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文档简介

1、 目录一 设计任务书 3二 确定设计方案及相关计算 4三 换热器的热计算 6 四 换热器温度校验 12 五 流体流动压降计算 14 六 换热器技术性能 17 七 总结 18九 参考文献 19 一 设计任务书(1) 设计任务设计某一有色熔炼炉烟气余热加热助燃空气的烟道式光管钢管换热器。(二)设计条件(1)地下水平烟道的断面尺寸:(2)烟气成分(V/V, %) 二氧化碳:13.0 二氧化硫:2.75 水:11.0 氧气:2.13 氮气:71.121) 入换热器的平均烟气标况流量:Vh=2.01m3/s;2) 入换热器烟气温度:th,i=722;3) 入换热器空气标况流量:Vc=1.54 m3/s;

2、4) 入换热器空气温度:th,i=20;5) 出换热器空气温度:th,o=351;(三)设计工作要求: (1)确定换热器结构:(2)换热器热计算(包括设计计算与流体出口温度校验计算)(3)流体流动压降计算(4)换热器技术性能(5)总结(6)附录 换热器总图(1#)二 确定设计方案及相关计算(一)换热器选型(1) 因为被预热的介质是空气,所以可以选择气密性好的列管式换热器。(2) 烟气温度是820应选用抗氧化耐热金属。(3) 烟气成分里含有大量SO2,换热器材质选用考虑烟气的高温和底纹腐蚀,故采用抗氧化的 耐热金属。经以上分析采用抗氧化金属制造的列管式换热器。(二)换热器结构初步确定(1) 流道

3、安排,流动方式烟道式列管换热器由于无金属外壳,一般预热的空气在管内流动,烟气在管外流动。考虑到烟气压降不可能太大,烟气一般设计水平烟道以一行程贯通换热器(列管),换热器宜垂直烟气流动方向组成正交时流动。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,受到高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12n行程,即烟气为1行程,空气为2n行程。(2) 换热管的规格选用热轧无缝钢管,规格满足要求。 (3) 换热管排列考虑清灰方便,管群按正方形排列,并取管中心距取空气在管内的流速管内径,其流通截面积一个行程空气侧需要的流通面积一个行程需要的换热管根数

4、N=f/f0=烟道断面宽度B=1.392m。则在其宽度上排列的换热管列数为:m= =10(列)顺烟气流向排列M排,则 (排) 图1-1 一个行程管群排列图三 换热器的热计算在换热器热计算中,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被加热到351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和则有效换热量为: )()1302201354351(54.1)(.WctctVcQicicococ=-=-=(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比热容,

5、按热平衡求出:)(607148415.27221528.01.2.,.CcVQtcVotcohohihicih=-=-=由于与原先假定的出口温度相差小于4%故,可确定烟气出口温度是(3) 流体对数平均温差逆流式流体在换热器入口和出口的温差分别为:)(58720607.)(469361820.CitcothtCtttiocihi=-=-=D=-=-=D则流体平均对数温差为:)(515587469ln587469lnCtttttoioiLM=-=DDD-D=D查有色冶金炉设计手册第四章有关表格得正交逆流时的温差补正系数,则对数平均温差为:)(50551598.0CttLMtLM=D=DDe(4)

6、管内空气侧的传热系数空气在管内的标况流速: )/(06.100022.07054.1smNfVocc=w空气平均温度: )(186)35120(21)(21.Ctttocicmc=+=+=空气在管内流动的雷诺数:由于雷诺数大于,可知空气在管内属湍流状态,其传热系数可按公式计算,当时,查有色冶金炉设计手册第三章有关表格有.设管壁平均温度则:对于直管,系数,带入数值后得:(5) 管外烟气侧传热系数1)烟气对流传热系数管群为正方形排列的管群在春至烟气流向断面换热管长度L=1.6m,管群在最窄截面积为: 管群最窄界面处烟气流速为: )/(326.2096.0)110(01.2)1(smfmVnhh=-

7、=-=w,烟气的平均温度:对于正方形排列的管群的当量直径为: 烟气流动的雷诺数为:由于烟气雷诺数,烟气对管群的对流传热系数可以按如下的公式计算:当时,查有色冶金炉设计手册第三章有关图表得,,烟气垂直流过带入数值后得烟气对流传热系数 2)烟气辐射传热系数对于排列的管群,烟气辐射的有效射线长度按烟气成分,在烟气的平均温度下查有色冶金炉设计手册第三章有关表格得烟气在自身温度下和壁温下的辐射率为:因此,系统的辐射率为:烟气侧的传热系数为:(6)总传热系数K不考虑壁管及污垢热阻时,换热器的总传热系数为:(7)传热表面积 考虑换热器运行后的结垢和留有适当的富裕系数,最后确定换热器的传热表面系数为: (7)

