换热器设计.doc

换热器设计

题 目：烟道平滑钢管换热器设计

学生姓名：_____刘冰滔_____

指导老师：_ _陈红荣_________

学 院： ___能源科学与工程学院_

专业班级： ______能动1202______

2015年1月17日

摘要
烟道式换热器由于无金属外壳，一般被预热的空气或煤气在管内流动，烟气一般以水平烟道一行程贯通换热器（列管），换热器宜垂直烟气流动方向组成正交式流动。考虑换热器的膨胀，一般单个行程换热管的长度的1.5至2.0为宜，根据换热管的需要可组成2n个行程。
出于不同的目的，换热器的热计算可分为设计计算和校核计算两种。设计计算以求取换热器所需传热面积为目的的计算；校核计算以求取换热器在非设计工况下技术性能为目的的计算。 
换热器计算中有8个基本参数，即：冷热流体；冷热流体的出口温度；冷热流体的传热量；传热面积。不同的计算目的所给定的计算条件也不同，一般情况下，对于设计计算应给定冷热流体的温度，流量。计算主要目的是求取换热面积。而对于校核计算，则根据换热面积求取冷流体的出口温度。

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目录

一、设计任务书 3
（一）设计任务 3
（二）设计条件 3
（三）设计工作要求 3
二、确定设计方案及相关计算 4
（一）换热器选型 4
（二）换热器结构初步确定 4
三、换热器的热计算.............. .........6
四、换热器温度校验 13
五、流体流动压降计算 14
六、换热器技术性能 17
七、总结 18
八、参考文献 20

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设计任务书
一、 设计任务
设计一个色熔炼炉烟气余热加热水的烟道平滑钢管换热器。
二、设计条件
(1)入换热器的平均烟气标况流速：=1.8（）
(2) 入换热器的烟气温度： =680（℃）
(3) 入换热器的空气标况流量：vh=1.8(m3/s)
(4) 入换热器的空气温度：t入=20℃
(5) 出换热器的空气温度：t出=360℃
(6)地下水平烟道的断面尺寸：W×H1000mm×1700mm
(7)烟气成分：
成分（V/V）

O

%
16.0
0.47
11.1
1.13
71.30
三、设计工作要求
(1)确定换热器结构
(2)换热器热计算（包括设计计算与流体出口温度校验计算）
(3)流体流动压降计算
(4)换热器技术性能
(5)总结
(6)附录 换热器总图（1#）

确定设计方案及相关计算

（一）换热器选型
(1)因为被预热的介质是空气，所以可以选择结构简单、密封性好的列管式换热器。
(2)烟气温度是680℃应选用抗氧化耐热金属。
(3)烟气成分里含有少量SO2，换热器材质选用考虑烟气的高温和底纹腐蚀，故采用含Cr、Ni量少的耐热金属。
经以上分析采用抗氧化金属制造的列管式换热器，金属材料为耐热球墨铸铁RQTSi4(GB/T 9437-1988，GB/T 13295-2003)。
（二）换热器结构初步确定
1、流道安排，流动方式
烟道式列管换热器由于无金属外壳，一般预热的水在管内流动，烟气在管外流动。考虑到烟气压降不可能太大，烟气一般设计水平烟道以一行程贯通换热器（列管），换热器宜垂直烟气流动方向组成正交式流动。由于换热器设置在水平烟道内，烟气与水设计成正交逆流流动，受到高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1-2n行程，即烟气为1行程，空气为2n行程。
2、换热管的规格
选用Φ25mm×2.5mm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，管群按顺排方式排列。取空气在管内的流速ωw=0.54m/s,管内径di=0.02m，其流通截面积f0=0.000314m2。
一个行程空气侧需要的流通面积：

一个行程需要的换热管根数：

烟道断面宽度W=1.0m，取管中心距S1=S2=2d=2×0.025=0.05m,则在其宽度上排列的换热管列数为：
取为20
则排数

一个行程钢管排列方式如下图所示：

三、换热器的热计算

在换热器热计算中，假定换热器无热损失，两流体在换热器中无流量损失，无相变，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℃被加热到360℃从烟气所吸收的热量。由于相应温度下水的比热容和密度分别为：
c空1=103J/（.K) c空2=103J/（.K)
ρ=1.29Kg/ ρ=1.29kg/
则有效换热量为：
Q=vh（t0c2-t1c1)
= 49028W
2、 烟气出口温度的确定
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为=100℃，该温度下烟气各成分的比热容为：

则此时烟气比热为=
=1.387

700℃的烟气各成分的比热容为：

则此时烟气比热为
=
=1.51
按照热平衡求出：
===99.36℃100℃
与原先假定的出口温度=100℃相差小于1％，故可确定烟气的出口温度为=100℃
（3） 流体对数平均温差△
逆流时流体在换热器入口和出口的温差分别为：
△=
△
则流体对数平均温差为：
△=272.08℃
查图4-7，正交逆流时的温差修正系数。则对数平均温差为：

(4) 管内空气侧传热系数a空

空气的平均温度：
t平=（20+360）/2=190oc
空气在管内流动的雷诺数：

雷诺数大于，可知，水在管内属于湍流
其换热系数按关联式
则
（5） 管外烟气侧传热系数
由于管群为正方形排列，其在垂直烟气流向断面上的换热管长度为L=1.6m，故管群最窄面积为：

管群最窄截面处烟气流速为：

烟气平均温度为：
对正方形排列的管群的当量直径为：

烟气流动的雷诺数为：

可知，烟气雷诺数，烟气对管群的换热系数可按公式（4-21B）算：
其中为管群排列补正系数，查表3-14可得
为管列数补正系数，查表3-13可得
为流体冲角补正系数，查表3-10可得
为温度换算系数，
按计算
经查表得

