毕业设计（论文）-10th锅炉热管式空气预热器的设计

10t/h锅炉热管式空气预热器的设计摘要本次设计的是10t/h锅炉热管式空气预热器。首先考虑10t/h的锅炉，选择燃料为淄博贫煤，然后对燃料燃烧产物的相关数据进行计算。再对结构进行设计，热管式空气预热器的外壳选择碳钢，内部工质选择水。热管式换热器设计为矩形结构，由热管、隔板和壳体等部分组成，中间隔板把热管管束分成蒸发段和冷凝段两个部分，这两个部分都装有翅片，以增大传热面积，尽可能减少换热器面积，气体流向选择为顺流，当高温烟气流过热管蒸发段时，热管内部工作流体蒸发产生的蒸汽流到冷凝段放热，使低温的空气获得热量，达到热传递的目的。对热管进行设计时，热管选用的是ø25×1.5，其中蒸发段为0.8米，绝热段为0.1米，冷凝段为0.8米。接下来的进行传热计算。最后对设计进行校核，得出设计是合理正确的。关键词：热管热管式空预器校核全套图纸加V信153893706或扣3346389411Thedesignof10t/hboilerheatpipeairpreheaterAbstractThedesignis10t/hboilerheatpipeairpreheater.Atfirst,weshouldconsiderthe10t/hboiler,thenwechoosefuelisZiboleancoal.Thenthefuelcombustionproductrelateddatatocalculate.Tostructuredesign,heatpipeairpreheaterintheshellselectionofcarbonsteel,internalworkingmediumselectionofwater.Heatpipeheatexchangerdesignforrectangularstructure,composedofpartssuchasheatpipe,plateandshell,themiddlebaffleplateheatpipebundleisdividedintotwopartsofevaporationandcondensation,thetwopartsareequippedwithfin,toincreasetheheattransferarea,minimizingheatexchangerarea,gasflowtochooseforthedownstream,whenhightemperaturefluegasflowthroughtheheatpipeevaporator,heatpipeworkingfluidinsidetheevaporationheatflowtothecondenserofthesteamproducedandmaketheairoflowtemperatureheat,toachievethepurposeofheattransfer.Todesignofheatpipe,heatpipeischosenø25x1.5,whichis0.8metersinevaporation,adiabaticsectionof0.1meters,thecondenseris0.8meters.Theheattransfercalculation.Finally,thedesign,thisarticleconcludedthatthedesignisreasonableandcorrect.KeywordsHeatpipeHeatpipeairpreheaterDesigncalculations目录TOC\o"1-3"\h\u21272第一章绪论 第一章绪论1.1热管的概述热管式一种导热性能特别好的传热元件，于20世纪60年代开始研发，70年代逐渐成熟并开始投入工业使用，它具有极高的导热性能，即使是导热性能最好的金属具有的导热系数也不及热管的万分之一，因此热管被称为“热超导体”。热管的工作原理比较简单，主要是靠封闭在其内部管子里的工作液体（工质）自身的反复相变来实现热传作用的，即管内工质首先吸收外界热量发生相变并蒸发，然后在管内另一头某一位置放热给换热体而自身又冷凝成液态，紧接着在无任何外加动力的作用下，仅仅借助于管内的毛细吸液芯所产生的毛细力冷凝液体又回到原始相变蒸发位置，然后吸收外界热量发生相变并蒸发，如此反复循环，从而达到热量从一处输送到另一处的目的。