8、 空气侧行程数的确定的换热管以外径每米长的表面积为,在一个行程内排的换热管根数根,则一个行程具有的换热面为:,则换热管的行程数为,取行程。因此,换热器的传热面积为:(8)换热器壁温计算换热器平均壁温按下式计算: 与前面的计算过程所假设的相差小于10%,故可认为壁温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,需计算最高壁温,计算方法同上面的计算,只是采用入口端的各有关参数,计算出口入口端的两流体的传热系数,按上面的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:则管壁最高温度为: 四 换热器温度校验换热器传热计算时流体平均温差分别是以烟气入口和出口,空

9、气入口和出口,而烟气和空气的流量分别是和等基本参数求出换热表面积,考虑换热器运结垢行后的影响并留有适当富裕,致使换热表面积增加到。若使烟气入口条件及空气流量不变,则换热器运行初期会因换热表面积增加而导致空气出口温度高于设计值。具体数据经验算确定如下:(1)空气出口温度校验空气水当量:烟气水当量:水当量之比:对空气为:对烟气为: 热传递单元数:对空气为:对烟气为: 对正交逆流4行程换热器,换热器温度效率按公式计算为: 则空气出口温度为: 验算结果空气出口温度与设计要求基本相符。(2)烟气出口温度验算: 烟气出口温度为: 与热计算预先设定的500相近。五 流体流动压降计算:(1) 空气流动压降1)

10、 摩擦压损 空气平均温度为: 管内空气流动雷诺数,属湍流流动,其摩擦阻力系数为: 空气在管内的流速,其摩擦压损按公式计算: 2) 形阻压损空气入口渐近段: ,查有色冶金炉设计手册附录六得其阻力系数为突然扩大局部阻力系数的0.8倍,而突扩阻力系数为:,则入口渐阔的阻力系数为:。空气的出口渐缩段由于 ,出口收缩角查有色冶金炉设计手册附录六得渐缩局部阻力系数为:换热管入口的局部阻力系数,换热管出口,空气在空气室内转180的局部阻力系数,换热器空气入口与出口的温度补偿系数按下式计算:换热器内空气侧阻力系数为:空气侧形阻压按公式计算为:则换热器空气侧压降为:(3)烟气侧压降沿烟气流动方向管群的总排数:(

11、排)烟气平均温度,烟气流动的雷诺数,换热管的对角线中心距为:由于则烟气流过管群的阻力系数按以下公式计算:温度补正系数按公式为:则烟气流过管群的压降为:六 换热容器技术性能钢管换热器技术性能序号名 称 数值1传热表面积/842烟气标况流量/2.153烟气入口温度/C8204烟气出口温度/C6075空气标况流量/1.556空气入口温度/C207空气出口温度/C3808空气标况流速/10.069空气侧传热系数/38.8610烟气侧传热系数/5911总传热系数/2312最高管壁温度/C62013换热管规格/mm14高温段换热管质1Cr18Ni915换热管长度/m1.6016换热管根数/根28817空气

12、压降/Pa338318烟气压降/Pa129七 总结这次换热器的课程设计从设计上来看,我设计的换热器基本符合工业上用的换热器,换热器多适用于烟道内,结构大致由换热管和换热箱组成。包括由多根换热管两端分别插入上管板和下管板组成的管束,换热管中为空气流道,管束的多个换热管间为烟气流道,管束通过连接集合箱使空气依次从多组管束的换热管中流过。我设计的烟气温度是,比实际气体要低,所以各种参数的选择与实际情况有些许差别。在换热器的设计的过程中,我们自己由于有知识上的局限,造成了设计上的不准确。在利用烟气成分计算其比容时,只是算书一个大概的比容,没有达到精确的程度;在利用烟气成分查图求得其辐射度的问题上,由于

13、方法的不同和图表的不清楚及自己在判断上的误差,造成了辐射度问题的误差;在一些计算过程中,我们都采用了四舍五入的方法求得值,这样也会使我的计算存在很大的问题。从设计结果可看出,若要保持总传热系数,温度越大、换热管数越多,这主要是因为空气的出口温度增高,总的传热温差下降,所以换热面积要增大,才能保证Q和K.因此,换热器尺寸增大,金属材料消耗量相应增大.通过这个设计,我们可以知道,为提高传热效率,降低经济投入,设计参数的选择十分重要.最后,这次的换热器课程设计自己换了很多的时间来研究它,因为以前自己只有一个感性的认识,现在要我们设计一个东西,很难。于是,从图书馆借书,借一些相关计算的例题来弄清楚它的具体的计算方法,找老师问一些基础的问题之后自己在慢慢的学会假设,计算,校验。最终在自己的努力和老师的帮助下,做完了课程设计。这次的换热器设计上,自己学到了很多的东西:掌握了查阅资料,选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力;培养了迅速准确的进行工程计算的能力;学会了用简洁的文字,清晰的图表来表达自己设计思想的能力,从而是自

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