环缝双面加热辐射换热器.docx

换热器设计——环缝（双面加热）辐射换热器
中南大学

换热器课程设计（实践）报告书
（换热器设计）

题 目
环缝（双面加热）辐射式换热器
学生姓名

指导教师

学 院

专业班级

学生学号

2015 年 12 月 26日

环缝辐射式换热器设计
摘 要
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。按热流体对冷流体传热主要方式分为对流式、辐射式、对流辐射式。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。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。
本次设计是在热交换计算原理的基础上，对其工作原理、传热计算、结构计算、流动阻力计算和设计有更深刻的理解，也对设计方法和步骤有更全面的了解。

关键词：换热器设计 环缝式辐射 双面加热 课程设计

换热器课程设计任务书

姓名

班级学号

设计题目
环缝（双面加热）辐射式换热器设计
设计起止时间
2015年12月20日 至 2016年1月2日
设计要求：
参照相关文献，严格按照指导教师指定的设计条件对环缝（双面加热）辐射式换热器进行设计，要求在规定时间内提供设计报告一份，其中包含1#图纸一张。 设计报告的组织方式、内容和格式严格按照《换热器课程设计报告文本组织及格式要求》完成。
要求在一周内完成设计计算，上交文本初稿，供教师指出问题以便修改；第二周完成工程图纸的绘制.
已知条件：
1.加热介质：
加热介质为有色冶金炉所产生的烟气。烟气状态按照成分、流量和温度的不同而不同。由于烟气成分对换热的影响不大，只选一种常见成分列出如下表所示：
CO2
SO2
H2O
O2
N2
16.0
0.47
11.1
1.13
71.30
烟气流量和温度选择如下表所示：
序号
标况流量Vh（m3/s）
进口温度（℃）
2
21
800
3.被加热介质:被加热对象为水，其状况如下表所示：
被加热流体
流量Vh（m3/s）
进口温度（℃）
出口温度（℃）
水
0.0135
20
150
设计方案简介：
本次设计我的任务是环缝式辐射换热器的设计，利用给定的已知条件，用烟气预热空气，使空气满足出口温度360摄氏度。首先进行换热器的类型选择（题目中已给出），计算出换热器的各项参数，选定材质，再进行校核计算，最后需要绘出图纸。

主要参考资料：
序号
名称及说明
1
换热器课程设计教学大纲（指导教师提供）
2
有色冶金行业常用换热器结构、设计计算特点、计算实例（指导教师提供）
3
有色冶金炉设计手册[M].冶金工业出版社.
4
杨世铭、陶文铨. 传热学(第四版)[M].高等教育出版社.
5
T.Kuppan. 换热器设计手册[M].中国石化出版社.
6
换热器课程设计报告文本组织及格式要求（指导教师提供）
7
卓越1301班课程设计任务书（指导教师提供）
8
机械工程设计手册（动力设备卷）(第二版)[M].机械工业出版社

设计时间安排
序号
工作任务内容
时间
1
获得并打印教师指定的课程设计相关资料；阅读换热器课程设计教学大纲、换热器课程设计相关资料汇编等；完成本人设计报告文本的封面和任务书；大致确定换热器结构及材料选择。
1～1.5天
2
换热器热设计计算；换热器热校验计算；流体流动压降计算
3天
3
汇总换热器技术性能；初步完成文本写作
1.5天
4
绘制换热器总图
3天
5
答疑和上课
1天

