烟道式光管钢管换热器课程设计

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中南大学能源科学与工程学院

中南大学课程设计

光管钢管式换热器设计

班级：热动0801班

姓名：

学号：

日期：2021年1月

题目

设计一台利用铜精华反射炉〔然重油〕的烟气余热预热助燃空气的烟道式光

管钢管换热器。设计条件以下：

入换热器的均匀烟气流量：Vh3/s

入换热器烟气温度：th=700oC

入换热器空气标况流量：Vc3/s

入换热器空气温度：tc,i=20oC

出换热器空气温度：tc,o=380oC

地下水平烟道的断面尺寸：

W*H=1392mm*1700mm7.烟气成分〔体积百分数〕CO2SO2H2OO2N2

2

一、热器构造初步确立

流道安排、流动方式及行程确立

烟道式换热器一般不设金属外壳，空气在管内流动而烟气在管外流动；因为

换热器设置在水平烟道内，烟气与空气设计成正交逆流流动；受烟道高1700mm

的限制。空气每个行程的换热管有效长度初步设定为1600mm，换热器设计成1

——2n行程，即烟气为一行程，空气为2n行程。

(2)换热器规格

采纳mm热轧无缝管，规格知足GB8162-87、GB8163-87要求。

换热管摆列

考虑清灰方便，管群按正方形摆列，并取管中心距

S1S2〔m〕

取空气在管内的标况流速c10ms，管内径:

di

其流通界面积:

f02

一个行程空气侧需要流通界面积为：

fVc〔m2〕10

一个行程需换热管根数:

f〔根〕N70f0烟道断面宽度B，那么在其宽度上摆列的换热管列数为：

B3d3〔列〕m10S1顺烟气流向摆列排，那么n70〔排〕m710一个行程管群的摆列见图4-18。

3

二、换热器的热计算

在换热器热计算中，假定换热器无换热损失、两流体在换热器中无流量损失、

无变相、比热容不变、仅有显热变化。

有效换热量Q

所谓有效换热量是指空气从20C被加热到380C从烟气所汲取的热量。由

于相应温度下空气的比热容分别为c1302Jm3C和c1353Jm3C，那么

有效换热量为：

QVctctt

〔3801353201302〕

746793〔W〕

(2)烟气出口温度确立

依据热均衡方程，在换热器内空气的吸热等于烟气的放热。第一假定烟气出

口温度t500C，其质量热容c1464Jm3C，对应烟气进口温度为t700C比热容c1504Jm3C，按热均衡求出:

4

VctQtc.oVc

1.941504700746793

94

456(C)

因为与原来假定的出口温度t500C相差小于4%，故可确立烟气出口温

度为th.0470C。

(3)流气对热均匀温差t

逆流对流体在换热器进口和出口的温差分别为：

tith.it700380320〔C〕tith.ot46920449(C)那么流体对数均匀温差为：

tit0320449C〕t1.M381(IntiIn320t0449查图4-7，正交逆流时的温差补正系数

，那么对数均匀温差为：

t1.m'381373(C)tt1.M(4)管内空气侧传热系数c空气在管内的标况流速：wcVcNf070(ms)空气均匀温度：t1tc.ot21(20380)200(C)2

空气在管内流动的雷诺数：

5

Rewdi1t1nv120010-52732.6310

4

因为雷诺数大于1104，可知空气在管内属湍流状态，其传热系数可按公式

〔4-18A〕计算。当L==30时，查第三章相关表得kL。设管壁均匀d温度t400C，那么kt'273t273t

273200

273380

关于直管，系数kR及kD为1，代入数值后得：

cwc1'kRkd0.2tc.mk1ktdi1200273Wm2C

管外烟气测传热系数c

烟气对流传热系数

管群为正方形摆列的管群在垂直烟气流向断面换热管长度，管群在

最窄截面积为：

fn(S1d)L(0.120.06)

2

管群最窄截面处烟气流速为：

Vhwh=2.25(ms)(m1)fn(101)6

烟气均匀温度：

t1(700469)584.5(C〕。2对正方摆列的管群的当量直径为：

〔d)L20.06)dc2S1S1dL0.116(m)烟气流动的Re数为：Recwdc11ntvh.o110512739277因为烟气雷诺数103Re104，烟气对管群的对流传热系数可按公式

〔4-21B〕计算，当S2d2时，查第三章相关图表得cH、、k'P、k'H2O,烟气垂直流过管群k4，带入数值后得烟气对流对流传热系数：kp'kk'H2Oh(1t)0.58cHde(2.25)(10.4)(0.116)273/(m2C)烟气辐射传热系数