所以

烟气辐射换热系数
对于=排列的管群，烟气辐射有效射线长度为,按烟气成分在烟气平均温度400℃和壁温250℃，时，查图3-16，图3-17得：
， 400℃
， 250℃
则烟气在400℃的辐射率为：
烟气在250℃的辐射率为：
则系统的辐射率为：

则烟气对管群的辐射换热系数为：

则烟气侧的传热系数为：
==47.01+1.17=48.18
总的传热系数：
不考虑管壁及污垢热阻时，换热器总传热系数为：

传热表面积

考虑换热器运行后的污垢和适当的富裕系数，最后确定换热器的传热表面积为：

空气侧行程数的确定
的换热管以外径计的每米长的表面积为f=0.079，在一个行程内排L=1.6m的换热管的根数为80根，则一个行程具有的换热面为：，则换热器的行程数为，取为32
因此，换热器的传热面积为

换热器壁温计算
换热器平均温度按下式计算：

与原先假设相差，故可认为壁温为242.18℃
对于逆流式换热器因最高壁温处于高温流体入口端，因此需计算最高壁温，计算方法同上，只是采用入口端的各个有关参数，计算入口端的两流体的传热系数，按上式计算壁温的公式求出最高壁温。计算过程如下：
水在烟气入口端的温度为50℃，则有

则

在700℃时，

查表得，此时
表3-14
表3-13
表3-10

所以

查图3-16、3-17，得
700℃时
250℃时
则

系统辐射率为：

则烟气对管群的辐射传热系数为：

故烟气侧传热系数为：
则最高壁温为：

流体出口温度验算：
若保持烟气入口条件及水流量不变，则换热器运行初期会因换热器表面积增加而导致水出口温度高于设计值。具体数值经过验算确定如下：
1） 水出口温度验算
水的水当量:

烟气的水当量：
查得，400℃是烟气各成分比热分别为：

故

水当量之比：
对于水
对于烟气
热传递单元数：
对水为
对烟气为
对正交逆流32行程换热器，换热器温度效率查表得:E=0.077，则水出口温度为：

烟气出口温度验算：

流体流动压降的计算：
（1） 水的压降
1） 摩擦压力损失
水的平均温度为
管内水的雷诺数为，属于湍流，则其摩擦阻力系数按下式计算（查附表6-1）：

水在内的流速，其摩擦压力损失按下式计算：

2） 形阻压力损失
按圆管入口查《有色冶金炉设计手册》附录表6-6得水入口局部阻力系数为：

水出口局部阻力系数为：

水在水室内转180°的局部阻力系数为：

换热器水入口与出口的温度补偿系数按下式计算：

换热器内水侧阻力系数为：

水侧形阻压按《有色冶金炉设计手册》公式（4-45A）计算为：
则换热器水侧压降为：

烟气侧压降
沿烟气流动方向管群的总排数为：
Z=nM=32128排
烟气平均温度，烟气流动雷诺数管中心距S1=S2=2d=2×0.025=0.05m，换热管的对角线中心距为：

由于

则烟气流过管群的阻力系数按下式计算：

温度补正系数按公式为：

则烟气流过管群的压降为：

换热器计算结果汇总：
序号
名称
数值
1
传热表面积/
327.69
2
烟气标况流量/
1.8
3
烟气入口温度/℃
680
4
烟气出口温度/℃
100
5
空气标况流量/
1.4
6
空气入口温度/℃
20
7
空气出口温度/℃
360
8
空气的标况流速/
0.54
9
空气侧传热系数/
26.7
10
烟气侧传热系数/
48.18
11
总传热系数/
20.83
12
最高管壁温/℃
453.96
13
换热管规格/mm

14
高温端换热管质
RQTSi4
15
换热管长度/m
1.6
16
换热管长度/根
400
17
空气压降/
288.02
18
烟气压降/
167.42

总结
本次设计的换热器的利用700℃的烟气对空气进行预热。换热器多适用于烟道内，结构大致由换热管和换热箱组成。包括由多根换热管两端分别插入上管板和下管板组成的管束，换热管中为水的流道，管束的多个换热管间为烟气流道，管束通过连接集合箱使空气依次从多组管束的换热管中流过。
由计算结果可知，按照所给的条件进行的换热器设计，其行程将达到32个，这会比常用的换热器所占的空间要大得多，明显不适合工业上使用。分析后认为原因主要在于所给的水流量太大，参考另外一个同学的的做法，其将所给的水流量缩减10倍以后，得出行程为10，是较合理的行程数值。另外，水流量过大，直接导致了所需要的换热器面积过大、水的压降也以惊人的数值出现。这也反映了700℃的烟气对于预热水来说，明显是不足的，即所给条件的换热器不适于用来预热水，而是较适于预热空气。若对空气进行预热，烟气温度应在1000℃以上为宜。
本次换热器设计，由于时间上与复习及考试冲突，导致没有足够的时间将水的流量进行修改后进行进一步的计算，从而得出较为满意的数值，但是仍然从这次设计中收获了很多 。对于个人对问题的分析能力、查找资料的能力、与他人共同探讨问题解决问题的能力都是一次大的考验以及提升。

参考文献
[1] 机械工程手册电机工程手册编辑委员会.机械工程设计手册（动力设备卷）(第二版). 北京:机械工业出版社,1997
[2] 余建祖.换热器原理与设计.北京:北京航空航天大学出社,2006
[3] T.Kuppan.换热器设计手册.北京:中国石化出版社,2004
[4]工业炉用热交换装置.北京:冶金共轭出版社,1986

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