环缝式换热器课程设计说明书

1、 换热器课程设计 课程设计说明书课 题 环缝式（夹套式）换热器设计 学 院 学生姓名 指导老师 专业班级 学 号 目录1. 设计条件.32. 确定内外筒直径.4（1） 内筒直径.4（2） 环缝宽度.4（3） 外筒内径.43.热计算.5 （1）有效传热热流量（指空气所需的显热增量）.5（2）烟气出口温度计算.5（3）平均温度差计算.6（4）空气侧传热系数.6（5）烟气侧传热系数.7（6）换热器总传热系数K.11（7）传热表面积F.11（8）内筒高度.11（9）核算管段入口系数KL.114.换热器验算.12（1）空气出口温度.12（2）烟气出口温度.12（3）壁温计算.125.流体压降计算.13（

2、1）空气侧压损.13（2）烟气侧压损.146.总结.167.参考文献.16附录 换热器总图（1#）环缝式（夹套式)换热器设计说明书1设计条件（1）进入换热器的烟气标况流量：=1.80（m3/s）； （2）换热器烟气进口温度： =1150（）；（3）进入换热器的空气标况流量： =1.55（m3/s）（4）换热器冷空气进口温度： =20（）；（5）换热器热空气出口温度： =430（）； （6）入换热器烟气成分（体积%）：成分CO2SO2H2OO2N216.00.4711.11.1371.30 （7）环缝内安置螺旋形导向片，螺旋节 h=1.0（m）；- 3 - 换热器课程设计 2确定内外筒直径 环缝

3、式换热器由两个同心的内外圆筒组成，烟气在直径较大的内筒流动，可以增加高温烟气的辐射传热，而压力较高的空气在较小的环缝内流动可加强对流换热。但其加热面受容器壁面限制，传热系数不高.为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安装搅拌器.若夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时，也可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施，以提高夹套一侧的传热系数.为补充传热面的不足，亦可在釜内部安装蛇管. 夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却。 经分析，采用螺旋顺流结构。（1）内筒直径取烟气的标况流速h=0.8 m/s通道断面为：= =2.250 (m2) （2-1）内筒直径为=1.13=1.13=1.695

4、（m） （2-2） 取内筒壁厚=6mm，则内筒外径 =+2=1.707 （m） （2-3）（2）环缝宽度取空气在环缝螺旋通道内的标况=20.0 (m/s),则环缝断面积为： （m2） （2-4）环缝宽度为： （m） （2-5）(3)外筒内径 =1.707+2×0.076=1.859 （m） （2-6） 取外筒壁厚6mm，则外筒外径=1.871（m）3.热计算 （1）有效传热热流量（指空气所需的显热增量） = 1.55×（430×1360-20×1324） = 865396 （W） （3-1） （2）烟气出口温度的计算 根据热平衡式，在不考虑热损失的情况下

5、，空气的吸热等于烟气的放热， 因而可先计算出烟气的出口温度。按照烟气成分求出烟气的比热容。表1 烟气中成分各温度下的比容表（单位：KJ/(m3)）温度CO2SO2H2OO2N28002.0982.1811.6711.4491.3659002.1692.2151.6961.4561.37710002.2022.2361.7251.4781.39011002.2362.2611.7501.4911.40312002.2652.2781.7751.4151.415计算方法：如：800下，烟气比热 =0.16×2.098+0.0047×2.181+0.111×1.671+

6、0.0113×1.449+0.7130×1.365=1.521 (KJ/(m3)=1521 (J/(m3)其他温度下计算方法相似，可计算得下表： 表2 烟气比热容 t/80090010001100120015211544156215801596 假设=870，其比热容=1537 J/(m3·)，而烟气入口温度=1150时其比热容为= 1588 J/(m3·) ，按热平均计算得： =875 （3-2） 与假定的870几乎相等，故可先按870的出口温度进行下一步热计算。 (3)设计采用烟气与空气顺流流动，则换热器进、出口流体温度差为： （3-3） 由于，故取

7、对数平均温度差 （3-4） （4）空气侧传热系数 空气平均温度为： =0.5（+）=0.5（20+430） =225 （3-5）螺旋通道当量直径： （3-6）空气流速，空气的雷诺数为： （3-7）属于湍流，系数确定如下： 设壁温 = 650， = 273 + 650 = 923（K） （3-8） 则， =（225+273）/923）0.5 =0.73 （3-9） 螺旋半径=（1.859+1.707）/4 =0.907 （3-10） 则: （3-11）由于内筒高度还未求出，先假定管段入口系数 ; (3-12) 空气在环缝内的对流传热系数为： （3-13）（5）烟气的传热系数烟气的平均温度为： =

8、0.5（+）=0.5（1150+870） （3-14） =1010由于烟气在内筒内的流速很小，其对流传热系数可忽略不记，仅计算烟气的辐射传热系数。根据辐射换热器计算的特点，对于烟气的辐射传热系数按进、出口分别计算。入口端烟气的辐射传热系数 烟气在内筒内的有效射线长度为： L=0.9=0.9×1.695=1.53（m） （3-15）烟气的成分为：CO216.0%,SO20.47%,H2O11.1%烟气入口处温度为1150。可知: （3-16）则烟气的黑度为： =0.12+1.03×0.12+0.015 =0.259 （3-17）取内筒金属璧的黑度为，按公式求得系统的辐射系数为