5

目录
1.设计条件 4
2．确定内外筒直径 4
（1）内筒直径 4
（2）环缝宽度 5
（3）外筒内径 5
3.热计算 5
（1）有效传热热流量（指空气所需的显热增量） 5
（2）烟气出口温度的计算 6
（3）进出口流体温差 7
（4）水侧传热系数 7
（5）烟气的传热系数 7
入口端烟气的辐射传热系数 8
‚出口端烟气的辐射传热系数 9
ƒ烟气平均辐射传热系数 11
（6）换热器的传热系数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 12
4.换热器的验算 12
（1）空气出口温度 12
（2）烟气出口温度 13
（3）壁温计算 13
平均壁温 13
‚烟气入口处壁温 13
ƒ烟气出口处壁温 13
5.流体压降计算 13
（1）空气侧压损 13
摩擦压损 14
‚形阻（局部）压损 14
ƒ空气侧压总损 14
（2）烟气侧压损 14
摩擦阻力损失 15
‚形阻损失 15
ƒ烟气侧总阻力损失 15
6.总结. 17
7.参考文献. 19

环缝式（双面加热）辐射换热器设计说明书
一、设计条件
（1）进入换热器的烟气标况流量： =21（m3/s）；
（2）换热器烟气进口温度： =800（℃）；
（3）进入换热器的水标况流量： =0.0135（）；
（4）换热器水进口温度： =20（℃）；
（5）换热器热水出口温度： =150（℃）；
（6）入换热器烟气成分（体积%）：
成分

SO2
H2O
O2
N2
％
16.0
0.47
11.1
1.13
71.30
（7）环缝内安置螺旋形导向片，螺旋节 h=1.0（m）
二、计算过程
1.确定内外筒直径
环缝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=3.0m/s通道断面为：=
(2-1)
内筒直径为
(2-2)
取内筒壁厚δ=6mm，则内筒外径:
(2-3)
（2）水夹缝宽度
取水在环缝螺旋通道内的标况=0.1，则环缝横断面积为：
(2-4)
水夹缝宽度为：
(2-5)
取烟气在夹缝中的标况流速h=3m/s，则所需横断面积：

（3）外筒内径
(2-6)
取外筒壁厚6mm，则外筒外径
烟气夹缝宽度：

三、热计算
（1）由式4-15[3]有效传热热流量（指水所需的显热增量）
(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，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热容表（单位：KJ/(m3℃)）[5]
温度
CO2
SO2
H2O
O2
N2
300℃
1.8807
1.955
1.5379
1.3583
1.3080
400℃
1.9435
2.018
1.5592
1.3796
1.3172
500℃
2.0453
2.068
1.5830
1.4005
1.3294
600℃
2.0591
2.114
1.6077
1.4152
1.3419
700℃
2.1076
2.152
1.6338
1.4370
1.3553
800℃
2.1516
2.181
1.6601
1.4529
1.3682

由式12-11[7]得比热容计算方法：

计算得下表：
表2 烟气比热容
t/℃
300
400
500
600
700
800
CP/J/(m3·K)
1428.76
1448.27
1476.37
1490.64
1511.25
1530.72
假设，其比热容=1482.78J/(m3·℃)，而烟气入口温度=800℃时其比热容为= 1530.72J/(m3·℃) ，按热平均计算得：

误差在5%可以接受，后面可以按照570℃参与计算
（3）进出口流体温差
设计采用烟气与空气顺流流动，由式4-22[3]则换热器进、出温差及对数平均温差：
(3-3)
故取对数平均温度差
(3-4)
（4）水侧传热系数
由式3-38A[3]得水平均温度为：
(3-5)
得螺旋通道当量直径：
(3-6)
水流速，水的雷诺数为：

