气气热管换热器计算书.doc

热管换热器设计计算

1 确定换热器工作参数
1.1 确定烟气进出口温度t1，t2，烟气流量V，空气出口温度t2c，饱和蒸汽压力pc.对于热管式换热器，t1范围一般在250600之间，对于普通水-碳钢热管的工作温度应控制在300以下.t2的选定要避免烟气结露形成灰堵及低温腐蚀，一般不低于180.空气入口温度t1c.所选取的各参数值如下：
烟气流量 V
饱和蒸汽压力 pc
空气出口温度 t2c
空气入口温度 t1c
排烟入口温度 t1
排烟出口温度 t2
40000m2/h
0.2MPa
120°C
20°C
420°C
200°C

2 确定换热器结构参数
2.1 确定所选用的热管类型
烟气定性温度： tf=t1+t22 =420°C+200°C2=310°C
在工程上计算时，热管的工作温度一般由烟气温度与4倍冷却介质温度的和的平均值所得出：
烟气入口处： ti=t1+t2c×45=420°C+152°C×45=180°C
烟气出口处：to=t2+t1c×45=200°C+20°C×45=56°C
选取钢-水重力热管，其工作介质为水，工作温度为，满足要求，其相容壳体材料：铜、碳钢（内壁经化学处理）。
2.2 确定热管尺寸
对于管径的选择,由音速极限确定所需的管径
dv=1.64Qcr(ρvpv)12
根据参考文献《热管技能技术》，音速限功率参考范围，取，在to=56°C启动时
ρv=0.1113kg/m3
pv=0.165×105pa
r=2367.4kJ/kg
因此 dv=1.64Qcr(ρvpv)12=10.3mm
由携带极限确定所要求的管径
dv=1.78×Qentπ∙r(ρL-14+ρv-14)-2gδ(ρL-ρv14
根据参考文献《热管技能技术》，携带限功率参考范围，取kw
管内工作温度 ti=180℃时
ρL=886.9kg/m3
ρv=5.160kg/m3
r=2013kJ/kg

因此 dv=1.78×4π×2013×(886.9-14+5.16-14)-2g×431.0×10-4(886.9-5.160)14
=13.6mm
考虑到安全因素，最后选定热管的内径为

管壳厚度计算由式

式中， 按水钢热管的许用压力选取，由对应的许用230来选取管壳最大应力,而

故
考虑安全因素，取,管壳外径:.
通常热管外径为时，翅片高度选（一般为热管外径的一半），厚度选在为宜，应保证翅片效率在0.8以上为好.翅片间距对干净气流取；积灰严重时取，并配装吹灰装置.综上所述，热管参数如下：
光管内径/mm
光管外径 /mm
翅片外径/mm
翅片高度/mm
翅片厚度/mm
翅片间距/mm
肋化系数
22
25
50
12.5
1
4
8.7
翅片节距：
每米热管长的翅片数：
肋化系数的计算：
每米长翅片热管翅片表面积

每米长翅片热管翅片之间光管面积

每米长翅片热管光管外表面积

肋化系数：

2.3 确定换热器结构
将热管按正三角形错列的方式排列，管子中心距S'=1.2~1.5df
取S'=70mm。
3 热力计算
3.1 确定换热器中热管的热侧和冷侧的管长lhlc,以及迎风面管数B
1）确定烟气标准速度v，一般取2.5~5m/s，假设v=4m/s，可得出烟气迎风面的面积A=Vv=400004×3600=2.8m2
2）确定迎风面宽度E,取E=1.8m，热管的热侧管长lh=AE=2.81.8=1.56m,适当取lh=1.5m,并且lhlc=31,∴lc=0.5m。
3）求出迎风面的管数B，B=ES'=1.80.07=25.7,B为整数，应取B=26，因此实际的迎风面的宽度E=0.07×26=1.82m,同时实际的迎风面面积A'=E×lh=1.82×1.5=2.73m2,实际的速度是v'=vA'=400003600×2.73=4.07m/s。
3.2 确定传热系数
1）烟气定性温度：tf=t1+t22=420℃+200℃2=310℃,从而确定烟气的物性参数：

