管组式换热器设计计划书

1 管组式换热器设计计划书 1 绪论 换热器作为一种热交换设备广泛用于动力、交通、石油化工、冶金等工业领域。根据不同的用途，其种类及结构繁多。辐射换热器指热流体以辐射方式传热为主的换热器。同对流式换热器相比具有释热率（热负荷）高、冷流体加热温度高、表面温度与受热介质加热温度之间的差值较小、以及热流体流道不易被堵塞等优点。适用于热流体温度高于 1000、冷介质加热温度高于 600以及热流体含尘较高的场合，一般有色熔炼炉烟气余热利用多为采用。其缺点是外形尺寸较大，换热器出口温度仍然较高，一般需在后面再安装对流式换热 器，以进一步回收烟气的余热。 辐射换热器常常采用两种结构形式，即：环缝式（又称夹套式）和管组式（又称鸟笼式）。管组式辐射换热器又可分为圆柱式、屏蔽式和螺旋式三种。通常它采用许多小直径的管子代替环缝通道，这样可以提高换热器的严密性和高温结构强度。 2 2 结构初步计算 组圆筒直径 取空气在管内标况流速 c=16m/s， 换热管的流通截面积 组圆筒采用的管子根数为： 0 . 8 0 5 2 ( )0 . 0 0 0 9 6 1 6cn f 根 （ 2 曲管中心距离 4管组圆筒的直径为： 0 . 0 8 4 5 2 1 . 3 9 ( m )3 . 1 4 （ 2 2. 2烟气通道直径 取烟气通道通道内壁距管中心距离： 2 3 3 0 . 0 4 2 0 . 1 2 6 ( m ) （ 2 则烟气通道内径为： 22 1 . 3 9 2 0 . 1 2 6 1 . 6 5 ( m )b t S （ 2 烟气通道断面积为： 2 2 2 2 23 . 1 4( ) ( 1 . 3 9 0 . 0 4 2 5 2 ) 2 . 0 5 ( m )44 d n （ 2 烟气标况流速为： 0 . 9 5 0 . 4 6 ( m / s )2 . 0 5hh （ 2 3 3 热力计算 负荷计算 查参考文献 1的附表 3得一个温度梯度下湿空气的平均比热容（见表 3因平均比热容随温度的升高变化不太剧烈，把每个区间的比热容近似看做线性关系。 表 3空气的平均比热容 (单位： KJ 温 度 0 100 200 300 400 500 平均比热容 t=20时， KJ 当 t=440时， KJ 则将空气由 20加热到 440的有效热负荷为： . , , ,()c c o c o c i c c t c t（ 3 = 0 . 8 0 ( 1 3 6 0 4 4 0 - 1 3 2 4 2 0 )= 4 5 7 5 3 6 ( W ) 气出口温度的计算 查参考文献 1的附表 3烟气成分比热容表。 表 3烟气成分比热容 （单位： KJ 温 度 2O 2 200 00 00 00 327 600 00 4 800 00 000 100 200 不考虑热损失，根据热平衡空气的吸热等于烟气的放热。20，在每个区间内把比热容近似看做线性变化。 表 320烟气成分比热容 （单位： KJ 温度 2O 2 920 ： 12% + + + + 1521J/气入口温度 th,i=1200，其比热容计算得 1567J/据热平衡式计算烟气出口温度为： ,（ 3 0 . 9 5 1 5 6 7 1 2 0 0 - 4 5 7 5 3 60 . 9 5 1 5 2 19 1 9 . 6 5 ( ) 与假定 920基本相等，故确定出口温度920。 数平均温差确定 烟气与空气为顺流流动，烟气进、出口 处两流体的温差为： 进口处 1 2 0 0 2 0 1 1 8 0 ( ) 出口处 9 2 0 4 4 0 4 8 0 ( ) 由于，故取对数平均温差 5 1 1 8 0 4 8 0= 7 7 8 ( )1180l n l （ 3 气侧传热系数的计算 空气平均温度为： 440+20)/2=230 空气流动雷诺数为（ 为粘性系数）： , 1,R e (1 )c o i nc c （ 3 1 1 . 6 651 6 0 . 0 3 5 ( 1 2 3 0 / 2 7 3 )1 . 3 9 6 1 0 42 6 8 0 0 2 1 0 可知空气在管内属湍流流动。按 L/d50，则补正系数 设管壁温度 50( )，温度补正系数 kt=(w)(230+273)/(750+273) （ 3 由参考文献 1式 4，空气侧的传热系数： )1( , （ 3 0 . 