属于湍流，传热系数系数确定如下（经验公式）：
物性集合系数

（5）烟气的传热系数
由式3-77A[3]烟气的平均温度为：
(3-14)
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
由表3-20[3]烟气在内筒内的有效射线长度为：
(3-15)
烟气的成分为：CO21.60%,SO2 0.47%,H2O11.1% 烟气入口处温度为800℃。由图3-16,3-17,3-18,3-19[3]可知:
(3-16)
则由式3-64[3]烟气的黑度为：
(3-17)
由式3-68[3]取内筒金属璧的黑度为，按公式求得系统的辐射系数为;
(3-18)
入口处环缝内水侧传热系数为：当入口水温度t=20℃，水标态流速，则入口端水传热系数为：
物性集合系数 （3-19）
(3-20)
由式4-60[3]可得：
(3-21)
由式4-61[3]
(3-22)
查表4-19[3]得，则内壁温度由式4-59[3]得
(3-23)
当烟气温度为==51℃时，查有关图表得;
(3-24)
则烟气黑度为：
(3-25)
因此由式4-18B[3]得，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=570℃，查有关图表得，
(3-27)
则烟气的黑度为：
(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)
出口处环缝内水侧传热系数为：当出口水温度=150℃，水标态流速，则出口端水传热系数为：
物性集合系数 （3-30）
(3-31)

由式4-60[3]和4-61[3]可得：
(3-32)
(3-33)
查表4-19[3]得，则内壁温度Ti=To=427K）,
=424-273=151℃。
当烟气温度为==151℃时，查有关图表（参考文献2）得;
(3-34)
则烟气黑度为：
(3-35)
因此，据式4-18B[3]得，出口处烟气的辐射传热系数为
(3-36)
ƒ烟气平均辐射传热系数
(3-37)
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：
(3-38)
（6）换热器的传热系数K
(3-39)
（7）传热表面积F
(3-40)
（8）由于是双面加热，则内筒高度：
(3-41)
取内筒高度H=15m，则换热器传热表面积为;
(3-42)
（9）核算管段入口系数KL
螺旋节距h=1.0m，螺旋直径为：
(3-43)
内同高度H=15m，螺旋圈n=H/h=15/1.0=15圈，螺旋长度(指水流程长度)为：
(3-44)
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=0.23m，则L/de>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。
四、换热器的验算
（1）水出口温度
当水温度为时，比热容为：，其水当量
据式4-29A[3]
(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，水出口温度为：
(4-6)
经验算水出口温度误差为1.33%能满足150℃的要求。
（2）烟气出口温度
(4-7)
与假定中的570℃低8℃，误差为1.4%<5%，满足出口温度570℃的要求
验算结果表明，水出口温度151℃和烟气出口温度570℃与热计算中的条件基本相符，传热表面积可满足要求。
（3）壁温计算
平均壁温
(4-8)
‚烟气入口处壁温
(4-9)
ƒ烟气出口处壁温
(4-10)
根据最高壁温，换热管材质选耐热铸钢ZG40Cr9Si2.
五、流体压降计算
（1）水侧压损
摩擦压损
由热计算知水在环缝通道内的雷诺数为35690，属于湍流状态。据式4-44[3]可推得摩擦阻力系数为：
(5-1)
按式4-43[3]公式计算摩擦阻力损失为：
(5-2)
‚形阻（局部）压损
按式4-45A[3]取进、出口环形集管阻力系数，温度补正系数：
(5-3)
按式4-45B[3]公式求得形阻损失为：
(5-4)
ƒ水侧压总损
(5-5)
（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：
(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)
ƒ烟气侧总阻力损失
(5-12)

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/m2
282
2
流动方式
螺旋顺流式
3
水入口温度/
20
4
水出口温度/
150
5
水标况流量/
0.0135
6
烟气入口温度/
800
7
烟气出口温度/
570
8
烟气标况流量/
21
9
水标况流速/
0.1
10
烟气标况流速/
3
11
总传热系数
46
12
内筒内径/mm
2900
13
内筒壁厚/mm
6
14
内筒材质
ZG40Cr30Ni20
15
外筒内径/mm
4975
16
外筒材质/g
20
17
空气侧压降/Pa
1689.6
18
烟气侧压降/Pa
82.16