热管不同于传统的换热设备，其结构紧凑，工作液体在内部循环，并不借助于外部动力作用进行流动，与其进行换热的冷热流体只要在其蒸发段和冷凝段外部流动就可以实现冷热流体间的热交换。流体阻力损失小、工作简单，而且连续进行，再加上热管本身所具有的优异导热性、优良的等温性、热流方向的可逆性、热流密度可变性、热二极管与热开关性、可远距离传热性以及对环境好的适应性等特性，热管技术实际上一曝光，便吸引了诸多研究者的注意。以热管为传热元件的换热器，不仅仅在节能方面用途广泛，而且在航天、航天器的均温和控温、新能源开发、电脑散热、空调制冷、恒温反应等方面都得到了应用，随着科技水平的不断提高，其应用已涉及冶金、化工、机械、交通、电子、电力、石化、能源、动力、轻工、玻璃、陶瓷及医疗等多个行业领域，而且其应用范围也越来越广泛。1.2热管技术1942年美国人Grover首次提出了“热传递装置”这一概念，这也是热管的最初雏形，并以之为名取得可相关专利。20世纪60年代，由于航空航天对传热的需要，美国LosAlamos国家实验室首次将热管成功硬功于飞船与核反应堆的冷却传热，并为其起名为“热管”，之后热管引起了各国学者的极大兴趣和关注。1966年Katzoff发明了带有干道的热管，对热管结构进行了优化，使热管向实用化更向前迈进了一大步。第一台带翅片的热管式空气加热器也是日本70年代研发成功的，70年代美国已开始批量生产热管式换热器，用于回收余热，也是热管向工业应用进军的开始。微型热管是1984年Cotter提出的，对其也进行了较完整的理论研究。我国对热管的研究起步较晚，是从20世纪70年代后期开始的，热管换热器研究成果于1980年首先在南京工业装饰上得到了应用，在其之后又陆续开发出了高炉热风余热回收碳钢-水空气预热器、锅炉烟道气余热回收热管式换热器等产品，逐步形成了我国特色的以锅炉余热回收利用为主的热管式换热器。近年来我国热管技术的开发研究发展迅速，工业化应用成果丰富，热管应用范围也在不断扩大，主要集中在烟气的余热回收、干燥过程中的节能、能源的合理利用、航天航空等方面，并且受到了很好的节能降耗效果，热管余热锅炉、热管气-气换热器、高温热管热风炉、高温热管蒸汽发生器等热管产品也相继开发出来了，这些奠定了热管技术在我国工业应用中的基础。1.3热管的分类迄今为止，开发出来的热管类型很多，按照热管的工作原理分类，主要有：虹吸式热管、重力热管、离心热管；按照冷热流体换热温度分类，热管主要分为：低温热管、常温热管、中温热管、高温热管；根据热管结构的不同，可分为：轴向热管和径向热管；按有无翅片分为：光管和加翅热管；按热管外形的不同，热管主要有平板型热管、环状热管、管式热管、脉动热管等不同类型的热管；按管壳与工质的组合方式热管有不同的种类：铜-水热管、碳钢-水热管、碳钢-萘热管、碳钢-甲醇热管、铝-丙酮热管，不锈钢-钠热管、陶瓷-钠热管等等。1.4.虹吸式热管工作方式及原理典型的虹吸式热管由管壳、吸液芯、工作液体（工质）、端盖和翅片组成，管壳通常由金属制成，翅片是为了与管外流体换热更迅速而安设的，虹吸式热管以工质潜热的形式传递热量。热虹式热管在制作时，首先将管内抽成一定的负压，然后利用负压将工作液体吸入、这样才可以比较容易地使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中完全充满工作液体，工作液体充分充入管内后然后加以密封，这样就制成立刻虹式热管，热虹式热管的一端设计为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根据应用需要在两段之间布设一定长度的绝热段，额可以看出热虹式热流方向的可逆性是相当好的。虹吸式热管开始工作室，首先热管的蒸发段和管外流体进行接触，使管壳受热，由于管壳是热的良导体，迅速将热传至管内工质，当热管内蒸发段工质受热后，工质发生相变并蒸发汽化，微小的蒸汽压驱使蒸汽流向另一端冷凝段，然后在另一头冷凝段接触到冷端吸液芯，放热给换热体而自身又冷凝成液态并放出潜热，紧接着无任何外加动力的作用下，仅仅借助于管内的毛细吸液芯所产生的毛细力，冷凝液体又回到了蒸发段相变蒸发位置，然后继续吸收外界热量发生相变并蒸发，如此反复循环，由工质不断的蒸发和冷凝，把热量不断地从热端传递到冷端，从而达到热量从一处输送到另一处实现热量转移的目的。 