煙道式換熱器課程設(shè)計說明書

1、煙道式光管鋼管換熱器設(shè)計任務(wù)書設(shè)計一臺利用煙氣余熱預(yù)熱助燃空氣的煙道式光管鋼管換熱器一、設(shè)計條件1 入換熱器的平均煙氣標(biāo)況流量：Vh=2.05m3/s;2 入換熱器煙氣溫度：th,=680C；3 入換熱器空氣標(biāo)況流量：Vc=1.4m3/s;4 入換熱器空氣溫度：th,=20 C； 出換熱器空氣溫度：垃。=3300； 地下水平煙道的斷面尺寸：W H =1400mm 1700mm7煙氣成分（V/V, % ）成分(V/V)%CO2SO2HQO2N2116.00.4711.11.1371.30二、設(shè)計要求1、換熱器結(jié)構(gòu)初步確定1 流道安排、流動方式及行程確定2 換熱器規(guī)格3 換熱管排列2、換熱器熱計算

2、（包括設(shè)計計算與流體出口溫度校驗計算）1 設(shè)計計算2 校驗計算3 材質(zhì)選型3、流體流動壓降計算1 空氣側(cè)壓降2 煙氣側(cè)壓降4、換熱器技術(shù)性能5、總結(jié)附錄 換熱器總圖（ 1# ）三、參考文獻1 T.Kuppan換熱器設(shè)計手冊.中國石化出版社.2 機械工程設(shè)計手冊（動力設(shè)備卷） 【第二版】 .機械工業(yè)出版社3 有色冶金爐設(shè)計手冊.冶金工業(yè)出版社.4 任曉光.化工原理課程設(shè)計指導(dǎo) .化學(xué)工業(yè)出版社 .5 賈紹義.化工原理課程設(shè)計 .天津大學(xué)出版社 .6 楊世銘，陶文銓 .傳熱學(xué)【第四版】 .高等教育出版社 .7 王補宣.工程傳熱傳質(zhì)學(xué)【上，下】 .科學(xué)出版社.1.換熱器結(jié)構(gòu)初步確定流道安排，流動方式

3、及行程確定煙道式換熱器一般不設(shè)金屬外殼，空氣在管內(nèi)流動而煙氣在管外流動；由于換熱器設(shè)置在水平煙道內(nèi)，煙氣與空氣設(shè)計成正交逆流流動；受煙道高1700mm的限制，空氣與每個行程的換熱管有效長度初步設(shè)計為1600mm,換熱器設(shè)計成12n行程，即煙氣為1行程，空氣為2n行程。換熱管規(guī)格選用 60mm 3mm熱軋無縫鋼管，規(guī)格滿足 GB8162-87，GB8163-87要求。（3）換熱管排列考慮清灰方便，管群按正方形排列，并取管中心距S1 = S2 = 2d = 2 0.060=0.12（ m）。取空氣在管內(nèi)的標(biāo)況流速wc = 10m/s,管內(nèi)徑di = 0.054m，其流通面積f 0= 0.0023m

4、2。一個行程空氣側(cè)需要流通面積為：f =出=14 =0.14（ m2）wc 10一個行程需要換熱管根數(shù)巡 60 （根）。f。0.0023煙道斷面寬度B= 1.400m,貝U其在寬度上排列的換熱管列數(shù)為：B -3d 1.400 -3 0.06m10 （列）3 0.12順煙氣流向排列M排，則M = - 6 -6 （排）m 102,換熱器的熱計算 在換熱器計算中，假定換熱器無熱損失，兩流體在換熱器中無流量損失，無相變,比熱容不變，僅有顯熱變化(1)有效換熱量Q所謂有效換熱量是指空氣從20。C被加熱到330。C從煙氣所吸收的熱量。由 于相應(yīng)溫度下空氣的比熱容分別為：cCj =1302J/(m3/C)和

5、 cc.。=1346J/(m3?C),則有效換熱量為：Q =V(tcotc.。-tcjCc.i)= 1.4 (330 1346-20 1302)= 585396W)(2)煙氣出口溫度確定根據(jù)熱平衡方程，在換熱器內(nèi)空氣的吸熱等于煙氣的放熱。首先假定煙氣出口溫度th.。=500°C，其質(zhì)量熱容 久。=1476J /(m3 c)，對應(yīng)煙氣入口溫度為如=700C比熱容気=1511J /(m3 c)，按熱平衡求出:Vh iOc.it h. i - Qc.o2.05 1511 680-585396-2.05X.476= 520(°C)由于與原定假定出口溫度th.o=500°C

6、相差小于4%，故可確定煙氣出口溫度為 th.o =520oc(3流體對數(shù)平均溫差心L.m逆流時流體在換熱器入口和出口的溫差分別為:ti =th.i _tc.o =680 _330= 350(oC)筑 f.o_tc.i =520_20=500(oC)則流體對數(shù)平均溫差為:= t|.M."：to350 - 500,350In500=420.55( °C)查圖4-7.正交逆流時的溫差補正系數(shù) 雪= 0.94，則對數(shù)平均溫差為:At|.M =名占 Ati.M =0.94漢420.55 = 395.317(*C)(4) 管內(nèi)空氣側(cè)傳熱系數(shù):-c空氣在管內(nèi)的標(biāo)況流速：V1 4wcc10