六、.总结
在本次设计过程中，我遇到一个很大的问题，那就是老师所给的参考资料中对于气—液换热的介绍很少，对后面传热系数的计算造成了阻碍。而且由于所给参数的问题，第一次计算时发现所给的烟气的条件无法使水加热到所需温度，经过跟同学们讨论我们第一次降低了水温，可是后来答疑时请教老师时，老师告诉我们：如果将水温降到50℃那这次设计的意义就不大了，可以采取其他办法：降低水的流量，升高烟气温度或者增大烟气流量等。而在计算过程中我发现水所在的环缝的直径已经很小了，若是再减少水的流量，环缝直径会更小，而且水的流速也不能再降了，所以只能增大烟气的流量或者增大烟气入口温度。
第一次我改动了烟气的温度，将其升到了1400℃，这已经是上限不能再升了，但是由于辐射传热系数过小，还是无法达到要求。第一次改动失败了。第二次我改动了烟气的流量，假设烟气流速为1m/s、水流速0.5m/s，算得的换热器外径1.995m高达到了40多米，显然设计不合理。第三次改动我既升高了烟气入口温度同时也升高了烟气流量，但是压降过大，且换热器偏于高痩比例不协调，为了使后面画设计图纸时的协调准确度，所以再次改动，降低了烟气的流速，但是又引发了另一个问题：换热器的横截面积偏大而且其高度也无法再降低（要再降低高度横截面积会变更大），而且由于临近考试时间比较紧，所以最后设计结果是内筒内径为2.90m，外筒外径为4.987m，而内筒高15m，而且为了保证环缝直径不会过小水的流速也不能增加，所以筒的高度不能再降了。
设计过程中，由于所查阅的资料有限，所以设计参数可能有误差。在比热容的计算部分主要参考《有色冶金》材料中的比热容表，采用内插法计算，误差较小。后面黑度部分需要查图读数据时存在人为读数的误差。书中规定环缝辐射换热器中烟气的流速不能大于1，但是在计算过程中对它进行了改动，但总体校核符合设计要求。
经校核计算，各项误差均小于工程允许误差5%，虽然在外形的设计上还是不太协调，但是设计实践的目的达到了：通过设计的过程，我对学过的传热学，流体力学等学科有了更深层次的理解，通过这次设计，也对各类换热器的结构，相关参数，以及设计计算和校核的方法有了一定的了解。在整个设计过程中虽然反复计算了很多次数据，但是在每一次计算中都会对换热器的工作原理有一个更深层的认识。更重要的是在一次又一次的修改，计算，查找数据的过程中锻炼我对思维能力和耐心。
本次设计由于题目给定，所以没有相关的选型计算。我设计的是顺流式辐射换热器，设计步骤并不复杂，但经过多次计算和参数的改动，我知道了：采用辐射换热随着温差减小换热能力会下降，如果在高温区采用辐射式换热进行预热，在低温区则进行对流换热，效果应该会更理想。而且对于辐射换热器来说空气换热效果可能也会更好。
此次设计最大的不足是没有充分考虑外形协调性，实用性和经济性，设计结构只是满足了设定的参数，所以该换热器的使用价值不高。
通过跟老师和同学的交流探讨并经过多次改动之后终于完成了换热器设计和相关思考题的思考，虽然由于初次进行换热器设计经验有限存在很多不足，但仍然是一次受益匪浅的实践。最后，感谢陈老师的细心指导。

七、.参考文献
[1] T.Kuppan换热器设计手册[M].北京：中国石化出版社，1996
[2] 机械工程设计手册（第二版）[M].北京：机械工业出版社，1998
[3] 有色冶金炉设计手册[M].上海：冶金工业出版社，2000
[4] 杨世铭、陶文铨.传热学（第四版）[M].北京：高等教育出版社， 2008
[5] 韩昭沧.燃料与燃烧（第二版）[M].上海：冶金工业出版社，1994
[6] 沈维道、童钧耕.工程热力学（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2007
[7]有色冶金行业常用换热器结构、设计计算原理、特点、计算实例（指导教师提供）
[6]换热器课程设计教学大纲（指导教师提供）

附录

换热器总图（1＃）

附1 辐射式换热器简略示意图
25