1.5热管换热器热管换热器是热管的应用形式，是由多根热管元件制作而成、具有一定结构的换热设备。热管换热器的形式很多，根据具体的用途，可以分为余热蒸汽型、空气预热型、余热干燥型和冷却冷凝型等等，可以根据传热总面积和热管的具体尺寸数据进行热管换热器的设计、整形和安装使用。以处理的对象来分，热管换热器目前主要以低温换热和中高温换热为主要目的，如空调器热管就属于低温型热管，而锅炉尾气余热利用热管则属于中高温热管。热管的材料主要是选用碳钢，一般水为工质，这类热管换热器在空气预热、蒸汽发生等余热回收、节能环保装置应用最为广泛。与热管换热器进行热交换的外界冷热流体只是以热管为中间热量传递介质，在管外流动，通常可以通过加装翅片的方式增大其与冷热流体传热的传热面积，也可以通过增加绝热段的长度使其进行远距离热量传输，还可以将其做成平面状铺设在路基、路面以下保护路面不受严寒的侵蚀，或者放置路面以下冻冰的融化。热管换热器结构简单，换热效率高，我国第一台高炉热管空气预热器是1982年在马鞍山第一炼铁厂正式投用。1.6热管换热器的优点与其他换热器相比，热管换热器的优点如下：换热效率高安全性、可靠性更高无任何外加动力强化传热很方便防积、堵灰能力热管壁温的可调性布置灵活除此之外，热管换热器还具有受传热极限的制约少，热流密度可变、冷热源完全隔离、不存在相互污染、维护费少、密封简单可靠、容易清灰等优点。1.7.热管换热器使用中存在的问题热管换热器在实际应用中出了有六中所说的优点之外，也存在如下问题需要得到很好地解决。特定管材和使用温度的工质研究热管结构参数的设计和确定高温热管仍是热管开发的难点1.8为什么要研究热管以及热管的主要用途研究热管式因为热管的应用已经非常广泛，大至航空航天，小到芯片散热，有热交换的地方，都可能用到热管及热管换热器。热管在冶金、机械、交通、电力、轻纺、化工、石化、能源、动力、电子、玻璃、轻工、陶瓷、制冷空调及医疗等领域的应用越来越广泛了。1.9热管及热管换热器的最新进展热管技术经过50年的快速发展，目前已经在各行各业发挥着巨大作用，未来将朝着更加高效、微型化、大规模化方向发展。热管结构和工质的改进仍是提高热管性能和实用性的重要途径；热管的均温、热屏蔽及可分离特性，将为解决化学反应器中温度分布不均匀及核反应堆壳体的安全散热等问题提供新的方法。南京工业大学“无限逼近”最适宜反应温度的热管化学反应器热管式氨合成塔的研制成功，标志着我国在朝着高效热管工业反应器研究领域迈出了坚实的一步。热管的热流变化及自吹灰特性是防止工业换热设备露点腐蚀及灰尘堵塞的重要技术保障。该技术已在小化肥煤造气炉的余热回收、大型电站锅炉的空气预热器、高温燃煤热风炉的应用中得到了充分证实。液态金属热管的研发成功及制造成本的下降，将使在超高温反应设备中连续取热成为可能，实现煤造气炉的连续制气、核电工程的新型热管蒸汽发生器、紧凑高效液态金属热管换热器技术的完善，将取代玻璃、冶金等工业中的陶瓷换热器。总之，热管技术将随着行业结束的进步和需要的不断的进步面临新的机遇和挑战，未来新的局面可以期待。1.10锅炉的已知参数根据热管式空气预热器任务说明书，已知设计参数：燃煤锅炉蒸发量10t/h；饱和蒸气压力0.49MPa；给水参数常温；排污率3％；排烟温度160℃；空气预热温度120℃。第二章锅炉及其煤种的选择2.1锅炉的选择根据以上给定参数，已知锅炉的蒸发量为10t/h,由[1]在我国一般35t/h以下的锅炉多采用链条炉排，因此设计选择燃烧方式为链条炉排。链条炉排包括抛煤机反转链条炉排在内。具有设备简单，能耗低的优点。链条炉排的效率是大于76%[1]，故取。2.2燃料选择链条炉排也有缺点：燃烧效率较低，对煤的粒度分布、焦结性比较敏感，燃烧不同煤种时炉拱的结构不同，难以通用不同煤种，所以本次设计选择淄博贫煤。淄博贫煤的主要元素成分：Mar=4.3%；Aar=22.6%；Car=64.8%；Har=3.1%；Oar=1.6%Nar=1.0%；Sar=2.6%低位发热量：单位质量的燃料在完全燃烧时所发出的热量被称为发热量，高位发热量是指1kg燃料完全燃烧时放出的全部热量，包括烟气中水蒸汽已凝结成水所放出的汽化潜热。