7、.14(m/s)Nf060 0.0023管內(nèi)平均溫度:c.mJ(tc.itc.o)21(20 330) =175( °C)2空氣在管內(nèi)流動的雷諾數(shù):二詛(1tm)1Re。vc.o10.14 0.054=X1.396 10*= 2.88 104(1 迺)1.66273由于雷諾數(shù)大于1 104?？芍諝庠诠軆?nèi)屬湍流狀態(tài)，其傳熱系數(shù)可按公式(4-18A)計算當(dāng)L/d=1.6/0.053=30時，查第三章有關(guān)表得kL =1.05。設(shè)管壁平均溫度tw.m二 400°C。則心 273 5)°.5273 tw.m,273 '175.0.5 -( )273 400= 0.

8、816對于直管，系數(shù)kR及k,為1,代入數(shù)值后得:0.8比瑟3 冷tJkkikRkD山63 磐(1 甥嚴1.05 °.816= 40.02 W/(m2°C)(5) 管外煙氣側(cè)傳熱系數(shù)am,管群在最小1)煙氣對流傳熱系數(shù)管群為正方形排列的管群在垂直煙氣流向斷面換熱管長度L=截面積為：fn =(年一 d) L = ( 0. 1 20. 06) =1. 6 2m. 096()管群最窄截面處煙氣流速為：Vh2.05wh-2.37m / s(m -1)fn(10-1) 0.096煙氣平均溫度：1£ m = (680 +520) =600(° C)2隊正方排列的管群

9、的當(dāng)量直徑為：de(012 一006)1d0.116(m)3 -d L 0.12-0.06 1.6煙氣流動的Re數(shù)為: wh.o dcVh.o(1 rm)12.37 0.116_51.22 10仆.型)1“273= 9645由于煙氣雷諾數(shù)10 “尺"10，煙氣對管群的對流傳熱系數(shù)可按公式（4-21B ） 計算當(dāng) S2/d=0.12/0.06=2時，查第三章有關(guān)圖表得ch =1.03® = 0.92,k p =1.009,k= 0.99 煙氣垂直流過管群 k4=1.0代入數(shù)據(jù)后得煙氣對流傳熱系數(shù)：0.6:h,5.71籌（1 仏）0.585 k'pk U。de0.6=

10、5.71 （1 竺）。58 1.03 0.92 1.009 0.99 0.116273= 42.14 W/（m2C）2）煙氣輻射傳熱系數(shù)對于3 = $ = 2d排列的管群，煙氣輻射的有效射線長度L=3.5d= 0.21m按煙氣成分，Vc°2 =16%Vh20 =11.1%，在煙氣平均溫度°C時，查第三章有關(guān)圖表得th,m = 600 C；co2 = O.°52,煙氣在自身溫度（600 C ）;h2o =0.05,；so2 = °47二1.。8和壁溫（400°C）下的輻射率分別為：%只+0Eh2o =0.052 + 1.08漢 0.05 + 0.

11、0032 = 0.12h .w-0.149因此，系統(tǒng)的輻射率為:5.671；h. g:h.f-1= 0.26-h.g (Th.m)4(Tw.m)47hW(T00) (T00)t _th.mw.m=8.42 W/(m2C)煙氣的傳熱系數(shù)為：ah =oth.c+oth.f =42.14+8.42=50.56 W/(m2C)(6)總傳熱系數(shù)K不考慮壁管及污垢熱阻時，換熱器總傳熱系數(shù)為:Lh(c *h)40.02 50.5640.02 50.56= 22.46W/(m2c)(7) 傳熱表面積F考慮換熱器運行后的結(jié)垢和留有適當(dāng)QKU58539622.46 395.3=65.93m2的富裕系數(shù)，最后確定換

12、熱器的傳熱表面積為:F =1.1F =1.1 65.93 = 72.53(m2)(8) 空氣側(cè)行程數(shù)的確定60 35的換熱管以外徑計的每米長的表面積為 f=0.188 m2/m，在一個行程內(nèi)排。L=1.6m的換熱管的根數(shù)N=60,則一個行程具有的換熱面為:,則換熱面的行程數(shù)為：F =0.188 漢 1.6 漢 60 = 18.048(m2)F 60Fi _ 18.048行程= 4.02，取n=4行程。因此，換熱器的傳熱面積為:2F = nFj =4 18.05 = 72.20(m )(9) 換熱器壁溫計算換熱器平均壁溫按下式計算:w.mhth.mctc.m：c5O56 600 4°0

