烟道式光管钢管换热器设计说明书

烟道式光管钢管换热器设计任务书设计一台利用烟气余热预热助燃空气的烟道式光管钢管换热器一、设计条件入换热器的平均烟气标况流量：Vjm3/s;h入换热器烟气温度：t=680°C；h,i入换热器空气标况流量：V=m3/s;c入换热器空气温度：t=20°C；h,i出换热器空气温度：t=330°C；h,o地下水平烟道的断面尺寸：W€H=1400mm€1700mm[7]烟气成分(V/V,%)成分(V/V)%C°2S°2ON[1]1二、设计要求1、 换热器结构初步确定流道安排、流动方式及行程确定换热器规格换热管排列2、换热器热计算（包括设计计算与流体出口温度校验计算）设计计算校验计算材质选型3、流体流动压降计算空气侧压降烟气侧压降4、换热器技术性能5、总结附录换热器总图（1#）三、参考文献T.IKuppan.换热器设计手册•中国石化出版社.机械工程设计手册（动力设备卷）【第二版】.机械工业出版社..任晓光.化工原理课程设计指导.化学工业出版社.贾绍义.化工原理课程设计.天津大学出版社.杨世铭，陶文铨.传热学【第四版】.高等教育出版社.王补宣.工程传热传质学【上，下】.科学出版社.1.换热器结构初步确定⑴流道安排，流动方式及行程确定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；由于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，空气与每个行程的换热管有效长度初步设计为1600mm,换热器设计成1—2n行程，即烟气为1行程，空气为2n行程⑵换热管规格选用€60mmx3mm热轧无缝钢管，规格满足GB8162—87,GB8163—87要求。3）换热管排列考虑清灰方便，管群按正方形排列，并取管中心距S，S，2d=2x0.060=0.12（m）。12取空气在管内的标况流速w=10m/s，管内径d=0.054m，其流通面积cif=0.0023m2o0一个行程空气侧需要流通面积为v1.4f=-= =0.14（m2）w10c一个行程需要换热管根数N，f,_°^,60（根）。f0.00230烟道断面宽度B=1・400m，则其在宽度上排列的换热管列数为:B-3d1.400-3x0.06m， ， ，10（歹U）S 0.121顺烟气流向排列M排，则皿=工,60，6（排）m102，换热器的热计算在换热器计算中，假定换热器无热损失，两流体在换热器中无流量损失，无相变，比热容不变，仅有显热变化1)有效换热量Q所谓有效换热量是指空气从20°C被加热到330.C从烟气所吸收的热量。由于相应温度下空气的比热容分别为：c€1302J/(m3?C)和c.ic€1346J/(m3?C)，则有效换热量为：c.oQ=V(tt—tc)c.oc.oc.ic.i€1.4,(330,1346—20,1302)€585396(W)2)烟气出口温度确定根据热平衡方程，在换热器内空气的吸热等于烟气的放热。首先假定烟气出口温度t€5000C，其质量热容c€1476J/(m3-c)，对应烟气入口温度h.o h.o为t€700C比热容c€1511J/(m3-c)，按热平衡求出：h.i h.it_Vct—Qc.oVch.oh.o€2.05x1511x680—5853962.05x1.476€520(oC)由于与原定假定出口温度t€500oC相差小于4%。，故可确定烟气出口温度h.o为t€520oC。h.o(3流体对数平均温差„tl.M逆流时流体在换热器入口和出口的温差分别为：„t€t—t€680—330€350(oC)ih.ic.o„t€t—t€520—20€500(oC)ih.oc.i则流体对数平均温差为：TOC\o"1-5"\h\z€t—€t 350—500 „__€t' ，io，希，420.55(oC)l.M€t 350In—i- In €t 500o£，0.94,则对数平均温差为:€t€t ，£€t' ，0.94x420.55，395.317(oC)l.M €t l.M(4)管内空气侧传热系数…c空气在管内的标况流速：V1.4w，—， ，10.14(m/s)cNf60x0.00230管内平均温度：1t一2(ti+t)c.m2c.ic.o1，—(20+330)，175(oC)2空气在管内流动的雷诺数：wdTOC\o"1-5"\h\zRe，co4(1+pt)1-ncv c.mc.o10.14„0.054 175，„(1+ )1-1.661.396x10-5 273，2.88x104由于雷诺数大于1„104。