从燃料的高位发热量中扣除烟气中水蒸汽的汽化潜热，被称为燃料的低位发热量。查得，淄博贫煤的低位发热量：第三章燃料燃烧产物的计算3.1理论空气量理论空气量：1kg燃料完全燃烧时所需要的最少空气量（空气中不含剩余的氧）。可得：（3-1）（3-2）所以，燃烧1kg燃料完全燃烧时所需要的最少空气量为8.55kg。3.2燃烧产物计算燃烧产物是指在燃烧过程中产生的烟气及其烟气携带的灰粒以及炭粒。锅炉的燃烧产物计算主要包括燃烧后的烟气量以及烟气的组成。（1）理论二氧化碳和二氧化硫的体积（）（3-3）（3-4）（3-5）（2）理论氮气体积（）是由燃料中的氮所占的体积以及理论空气中量中的氮所占的体积两个部分组成的。（3-6）（3）理论水蒸气体积（）含有水蒸气的烟气被称为湿烟气。由燃料中的氢完全燃烧生成的水蒸气体积、燃料中的水汽化生成的水蒸气的体积、理论空气量带入的水蒸气体积以及采用蒸汽雾化设备带入的水蒸气体积。(3-7)（4）理论烟气量（）在过量空气系数α=1（无过量空气），完全燃烧后的烟气体积为理论烟气量。(3-8)（5）过量空气系数（ɑ）实际供给的氧量与燃烧过程的实际消耗的氧量之比被称为过量空气系数（ɑ）。锅炉通常是负压运行，由于炉墙和穿墙处不严密，因此烟道沿程均有空气漏出，即为计算中需要考虑的漏风系数。根据ɑ的值的大小与燃烧方法及燃料的性质有关，一般对煤炭来说ɑ=1.15～1.35[1]。选择炉膛的过量空气系数ɑ=1.2，考虑漏风系数，得到ɑ=1.46。（6）实际烟气量（）当ɑ>1时，所产生的烟气量中，还需增加过剩的空气量以及过量空气带入的水蒸气量，即为实际烟气量。（3-9）实际干烟气量：（3-10）（7）体积份额三原子气体体积份额：（3-11）水蒸气体积份额：（3-12）氮气体积份额：（3-13）（8）焓的计算在热力学中，分子、原子、离子做热运动时遵从相同的规律，所以统称为分子。既然组成物体的分子不停地做无规则运动，那么，像一切运动着的物体一样，做热运动的分子也具有动能。分子动能与温度有关，温度越高，分子的平均动能就越大，反之越小。所以从分子动理论的角度看，温度是物体分子热运动的平均动能的标志（即微观含义，宏观：表示物体的冷热程度）。分子间存在相互作用力，即化学上所说的分子间作用力（范德华力）。实际燃烧产物（烟气）的焓由理论燃烧烟气焓（）、过量空气的焓以及飞灰焓三个部分组成。（3-14）各个温度段的焓值如表2-1表2-2所示。表2-1焓温表序号123456789t,(℃)CCO210017020913067915176991132897200358440260135930515320082661803300559687390203946323330534032726表2-2焓值表[℃][kj/kg][kj/kg]1.411009918977227442002008180314667443003053272622357683.3燃煤量计算单位时间内锅炉消耗的燃料量称为燃煤量。锅炉总吸热量（3-15）查表[2]，由饱和蒸汽压力为0.49MPa,可以得出排污率：过热蒸汽出口焓：饱和水焓：给水焓：（3-16）所以由于有机械未完全燃烧热损失q4存在，1kg入炉燃料实际上只有0.97kg参加燃烧后应。通常把扣除机械未完全燃烧热损失后的燃煤量称为计算燃煤量。（3-17）所以第四章热管式空气预热器的设计4.1热管材料的选择4.1.1工质和管材的选择管内工质的工作温度，可以用下式进行计算：（4-1）所以根据[3]查表,水的使用温度为30~200°C，所以工质选择水最为合适。以水为工质，应选用铜管为管壳材料，但热管管壳的选择必须考虑到管壳与水的化学相容性、管壳的强度以及经济性。由于碳钢管的强度可满足要求，价格便宜并且导热系数比较大，故选择碳钢管作为管壳材料。4.1.2放置形式以及芯结构的选择因为本次设计烟道是水平的，故采用重力式热管，将热管垂直放置。这种热管结构简单，制作方便，传热效果好，是余热回收中比较理想的结构。并且重力式热管没有吸液芯结构，直接采用内壁光滑的无芯热管。4.2酸露点的计算烟气中的水蒸气和硫酸蒸汽按照一定的规律，在受热面上凝结。