2 30 . 80 . 21 6 2 3 03 . 6 3 1 1 . 0 0 . 7 00 . 0 3 5 2 7 3 25 0 . 8 W / m 气侧传热系数计算 由于烟气侧对流传热系数所占份额很小可或略不计，仅计其辐射传热部分，并对进口，出口端分别计算然后取平均值。 烟气有效射线长度为： 0 . 9 0 . 9 1 . 6 5 1 . 4 8 1 ( m ) （ 3 6 由表 0得 烟气成分： 当烟气温度 1200 时， 查 参考文献 1的图 333 ，2 0 9， ， 因此可求得烟气的黑度为： 22. 0 . 1 0 2 1 . 0 8 0 . 1 0 9 0 . 2 2 0h i C O H o （ 3 设管组圆筒壁的黑度 b=系数 按公式为： 000 . 0 4 2 5 2 0 . 5 7 11 . 6 5 0 . 0 4 2 5 2d n （ 3 按公式可求得系统的黑度为： . 6 8 1h i wi h i w h （ 3 245 . 6 8 0 . 2 2 0 0 . 80 . 2 2 0 0 . 5 7 1 0 . 8 1 0 . 2 2 01 . 7 3 W / m 入口处烟气温度 200 ， 空气温度为 0 。 取极大壁温 1200、极小 壁温 200，等分为 10 个区间，分别计算出其实际壁温，选取含预设值等于计算值的区间进行迭代，计算得到较接近的 壁温 014 ，则温度补正系数为 ： 0 . 5 2 0 2 7 3 0 . 4 81 0 1 4 2 7 3（ 3 同式（ 3得 烟气入口处空气侧得对流传热系数为： 0 . 8 0 . 2 3 . 23 . 6 3 1c i c i L tt k （ 3 0 . 2 30 . 80 . 221 6 2 03 . 6 3 1 1 . 0 0 . 4 80 . 0 3 5 2 7 33 1 . 6 W / m 按 参考文献 1式 44 4. . 100s i h io c （ 3 7 41 . 7 3 1 2 0 0 2 7 32 0 2 7 33 1 . 6 1 0 02 8 7 3 ( K ) 33. 7 3 2 8 7 3 1 3 . 01 0 0 1 0 0 1 0 0 3 1 . 6 1 0 0s i （ 3 查参考文献 1表 4a=f(a)的范围。因此用表 4a)散点图（如下），并按对数关系得到 回归方程： y=x)+ （ 3 图 3-1 a)散点统计图 把 x=a=3算 得 0 f a y 。 则管壁温度为： 0 . 4 5 2 8 7 3 1 2 8 6 . 7 6 ( K )f a T （ 3 或 ，与原假定的 1014 基本接近，故可按 014 进行下一步计算。 当烟气温度为壁温 014 时，查 参考文献 1的图 333 ：220 . 1 1 7 0 . 1 1 7 1 . 0 8C O H O ， ，。 8 则 由式（ 3 烟气的黑度为： 22 . 0 . 1 1 7 1 . 0 8 0 . 1 1 7 0 . 2 4 3w i C O H O （ 3 按下式计算得出烟气入口处的辐射传热系数为： 44. . . . . 0 1 0 0h i h i w r i n ih i w （ 3 440 . 2 2 0 1 2 0 0 2 7 3 1 0 1 4 2 7 30 . 2 4 3 1 0 0 1 0 01 . 7 31 2 0 0 1 0 1 4 21 4 0 W / m 当烟气温度 900 时， 查 参考文献 1的图 333 ，2 ， 。 则由式（ 3 烟气的黑度为： 22 . 0 . 1 2 5 1 . 0 8 0 . 1 3 7 0 . 2 7 3h o C O H o （ 3 设管组圆筒壁的黑度 b= 按 式（ 3可 算得 系统的黑度为： . . 6 8 1h o h o w h （ 3 5 . 6 8 0 . 2 7 3 0 . 80 . 2 7 3 0 . 5 7 1 0 . 8 1 0 . 2 7 3 242 . 0 5 W / m 出 口处烟气温度 00 ， 空气温度为 40 。 设壁温 20 ，则 由式（ 3 温度补正系数为 ： 0 . 5 4 4 0 2 7 3 0 . 8 57 2 0 2 7 3（ 3 同式（ 3得 烟气入口处空气侧得对流传热系数为： （ 3 9 0 . 