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/d=1.6/0.053=30时，查第三章有关表得k，1.05。设L管壁平均温度t ，400oC。则w.m7,_(273+1 )k一( c.m)0.5t273+1w.m273+175，( )05273+400，0.816对于直管，系数k及k为1,代入数值后得:R0w0.8a=3.63-^(1,€t)023kk'kkcd0.2 c.m LlRDi(10.14)0.8 175、 1=3.63x (1, )0.23x1.05x0.816(0.053)0.2 273=40.02[W/(m2°C)](5)管外烟气侧传热系数am,管群在最小1)m,管群在最小管群为正方形排列的管群在垂直烟气流向断面换热管长度L=截面积为：f=(s-d)L=(0.12-0.06)x1.6=0.096(m2)n1管群最窄截面处烟气流速为：VW= hVW= h h (m-1)fn2.05(10-1)x0.096=2.37m/s烟气平均温度：1t=(680烟气平均温度：1t=(680+520)=600(oC)h.m2队正方排列的管群的当量直径为：2(S-d)L 2(0.12-0.06)1.6d= 1 = eS—d,L0.12—0.06,1.61=0.116(m)烟气流动的Re数为：Rehwd——ho——CRehwd——ho——C(1,€t )1-nh,mh.o2.37x0.1161.22x10-5x(1,600273)1-1.73=9645由于烟气雷诺数103€Re€1X104,烟气对管群的对流传热系数可按公式4-21B）计算当S2/d=0.12/0.06=2时，查第三章有关图表得烟气垂直流过管群k4=1.0=1.03,,=0.92,k'=1.009,烟气垂直流过管群k4=1.0p h2o ，代入数据后得烟气对流传热系数：w0.6„ 二5.71一h (1+…t)0.58c,k'kk'h,c d0.4 h,m Hp,hfc2.370.6 600二5.71X X(1+ )0.58X1.03X0.92x1.009x0.990.1160.4 273二42.14[W/(m2C)]2)烟气辐射传热系数对于S1=S2=2d排列的管群，烟气辐射的有效射线长度L=3.5d=0.21m,按烟气成分TOC\o"1-5"\h\zV=16%V=11.1%co2 H2o,在烟气平均温度 «时，查第三章有关图表得t=600。C < =0.052h,m co2, 烟气在自身温度（600G<'=0.05，< =0.47 …二1.08H2O SO2和壁温（400 °C）下的辐射率分别为：=< +卩<=0.052+1.08x0.05+0.0032=0.12h.R CO HO22=< +P<=0.149h.w CO HO22因此，系统的辐射率为：h.fh.g5.67=0.26h.fh.g5.67=0.26h.w数为=€h.f h.f€hg(€—hw——T、hm)4—100h.m w.m烟气的传热系数为：„=„,„ =42.14,8.42=50.56「W/(m2h h.c h.f6）总传热系数K不考虑壁管及污垢热阻时，换热器总传热系数为=22.46W/(m=22.46W/(m2c)K= c―h =(„,„) 40.02,50.56ch7）传热表面积F考虑换热器运行后的结垢和留有适当F=—KAtF=—KAt1.m58539622.46x395.3=65.93m2的富裕系数，最后确定换热器的传热表面积为：F=1.1F'=1.1x65.93=72.53(m2)空气侧行程数的确定<60x3.5m2/m，在一个行程内排。1=的换热管的根数N=60，则一个行程F€0.188x1.6x60=18.048(m2)i行程Fn=-Fi60= =4.0218.048,取n=4行程。因此，换热器的传热面积为:F€nF€4x18.05=72.20(m2)i换热器壁温计算换热器平均壁温按下式计算：,t+,t 50.56x600+40.02x175 厂一“小、t =——hh.m cc.m= =416.64(oC)w.m ,+, 50.56+40.02hc与前面计算过程所假定的tw.m=400相差小于1%，故可确定壁温t€416.64oCw.m对于逆流式换热器因最高壁温处于高温流体的入口端，因此需要计算最高壁温，计算方法同上，只是采用入口端的各有关参数，激素三出入口端的两流体的传热系数，按上面计算壁温的公式求出最高壁温。