烟道式换热器设计

1、设计要求：设计一台利用铜精炼反射炉（燃重油）的烟气余热助燃空气的烟道式光管钢管换热器，设计条件如下：1）如换热器的平均烟气标况流速：% = L941n山2）如换热器的烟气温度：1=600 C3）如换热器的空气标况流量：9=1.531口代4）如换热器的空气温度：1尸20c5）出换热器的空气温度：%口 = 4D0C6）地下水平烟道的断面尺寸：W*H=1392mm*1700mm7）烟气成分（V/V , %）成分(V/V)CGjS02HQN*%5.856.703.704.6579.10换热器结构初步确定.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

2、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，即烟气为一行程，空 气为2n行程。.换热器规格选用60mm 3.5 mm 热轧无缝管，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S1 S2 2d 2 0.060 0.12 (m)。取空气在管内的标况流速c 10m/s,管内径di 0.053m,其流通界面积 f0 0.0022 m2。一个行程空气侧需要流通界面积为:Vc1.53100.153m2）一个行程需换热管

3、根数N f。型70 (根)。烟道断面宽度f00.00221.392 3 0.060.12B 1.392m,则在其宽度上排列的换热管列数为：10 （列）B 3dm G7 (排)。一个行程管群的排列顺烟气流向排列排，则 -70m 10见图4-13。二.换热器的热计算在换热器热计算中，假定换热器无换热损失、两流体在换热器中无流量损失、无变相、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400 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cc.i 1302J m3 C和cc.o 1356J/m3 C ,则有效换热量为:Q Vc tc.0 cc.otc.

4、itc.i1.53(400 1356 20 1302)790000( W)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th.o330 C ,其质量热容ch.o 1398 J/m3 C ,对应烟气入 口温度为th.i 600 C比热容c.i 1447 J/m3 C ,按热平衡求出:+Vh.G.ith.i Qt c.oVh.och.o1.94 1447 600 7900001.94 1398329.7( C)由于与原先假定的出口温度th。330 C相差小于0.1%,故可确定烟气出口温度为th.0 330 C。流气对热平均温差t1.M逆流对流体在换热器

5、入口和出口的温差分别为:h.ih.ot,tc.oc.i600 400 200 C)330 20 310( C)则流体对数平均温差为:幽郊251( C) TOC o 1-5 h z ,ti, 200InIn t0310查图4-7,正交逆流时的温差补正系数t 0.94,则对数平均温差为:t1.m t t1.M0.94 251 236( C)管内空气侧传热系数44.0 W m2 C空气在管内的标况流速:Vc1.53Wc -Nf070 0.00229.94( m s)空气平均温度:t 1 t . t c.mc.i c.o21-(20 400) 210( C)2空气在管内流动的雷诺数:t 1 nLc.m

6、Wc.odi .Re 1vc.o9.94 0.0531.396 10-51-1.66210273一 一 42.59 10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）计算设管壁平均温度tw.m当：=0053=30时,查第三章有关表得1.05。330 C ,则kt0.5273 tc.m273 tw.m273 210273 3300.8950.5对于直管，系数kR及kD为1,代入数值后得:tc.m k1 kt kRkd0.232101.05 0.8952730.8Wc c 3.63*7 1 di9.9408 3.63 0V0.053 .管外烟气测传热系数 烟气

7、对流传热系数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=1.6m,管群在最窄截面积为：fn ( d)L (0.12 0.06) 1.60.096(m2)管群最窄截面处烟气流速为：Vh1.94(m 1) fn(10 1) 0.0962.25(m s)烟气平均温度：th.m 1(600 330) 465(C)。对正方排列的管群的当量直径为:,2(5 d)L 2 (0.12 0.06) 1.6dc d L 0.12 0.06 1.60.116(m)烟气流动的Re数为:wh0 dcRech2-c 1Vh.oth.m 1 n2.25 0.116 T 11.22 10 5104004652731

8、 1.73由于烟气雷诺数103Re 104 ,烟气对管群的对流传热系数可按公式(4-21B)计算，当5/d0.12/0.06 2时，查第三章有关图表得cH 1.03、0.92、kP 1.009、 kH2。0.99，烟气垂直流过管群k4 1.0,带入数值后得烟气对流对流传热系数:0.6h.c 5.710-4(1th.m)0.58CH kpk kH2Ode(2.25)0.6465 0.585.71 -S4 (1)1.03 0.92 1.009 0.99(0.116).273_2_37.1W/(m C).烟气辐射传热系数对于S S2 2d排列的管群，烟气辐射的有效射线长度l 3.5d 3.5 0.0

9、60.21m ,按烟气成分 Vco25.85% ,Vh2o 3.7% ,在烟气平均温度th.m 465 C时，查第三章有关图表得CO20.057,H2O0.032,1.43。烟气在自身温度(465 C )和壁温(330 C)下的辐射率分别为:h.gCO2H 2Oh.wCO2H 2O0.0570.0521.431.430.0320.0380.1030.106因此,系统的辐射率为:5.67h.f n 11h.g h.w5.67,10.103 0.1060.31烟气对管群的辐射传热系数为:h.g (h. wh.c h.fTh.m、4,Tw.m、4100100t h.m t w.m0.1030.31