9、; （3-18）入口处环缝内空气的侧传热系数为：当入口空气温度tc.i=20，空气标态流速，设璧温tw=600温度补正系数 （3-19）代入，则入口端空气传热系数为： （3-20） （3-21） （3-22） 查表4-19得，则内壁温度=To=0.72×1505=1084（K）,=1084-273=811。 （3-23）当烟气温度为=811时，查有关图表得; （3-24）则烟气黑度为： （3-25） 因此，入口处烟气的辐射传热系数为 （3-26） 出口端烟气的辐射传热系数出口端烟气温度为=870，查有关图表得， （3-27）则烟气的黑度为： =0.14+1.03×0.15+

10、0.02 =0.31 （3-28）取内筒金属璧的黑度为，按公式求得系统的辐射系数为; （3-29）出口处环缝内空气的侧传热系数为：当出口空气温度=430，空气标态流速，设璧温=500温度补正系数 （3-30）代入，则出口端空气传热系数为： （3-31）=1000(K) (3-32) （3-33）查表得，则内壁温度Tw.i=To=890（K）,=890-273=617。当烟气温度为=617时，查有关图表得; （3-34）则烟气黑度为： （3-35） 因此，出口处烟气的辐射传热系数为烟气平均辐射传热系数 （3-36）考虑进、出口集箱辐射的影响取辐射增量，则烟气辐射传热系数为： （3-37）(6)

11、换热器的传热系数K （3-38）（7） 传热表面积F （3-39） （8）内筒高度 （3-40） 取内筒高度H=6.2m，则换热器传热表面积为; （3-41） （9）核算管段入口系数kL 螺旋节距h=1.0m，螺旋直径为： （m） （3-42） 内同高度H=6.2m，螺旋圈n=H/h=6.2/1.0=6.2圈，螺旋长度(指空气流程长度)为： （3-43） 在进行环缝通道内空气传热系数计算时，环缝的当量直径de=0.141m，则L/de=250>50，故计算空气对流传热系数时假定kL=1.0是正确的，不需再算。4.换热器的验算 (1)空气出口温度 当空气温度为时，比热容为：，其水当量为：

12、（4-1） 当烟气温度为时，比热容,其水当量为： （4-2） 水当量之比为： （4-3） 换热器空气侧的热传递单元为： （4-4）换热器空气侧的热传有效度(顺流式)为： （4-5）则，空气出口温度为： （4-6） 经验算空气出口温度误差为0.5%能满足430的要求。（2） 烟气出口温度 （4-7） 与假定中的870低25，误差为2.9%<4.0%，满足出口温度870的要求 验算结果表明，空气出口温度432.45和烟气出口温度845与热计算中的条件基本相符，传热表面积F=33可满足要求。（3） 壁温计算平均壁温为： （4-8）烟气入口处壁温 （4-9）烟气出口处壁温 （4-10）根据最高壁

13、温，换热管材质选1Cr18Ni9。5. 流体压降计算 （1）空气侧压损摩擦压损由热计算知空气在环缝通道内的雷诺数为21517，属于湍流状态。可推得摩擦阻力系数为： （5-1）按公式计算摩擦阻力损失为： （5-2） 形阻（局部）压损取进、出口环形集管阻力系数，温度补正系数： （5-3）按公式求得形阻损失为： （5-4）空气侧压总损 （5-5） ，符合设计要求 （2）烟气侧压损 烟气侧压力损失包括烟气进、出口的形阻损失和内筒内的摩擦阻力损失，由于换热器为立式安装，烟气的浮力忽略不计。 烟气在内筒内标况流速为： （5-6）烟气雷诺数为： (5-7） 摩擦阻力损失 摩擦系数： （5-8）摩擦阻力损失为

14、： （5-9） 形阻损失 取换热器烟气进、出口总阻力系数为，而温度补正系数为： （5-10） 形阻损失为： （5-11） 烟气侧总阻力损失 （5-12）符合设计要求。表3 环缝式辐射换热器的技术性能表 序 号 名 称 数 值 1 传热面积/ 33 2 流动方式 螺旋顺流式 3 空气入口温度/ 20 4 空气出口温度/ 430 5 空气标况流量/ 1.55 6 烟气入口温度/ 1150 7 烟气出口温度/ 845 8 烟气标况流量/ 1.80 9 空气标况流速/ 20.0 10 烟气标况流速/ 0.8 11 总传热系数 39 12 内筒直径/mm 1695 13 内筒壁厚/mm 6 14 内筒材

15、质 1Cr18Ni9 15 外筒内径/mm 1859 16 外筒材质/g 20 17 空气侧压降/Pa 6800 18 烟气侧压降/Pa 9.43 6. 总结 通过本次课程设计，我对换热器的结构、性能都有了一定的了解，知道了不同换热器之间的共同点和区别，同时，在设计过程中，也掌握了一定的工艺计算方法。换热器是工业生产中重要的设备之一，而且种类繁多，特点不一，因此，选择合适的换热器是相当重要的。在本次设计中，我们不需要对换热器进行选择,直接用给定的换热器来解决相应问题。在计算过程中，通过查图表的方式得到相关数据。主要是各种气体不同温度下的体积比热，以及烟气中二氧化碳和水蒸气的黑度。前者查的是表，所得数据精确度较高，后者查的是图，存在一定的误差。不能直接查阅的数据，用插值法进行处理。本次设计中，假设烟道壁温是较为繁琐的一步，需要反复计算来减小偏差。最后对传热计算有一个误差值，我的误差值在合适的范围内，故热计算是合理的。绘图的过程中，由于没有大尺子，画线时存在一定的误差，但总体布局还是可以的，采用的比例也适合，但或多或少存在一些细节性的问题，会在以后的学习中予以改正。然而在本次设计中由于经验不足，知识有限，还是存在着很多问题。比如在设计中未考虑对成本进行核算，仅在满足操作要求下进行设计，在经济上是否合理还有待分析。总之，通过本次设计，