经计算，高温流体入口端烟气侧和空气侧的传热系数分别为：ah.o€71(W/(m2C))€53.2(W/(m2.C))则管壁最高温度为：，——^-hri co，530(oC)w.max €'+€'hc流体出口温度验算换热器传热计算时流体平均温差分别是以烟气入口680°C和出口520°C、空气入口20C和出口330C5m?/s和m?/s等基本参数求出换热表面积为川；考虑换热器运行后的结垢影响并留有适当富裕，只是换热表面积由6m2增加到川。若保持烟气入口条件及空气流量不变，则换热器运行初期将会因换热表面积增加而导致空气出口温度高于设计值。具体数值经过运算确定如下：1)空气出口温度验算：空气水当量：w，Vc，1.4x1346，1884.4(W/oC)ccc.m烟气水当量：w，Vc，2.05x1472，3017.6(W/。C)hhh.m水当量之比：对空气为：

w1884.4R=—€ €0.624cw3017.6h对烟气为：R€z€30176€1.601hw1884.4c热传递单元数：对空气为：(NTU)c(NTU)hKA22.46(NTU)c(NTU)h €€0.86w1884.4对烟气为：KA22.46x72.20€€0.537w3017.6h对正交逆流3行程换热器，换热器温度效率按公式（4-34B）计算为:E€2<1+RE€2<1+R+(1+R2)o.5c1+exp…-(NTU)(1+R2)0.5_1- C C 」1-exp-(NTU)(1+R2)0.5cc，1>€2<1+0.624+(1+0.6242)0.51+exp…-0.98(1+0.6242)0.5_1—exp…-0.98(1+0.6242)0.5_，1,€0.476则空气出口温度为：t€E(t-1)+1€0.476x(680-20)+20=334.16(。C)c.o ch.i c.i c.i验算结果空气出口温度与设计要求350°C基本相符。2）烟气出口温度验算烟气出口温度为：t€t-R(t-1)€680-0.624,(334.16-20)=483.96(。C)h.o h.i cc.o c.i与热计算预先假定的520°C相近。压降计算示意图见图4-14。（1）空气流动压降1）摩擦压损空气平均温度为：11t€（t+1）€（330+20）€175（oC）c.m2c.ic.o 2管内空气流动雷诺数 （见传热计算），属湍流流动，其摩擦阻力系Re€2.88,104c数为：€A„€1.29,0.12€0.045丿 €0.045cRe0.12 (2.88,104)0.12c空气在管内的流速wc/S,其摩擦压损按公式（4-43A）计算:AP-…—,(1+bt)-0.045 ,(10.14)2%1.293,(1+!2£)-581.78(Pa)fcd2 c.m 0.054 2 2732）形阻压损

€ 3.14空气入口渐扩段f=d2=丄一,(0.54)2=0.228m2,f=1.25,0.84=1 4 4 21.05m2,f/f=0.228/1，05=0.22,查附录六得其阻力系数的0.8倍，而突12扩阻力系数为：E突扩=(1„彳亿)2=(1—0・2)2=°.64，则入口渐扩的阻力系数为：E=0・8£ =0・8x0.64=0.51。空气出口渐缩段，由于f=1.05m2，1 突扩 2f=€d2=314,(0.62)2=0.302(m2)，f/f=1.05/0.302=3.51，出口收缩角3 4 4 1 2…=30。，查附录六得渐缩局部阻力系数为：守守0・47険尹M=0.47 ，(3.51)2=3.0换热管入口的局部阻力系症=2.5，换热管出口g=1.0,空气在空气室23内转180°的局部阻力系数g4=2°，换热器空气入口于出口的温度补正系数按下式计算：―2(t—t)_2,(330—20)G— c.o c・i— —1.381 273+t 273+175c.m换热器内空气侧阻力系数为：災=g+g+g+g+g12345—1.38+4,2.5+4,1.0+3,2.0+3.0—23.5空气侧形阻压损按公式(4-45A)计算为：AP=(工)严p(1+<t)d 1 2 o.c c.m—(23.5+1.38),(10.14)2,1.293,(1+兰)2 273—2714(Pa)则换热器空气侧压降为：€P=€P,€P二581.78,2714二3295.78(Pa)cfd(2)烟气测压降沿烟气流动方向管气的总排数：Z=nM=4x6=24(排)烟气平均