关于S1S22d摆列的管群，烟气辐射的有效射线长度

l，按烟气成分VCO213%，VH2O11%，在烟气均匀温度tC时，查第三章相关图表得CO2，'H2O0.065,。烟气在自己温度〔590C〕和壁温〔400C)下的辐射率分别为：CO2H2O

CO2H2O

7

所以，系统的辐射率为：

h.f111111h.gh.w

烟气对管群的辐射传热系数为：

h.g(T)4(T)4100100h.ftt27344004273100100400m2C烟气侧传热系数为：

hh.cm2C

总传热系数K

不考虑管壁及污垢热阻时，换热器总传热系数为：

K

h

ch

m2C传热表面积F

F'Q746793m2KtLM考虑换热器运转后的结垢和留有适合的富饶系数，最后确立换热器的传热表面积为：

'm2

空气侧行程数的确定

的换热管之外径计的每米长的表面积为fm2m，在一个行

程内排的换热管的根数N=70根，那么一个行程拥有的换热面积为：

Fi0.1881.67021m2

那么换热器的行程数为：

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F'行程nFi21取n=5行程。所以换热器的传热面积为：

FnFi521105m2

换热器壁温计算

换热器均匀壁温按下式计算：

hth.mct200t410Chc与前面计算过程所假定的tw.m400C相差小于1%，故可确认壁温tw.m410C。

关于逆流式换热器因最高壁温处于高温流体的进口端，所以需计算最高壁

温，计算方法同上，不过采纳进口端的各相关参数，计算进出口端的两流体的传热系数，按上边计算壁温的公式求出最高壁温。经计算，高温流体进口端烟气侧和空气侧的传热系数分别为：

o

71Wm2C

m2C

那么管壁最高温度为：'t'htw.max''hc

7170038071563C(10)流体出口温度验算

换热器传热计算时流体均匀温差分别是以烟气进口700C和出口480C，空

气进口20C和出口350C，而烟气和空气流量分别为m3s和3s等基

本参数求出换热面积为75m2；考虑换热器运转后的结垢影响并留有适合的富饶，

以致换热表面积由75m2增添到84m2。假定保持烟气进口条件及空气流量不变，那么

换热器运转早期将会因换热面积增添而以致空气出口温度高于设计值。详细数值

经过验算确立以下：

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1〕空气出口温度验算：

空气水当量：

wcVcc13502070WC

烟气水当量：

whVhc1.9414802871WC

水当量之比：

wc2070对空气为：Rc2871whwh2871对烟气为：Rh2070wc热传达单元数：

对空气为：NTU

对烟气为：NTU

KA105c2070wcKA105h2871wh对正交逆流4行程换热器，换热器温度效率按公式〔4-34B〕计算为：20.5121expNTUc1RcEc21Rc1Rc20.51expNTUc1Rc20.5121exp12111exp12

那么空气出口温度为：

tc.oEcth.itc.it0.5377002020385C

验算结果空气出口温度与设计要求380C根真符合。

2〕烟气出口温度验算

烟气出口温度为：

tth.iRctt70038520487C与热计算早先假定的480C邻近。

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三、流体流动压降计算

压力计算表示图见图4-19。

(1)空气流动压降1〕摩擦压损空气均匀温度为：t1tt138020210C22管内空气流动雷诺数Rec104〔见传热计算〕，属湍流流动，其摩

擦阻力系数为：

Ac1040.12Rec空气在管内的流速cms，其摩擦压损按公式〔4-43A〕计算：PfcLc2o.c1bt821200418Padc22273〕行阻压损

空气进口渐扩段

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f1d222,44f22,f1f2查附录六得其阻力系数为忽然扩全局部阻力系数的倍，而突扩阻力

系数为：

突扩1f1f2212那么进口简渐扩的阻力系数为：

1突扩空气出口渐缩段，因为f22,f3d22m2,f2f33.51,出口缩短角44，查附录六得渐缩局部阻力系数为：

5tgf2f322tg152换热器进口的局部阻力系数2，换热管出口3，空气在空气室内

转180的局部阻力系数4，换热器空气进口与出口的温度补正系数按下式计算：

2tt238020tt273273200换热器内空气侧阻力系数为：

12345443空气侧形阻压损按公式〔4-45A〕计算为：

12

2Pdo.co.c1tt22200122732767Pa

那么换热器空气侧压降为：

PcPfPd41827673185Pa

烟气侧压降

沿烟气流动方向管群的总排数：

ZnM5735排，烟气均匀温度th.mC,烟气流动雷诺数Reh9277,S1S22d2〔m〕,换