13、2 175 =416.64(°C)50.56 40.02與前面計算過程所假定的tw.m= 400相差小于1%，故可確定壁溫tw.m - 416.64 C對于逆流式換熱器因最高壁溫處于高溫流體的入口端，因此需要計算最高壁溫，計算方法同上，只是采用入口端的各有關(guān)參數(shù)，激素三出入口端的兩流體的傳熱系數(shù)，按上面計算壁溫的公式求出最高壁溫。經(jīng)計算，高溫流體入口端煙氣2側(cè)和空氣側(cè)的傳熱系數(shù)分別為：h.o=71 (W / (m .C)%。= 53.2(W/(m2.C)則管壁最高溫度為:tw.max：'hth.ic.o= 530(°C)(10) 流體出口溫度驗算換熱器傳熱計算時流體

14、平均溫差分別是以煙氣入口680C和出口 520C、空氣入口 20C和出口 330E，而煙氣和空氣的流量分別是 2.05 m2/s和1.4 m2/s等基 本參數(shù)求出換熱表面積為65.93 m；考慮換熱器運行后的結(jié)垢影響并留有適當(dāng)富 裕,只是換熱表面積由65.93 m增加到72.53 m20若保持煙氣入口條件及空氣流 量不變，則換熱器運行初期將會因換熱表面積增加而導(dǎo)致空氣出口溫度高于設(shè)計 值。具體數(shù)值經(jīng)過運算確定如下：1)空氣出口溫度驗算：空氣水當(dāng)量：% =Vccc.m =1.4 匯 1346=1884.4(W/oC)煙氣水當(dāng)量： wh =Vhch.m =2.05 勺472 = 3017.( W/

15、oC)水當(dāng)量之比:對空氣為：RWC.0.624 wh3017.6對煙氣為:RhWh沁=1.601Wc1884.4熱傳遞單元數(shù):對空氣為：KA 22.46 72.20(NTU ) c0.86wc1884.4對煙氣為：KA 22.46 72.20(NTU ) h0.537wh3017.6對正交逆流3行程換熱器，換熱器溫度效率按公式（4-34B ）計算為:2 0 5 1 +exp(NTU)c(1 + RC)0.5Ti 乓=2仆+(1 + bipl(NTu)腐-4c(1 Rf)0'5=2 1 0.624 (1 0.6242)0-5 1 exp0.98(1 “2：)1exp0.98(1+0.62

16、42) j= 0.476則空氣出口溫度為:tc.Ec(th.i -tc.i) tc.i - 0.476 (680 - 20) 20 =334.169)驗算結(jié)果空氣出口溫度與設(shè)計要求 350C基本相符。2)煙氣出口溫度驗算煙氣出口溫度為：th.o =th.j _Rc(tco _tcJ =680_0.624冥(334.16_20) = 483.96(oC)與熱計算預(yù)先假定的520 r相近。3.流體流動壓降計算壓降計算示意圖見圖4-14。(1)空氣流動壓降1)摩擦壓損空氣平均溫度為:11tc.-(tc.i - tco)(330 20) =175(oC)22管內(nèi)空氣流動雷諾數(shù)(見傳熱計算)，屬湍流流動

17、，其摩擦阻力系4Rec =2.88 10數(shù)為:ARec0.121.29 0.12(2.88 104嚴= 0.045空氣在管內(nèi)的流速wc=9.47m/s，其摩擦壓損按公式(4-43A)計算:f c 今(1 btcm)"045 誌(10.14)2 1.293 (1 甥"581.78®)2)形阻壓損兀 23 1422空氣入口漸擴段fid(0.54) = 0.228 m , f2 =1.25 0.84 二4421.05m , fj f2 = 0.228/1.05 =0.22，查附錄六得其阻力系數(shù)的0.8倍，而突擴阻力系數(shù)為：突擴=(1-ff2)2 = (1-0.2)2 =

18、 0.64,則入口漸擴的阻力系數(shù) 為：I =0.8突擴二0.8 0.64 0.5?？諝獬隹跐u縮段，由于 f2 = 1.05m2，Ho 3 14oof3d2(0.62)2 =0.302(m2)， f, / f2 = 1.05/0.302 = 3.51，出口收縮角44:=30，查附錄六得漸縮局部阻力系數(shù)為：=0.47屈2(,2)2= 0.47、,tg15(3.51)2二 3.0換熱管入口的局部阻力系數(shù)2.5，換熱管出口 3=1.0，空氣在空氣室內(nèi)轉(zhuǎn)180的局部阻力系數(shù)2.0，換熱器空氣入口于出口的溫度補正系數(shù)按下式計算：巴2(tc°-tc.i)2 氣330-20) 1 381273 tc.m273 175換熱器內(nèi)空氣側(cè)阻力系數(shù)為：12345= 1.38 4 2.5 4 1.0 3 2.0 3.0= 23.5空氣側(cè)形阻壓損按公式(4-45A )計算為:灼2Pd1)于 c(1 5)22(10.14)175、二(23.5 1.38)1.293 (1)2273二 2714( Pa)則換熱器空氣側(cè)壓降為:R = R R 二 581.78 2714 = 3295.78(Pa)（2）煙氣測壓降沿?zé)煔饬鲃臃较蚬軞獾目偱艛?shù):Z=nM =46= 24 （排）煙氣平均溫度th,