t℃
ρfkg/m3
cpkJ/(kg∙℃)
λfw/(m∙℃)
ηfpa∙s
pf
310
0.608
1.125
4.93
28.6
0.65

2）确定烟气侧管束的最小流通截面积
NFA=S'-do -2∙(lf∙δf∙nf)∙lh∙B
=0.07-0.025-2×(0.0125×0.001×200)×1.5×26
=1.56m2
求烟气侧的最大质量流速
Gmax=(V∙ρf)/NFA
=40000×0.6083600×1.56
=4.33kg/(m2∙s)
求烟气侧流体雷诺数
Rh=(Gmax∙do)/ηf
=4.33×0.02528.6×10-6
=3785
通过Briggs公式，求的烟气侧流体的对流换热系数
hf=0.1378∙Rh0.718∙ρf13∙(Sflf)0.296∙λfdo
=0.1378×(3785)0.718×(0.65)13×(412.5)0.296×(4.93×10-20.025)
=62.3 w/(m2∙℃)
3) 假定热管管壁温度
tw=(t1+t22+t1c+t2c2)2=190℃
4) 由tw可以在查出热管侧的管材导热系数λ=40w/(m∙℃)
∆t=tw-t2c=190℃-120℃=70℃
在米海耶夫推荐的105~4×106pa下，可推出冷侧流体的对流换热系数
hfc=0.122∙∆t2.33∙p0.5
=0.122×702.33×20.5
=3435 w/(m2∙℃)

同时 μ=lf∙2hf(λw∙δf)12
=0.0125×(2×62.340×0.001)12
=0.7
由μf和dfdo=2两参数，可以查圆形翅片管的肋效率图，烟气侧的热管效率ηfh=0.8
5) 算出烟气侧每米长的热管的翅片表面积：
A1=2×π4×df2-do2+π∙df∙δf∙nf∙1
=0.62 m2
烟气侧每米长的翅片和热管之间的面积：
A2=π∙do∙(1-nf∙δf)
=0.063 m2
烟气侧管外每米长的热管的管外总面积：
A3=A1+A2=0.62+0.063=0.683 m2
6) 算出烟气侧的管外有效对流换热系数
hf'=hf∙(A2+ηfh∙A1)A3
=62.3×0.063+0.8×0.620.683
=51 w/(m2∙℃)
算出冷流体管外有效对流换热系数
hc=hfc∙AcAc=hfc=3435 w/(m2∙℃)
7) 算出总传热系数
参考《热交换器原理与设计》，可查得烟气污垢热阻ε= 0.001 m2∙℃/w 。因此，管壁的导热热阻为
ε'=do2λ∙lndodi=4×10-5 m2∙℃/w
K=11hf∙β+ε'+ε'lhlc+1hflhlc+ε
=1（151×8.7+4×10-5+4×10-5×3+33435+0.001）
=233.3 w/(m2∙℃)
3.4 确定烟气侧总传热面积和换热器所需要的管数
1）算出传热量
Qh=V∙ρf∙cp(t1-t2)
=400003600×0.608×1.125×220℃
=1672 kw
由于热平衡，并且考虑到6%的综合热损
Qc=Qh∙1-6%=1571.68 kw
2) 确定对数平均温差∆t2，420℃→200℃120℃←120℃，忽略其预热过程，因此
∆t2=∆tmax-∆tminln∆tmax∆tmin
=300℃-80℃/ln300℃80℃
=166.4 ℃
3) 确定烟气侧的总传热面积A'和换热器所需要的管数m
A'=(Qh+Qc)2∙K∙∆t2
=[(1672+1571068)×103]/(2×233.3×166.4)
=41.8 m2
m=A'π∙do∙lh
=41.8(3.14×0.025×1.5)
=354.9
应取整 m=355 根

3.5 确定管排数
N=mB=35526=13.6 取整N=14 排
按之前说的，以正三角方式排列，即以26、25依次排列，这样总共的管数应该是 N=357

4 流阻计算
4.1 确定烟气侧的流阻
对于圆形翅片管，使用Robinson和Briggs公式
先求出烟气侧摩擦系数
f=37.86∙(do∙Gmaxηf)-0.316(S'do)-0.927
=37.86×(0.025×4.33228.6×10-6)-0.316(0.070.025)-0.927
=0.68
烟气侧的压力降
∆Ph=f∙N∙Gmax22∙ρf=0.68×15×4.3322×0.608=157.3 pa

4.2 确定引风机的功率增量
P=(∆Ph∙V)η=157.3×400003600×0.9=1942 w
𝜂 为电动机效率，通常取0.9。