承受局部过热,设计计算时适当提高空气侧传热系数。5)采取并逐步完善进空气预热器前烟气温度过高时的报警和自动控制措施。6)装设膨胀节，防止因热胀冷缩使预热器体开裂。7)空气预热器前应设置烟道闸门或阀板，当停炉或突然停电时，用以切断烟气通路保护空气预热器。4、检修维护措施1)空气预热器前设置蒸汽或压缩空气接口，定期吹扫积灰，保持空气预热器高性能运行。2)炉子操作中注意对烧嘴空气与燃料的比例调节，防止在空气预热器内发生二次燃烧。3)如烟气中含有腐蚀性气体成分时，应有防腐蚀措施并保证空气预热器内烟气温度不低于相应的露点温度。4)预热发生炉煤气时，在空气预热器入口最低处要设置冷凝水排出口。对大型炉子的煤气预热器需设有煤气放散系统。5)预热空气时，为了保护预热气体。应在空气预热器出口附近设置放风管，以便停炉后继续送风一段时间，冷却空气预热器体以防烧坏。6)根据空气预热器前烟气温度情况，考虑是否设置冷风吸入口（稀释烟气温度用），吸入口位置应在空气预热器前不小于500mm处。 7)要考虑检修和清理烟气通道以及预热空气通道的方便性，水平安装的空气预热器两端应采用法兰连接结构。5、有关设计参数与原始数据的确定21)预热空气量Vk按炉子平均燃料消耗量计算所需的预热空气量，同时还要考虑空气沿程的漏损量。Vk= (Nm3/h) (3-3) 2式中 空气漏损系数；中、小炉子=1.051.15；大型炉子=1.2空气系数：燃煤气炉=1.051.15；燃油炉和煤粉炉=1.11.2；燃煤炉=1.21.4L0理论空气消耗量 Nm3/Nm3(kg)B平均燃料消耗量 Nm3(kg)/h2)空气预热温度tk预热温度高则燃料节约率高，但每提高预热温度100，空气预热器大约要增加0.81.2倍的传热面积，使投资剧烈增加，所以预热温度应选一最佳值。最佳预热温度与燃料价格、热回收率大小、空气预热器投资额、空气预热器性能好坏及其使用寿命有关。一般认为预热温度为烟气温度的0.50.55倍为佳，性能良好的空气预热器可达0.6以上。确定预热温度尚要考虑管路的温降、燃烧器所能承受的温度限度以及为保证所需炉温而要求的最低预热温度。燃用不同燃料的炉子，其空气预热温度可按下列数据选用对于煤炉： tk300；对于煤粉炉：一次空气tk300；二次空气按最佳值确定；对于油炉和煤气炉：按最佳值确定。3)烟气量Vy按炉子平均燃料消耗量计算烟气量，同时要考虑沿程空气吸入量和烟气逸出量，还要考虑稀释烟气使其降温所掺入的冷空气量。假定沿程吸