2 30 . 80 . 21 6 4 4 03 . 6 3 1 1 . 0 0 . 8 50 . 0 3 5 2 7 3 2 . 9 2 W / m C 同式（ 3得： 4. . 100s o h oo c （ 3 42 . 0 5 9 0 0 2 7 34 4 0 2 7 36 8 . 9 2 1 0 01 2 7 6 ( K ) 同式（ 3： 33,2 . 0 5 1 2 7 6 0 . 6 01 0 0 1 0 0 6 8 . 9 2 1 0 0 1 0 0so a （ 3 查 参考文献 1的 表 4 。 同式（ 3管壁温度为： 0 . 7 8 1 2 7 6 9 9 5 ( K )f a T （ 3 或 9522 ， 与原假定的 720 基本接近，故可按 20 进行下一步计算。 当烟气温度为壁温 720 时，查 参考文献 1的图 3332 ，2 ， 。 同式（ 3 则烟气的黑度为： 22 . 0 . 1 2 6 1 . 0 8 0 . 1 6 0 . 2 9 9w o C O H O （ 3 按下式计算得出烟气入口处的辐射传热系数为： 44. . . . . 0 1 0 0h o h i w r o s oh i w （ 3 440 . 2 7 3 1 2 0 0 2 7 3 7 2 0 2 7 30 . 2 9 9 1 0 0 1 0 02 . 0 51 2 0 0 7 2 0 21 4 2 . 2 W / m 10 这里仅考虑辐射传热系数： 2. . . . 0 . 4 1 4 2 . 2 1 4 1 . 3 W / 0 . 4l n l 2 . 2h r i h r r ih r o （ 3 传热系数 K , 2,5 0 . 1 1 4 1 . 3 3 7 . 3 W / . 1 1 4 1 . 3h m c mh m c （ 3 热表面积 F 2457536F 1 5 . 7 5 ( m )7 7 8 3 7 . 3 4 （ 3 组圆筒高度 查表可知 42 换热管每米长加热表面积（按外径计） 20 . 1 3 2 ( / )of m m，则管组圆筒高度为： 01 5 . 7 5 2 . 2 9 ( m )5 2 0 . 1 3 2FH （ 3 算管的入口系数 热管长度 L=H=内径 0 . 0 3 5 , / 2 . 2 9 / 0 . 0 3 5 6 5 . 4 4 5 0 d ，此时，计算空气侧对流换热系数时的管段入口系数 =前面空气对流传热系数 需 再 算。 11 4 校验计算 气出口温度 当空气温度. 230 时，同 3. 1 3 9 4 J / ( m ) ， 其水当量为： . 0 . 9 5 1 3 9 4 1 1 1 5 ( W / )c c c c （ 4 当烟气平均温度为, ( 9 0 0 1 2 0 0 ) / 2 1 0 5 0 时，同 1 5 4 3 J / ( m ) ， 其水当量同式（ 4： . 0 . 9 5 1 5 4 3 1 4 6 6 ( W / )h c h c （ 4 水当量之比为： / 1 1 1 5 / 1 4 6 6 0 . 7 6c c hR w w （ 4 换热器空气侧的热传递单元数为： ( ) / 3 7 . 3 1 5 . 7 5 / 1 1 1 5 0 . 5 3 U K F W （ 4 换热器空气侧传热有效度 流式）为： 1 e x p ( ) ( 1 ) 1 U （ 4 1 e x p 0 . 5 3 ( 1 0 . 7 6 ) 1 0 . 7 60 . 3 4 3 则，空气出口温度为： , , , ,()c o c i c h i c it t E t t （ 4 2 0 0 . 3 4 3 (1 2 0 0 2 0 )4 2 5 ( ) 烟气出口温度： , , , ,()h o h i c c h i c it t E R t t （ 4 12 1 2 0 0 0 . 3 4 3 0 . 7 6 (1 2 0 0 2 0 )8 9 2 ( ) 比传热计算中假定的 900低 8，误差 20000,属湍流流动，按公式 计算可知， 其摩擦压损为： 20,( 1 )2 cf c （ 5 22 . 4 5 1 6 2 3 00 . 0 4 1 . 2 9 3 (1 )0 . 0 3 5 2 2 7 38 5