水蒸气和硫酸蒸汽的分压总和为一个定值时，硫酸蒸汽的浓度增加时，露点升高。结出的液体中的硫酸的浓度对受热面腐蚀的速度影响很大。浓硫酸对钢材的腐蚀速度很低，而浓度较稀的硫酸腐蚀速度较快，腐蚀作用强烈。烟气的酸露点可以用下面的经验公式估算：（4-2）式中：——烟气的酸露点，℃;——烟气的水蒸气露点，℃；——与过量空气系数有关的常数，当时，；当时，；——收到基折算（每1000kj的折算值）硫份及灰份，%；——飞灰占总灰分的份额。水露点可以根据烟气的水蒸气的含量（）计算：（4-3）所以4.3已知条件计算因为酸露点为85℃，因此可以认为烟气的出口温度=100℃，烟气进入空气预热器的温度为=160℃。空气进入空气预热器的温度为=20℃，空气预热温度为=120℃。所以烟气质量流量：（4-4）且（4-5）所以又因为所以烟气比热且(4-6)所以4.4热管及翅片尺寸的选择4.4.1热管管径的选择(1)由声速极限确定管径(4-7)声速极限管径管内蒸汽密度管内蒸汽压力气化潜热声速极限的传热量取，由于热管工作的平均温度为，在时启动,查干饱和水蒸气的物理性质表得所以(2)由携带极限确定所要求的管径(4-8)蒸汽流通截面积携带极限气化潜热液体密度蒸汽密度表面张力当时，得为了安全考虑取热管内径，取壁厚。得内径，外径。4.4.2翅片的尺寸选择因为是气-气型换热，两边皆采用扩展表面。缠绕的环状翅片管。考虑到烟气的腐蚀性，采用片厚为0.8mm的翅片，翅片管的其他几何特性，见表4-1。表4-1管子选定尺寸光管外径d0光管内径di翅片外径df翅片高度H翅片厚度δ翅片间隙Y翅片比β25225012．50.83.210.64.5结构设计4.5.1入口质量流速的选择取烟气侧的迎风质量流速为：计算空气侧质量流速计算为：（4-9）所以4.5.2考虑安全长度比和经济长度比安全长度比：所选的热管，管内许用温度=250℃，该热管空气预热器的工作环境温度最高处，烟气热管烟气进口温度为℃，远远小于管内的许用温度，因此热管的工作是安全的。经济长度比：所以设计蒸发段和冷凝段长度的比值在0.786左右比较合适。4.5.3设计进口界面尺寸以及热管的尺寸选择烟气侧迎风面积的计算：空气侧迎风面积的计算：由于都在左右，经济长度比为0.786，为了设计的方便简洁，所以空气预热器的宽度选择为2000mm，热管的蒸发段和冷凝段都选择为800mm,绝热段选择为100mm。空气预热器的蒸发段的实际迎风面积为：空气侧实际迎风面积为：在上述的的迎风面积下，实际的烟气的质量流量为：（4-9）所以实际的空气侧的质量流量为：（4-10）所以取横向管间距第一排管子数第一排的管子的传热面积：（4-11）由于翅片的管束的几何特性计算，气体的最窄流通面积为入口迎风面积的二分之一，故最窄流通截面处的最大质量流速为4.6传热计算4.6.1传热系数的计算中点温度下的物性值对于烟气而言：中点温度（4-12）所以根据[1],查烟气的物理性质参数如下：对于空气而言：中点温度（4-13）查表可以得出空气的物理性质参数：4.6.2蒸发段传热系数和冷凝段传热系数以翅片管外表面为基准的传热系数计算[2]如下(4-14)以光管为基准的传热系数：(4-15)查表得[2],翅片的效率为：翅片数目：翅片面积：裸管面积，即翅片之间的光管面积：（4-16）所以光管面积：（4-17）所以翅化比：（4-18）所以即，在加翅片后的传热面积为原来的光管的面积的10.6倍。因此同理，冷凝段的传热系数4.6.3热管管壁的热阻计算取热管钢管，两个管壁的热阻为：（4-19）所以4.6.4污垢热阻的计算考虑到燃煤的烟气，得4.6.5加上污垢热阻的传热系数(4-20)解得： 4.6.6传热的平均温差计算选择流动方式为顺流，因此可得：烟气的入口温度：烟气的出口温度：空气的入口温度：空气的出口温度：（4-21）（4-22）计算对数平均温度：（4-23）所以4.6.7传热面积计算（4-24）所以所需要的管子数（4-25）所以考虑设计，选择用20排，每排21/20根管子，按照差排排列。每根管的平均的传热的热负荷为：（4-26）所以4.7管壁温度计算根据换热的结果，热管式空气预热器烟气侧的最末段一排管束的管壁温度最低，因此是最容易发生酸性气体和水汽露点腐蚀的现象，因此根据公式计算壁面温度：