10、国465 2731004330 2731003.58W465 3302m2 C烟气侧传热系数为:37 1h h.c h.r . 3.58 40.7W. m2 C.总传热系数K不考虑管壁及污垢热阻时，换热器总传热系数为:44.0 40.744.0 40.721.1W. m2 C.传热表面积F79000021.1 2362159 m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积为：_ _2F 1.1F1.1 159 175 m(8).空气侧行程数的确定60 3.5的换热管以外径计的每米长的表面积为 f 0.188m2/m, 在一个行程内排L 1.6m的换热管的根数N=70根

11、，则一个行程具有的 换热面积为：Fi 0.188 1.6 70 21 m2 ,则换热器的行程数为：Fn 一Fi8.31行程，取n=9行程 21因此换热器的传热面积为:nFi 9 21 189 m2(9).换热器壁温计算换热器平均壁温按下式计算:(hth.mctc.mtw.m40.7 465 44.0 210 八333 C40.7 44.0与前面计算过程所假定的tw.m330 C相差小于1%,故可确认壁温 tw.m 333 C 。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，只是采用入口端的各有关参数，计算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

12、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：ho 45.7W/m2 Cco 56.3W/m2 C则管壁最高温度为:w. maxh th.i ch c45.7 600 56.4 400 一490 C45.7 56.4.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700 C和出口 480 C ,空气入口 20 C和出口 350 C ,而烟气和空气流量分别为 1.94m3/s和1.53m3/s等基本参数求出换热面积为75m2 ；考虑换热器运行 后的结垢影响并留有适当的富裕，致使换热表面积由75m2增加到84 m2。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

13、会因换热面积增加而导致空气出口温度高于设计值。具体数值经过验算 确定如下： 空气出口温度验算：空气水当量：wc Vcc1.53 1324 2026 W. Cc c c.l H烟气水当量：wh Vhch.m 1.94 1406 2728 W./ C水当量之比：对空气为：Rc wc 2026 0.743wh 2728对烟气为：Rh wh 2728 1.346wc 2026热传递单元数： TOC o 1-5 h z 对空气为：NTU c KA 21.1 189 1.97 wc2027c对烟气为：NTU h KA 21.1 189 1.46 Wh2728经查表得：Ec 0.643则空气出口温度为：tc

14、.o Ecth.i tc.i tc,i 0.643600 2020393 C验算结果空气出口温度与设计要求400 C基本相符。2）烟气出口温度验算烟气出口温度为：th.o th.i Rc tc.o tc.i 600 0.743400 20318 C与热计算预先假定的330 C相近。三.流体流动压降计算压力计算示意图见图4-14。空气流动压降1）摩擦压损空气平均温度为：1八tcmtci tco400 20 210 Cc.l Hc.l c . O2管内空气流动雷诺数Rec 2.68 104 （见传热计算），属湍流流动，其摩擦阻力系数为:A012Rec0.32 12.59 1040.250.025空

15、气在管内的流速c 9.94m/s,其摩擦压损按公式（4-43A）计算:Pfc o.c 1dcbtc.m2c-14.49.941.293 d 2100.025 1 -0.0532273768 Pa2）行阻压损空气入口渐扩段 TOC o 1-5 h z 23 14222.f1 -d2 0.520.212m2, f2 1.25 0.84 1.05m2, f1f2 0.212 1.05 0.244,查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：22突扩1fl 21 0.20.64,则入口简渐扩的阻力系数为：1 0.8突扩 0.8 0.64 0.51。空气出口渐缩段，由于 f2

16、 1.05m2,f3 d2 314 0.622 0.302 m2 , f2/f3 1.050.302 3.51, 出口收缩角 4430 ,查附录六得渐缩局部阻力系数为：5 0.47. tgf2, f3 2 0.47 ,tg15 3.51 2 3.0换热器入口的局部阻力系数2 2.5,换热管出口 3 1.0,空气在空气2.0,换热器空气入口与出口的温度补室内转180的局部阻力系数正系数按下式计算：换热器内阻力系数为 ：23450.5 9 2.5 9 1.0 8 2.0 3.0 51空气侧形阻压损按公式(4-45A)计算为:Pd2o.cto.c I2tc.m511.579.94 2 1.29321

17、0 15941 Pa273则换热器空气侧压降为:PcPfPd 768 5941 6709 Pa(2)烟气侧压降沿烟气流动方向管群的总排数:Z nM 9 7 63排，烟气平均温度th.m 465 C,烟气流动雷诺数Reh10400,6 S2 2d 2 0.060 0.12 (m换热管对角线中心距为：c,S10.121 d S210.06 0.17S 0.17,由于 三 0.65 0.53贝1cos45 0.707S1 d 10.12 0.06 1烟气流过管群的阻力系数按下式计算：群 3.68 Z 1 , 1 d S2 Reh 0.253.86 63 1 . 0.65 9221 0.25 19.7,S1 d 1温度补正系数按下公式计算:2 th.o th.it 273 th.m2 330 600273 4650.73则烟气流过管群的压降为:Ph2h h 1tht _ o.hth .m22.25 219.7 0.73 1.33彳4651173 Pa273四、换热器技术性能及总图设计计算后确定换热器的技术性能指标见下表。序号名称数值序号名称数值1传热表面积/小18910烟气侧传热系数/W*m-W40.72烟气标况流量好门1.9411总传热系数/W*m-W21.13烟气入口温度/ C60012最高管壁温/C4