換熱器設計報告.doc

中南大學課題設計說明書課 題 煙道式光管鋼管換熱器_ 學 院 能源科學與工程學院_ 學生姓名 尹亞平_ 指導教師_ _專業(yè)班級 _熱動1002_ 學 號 1003090321_ 2011年 01月07日目錄一 設計任務書 3二 確定設計方案及相關計算 4三 換熱器的熱計算 6 四 換熱器溫度校驗 12 五 流體流動壓降計算 14 六 換熱器技術性能 17 七 總結 18九 參考文獻 19 一 設計任務書（1） 設計任務設計某一有色熔煉爐煙氣余熱加熱助燃空氣的煙道式光管鋼管換熱器。（二）設計條件（1）地下水平煙道的斷面尺寸：（2）煙氣成分（V/V, %）CO2SO2H2OO2N2成分(V/V)%5,856.703.704.6579.101） 入換熱器的平均煙氣標況流量：Vh=1.94m3/s;2） 入換熱器煙氣溫度：th,i=640；3） 入換熱器空氣標況流量：Vc=1.53 m3/s;4） 入換熱器空氣溫度：th,i=20；5） 出換熱器空氣溫度：th,o=340；（三）設計工作要求： （1）確定換熱器結構：（2）換熱器熱計算（包括設計計算與流體出口溫度校驗計算）（3）流體流動壓降計算（4）換熱器技術性能（5）總結（6）附錄 換熱器總圖（1#）二 確定設計方案及相關計算（一）換熱器選型（1） 因為被預熱的介質(zhì)是空氣，所以可以選擇氣密性好的列管式換熱器。（2） 煙氣溫度是820應選用抗氧化耐熱金屬。（3） 煙氣成分里含有大量SO2，換熱器材質(zhì)選用考慮煙氣的高溫和底紋腐蝕，故采用抗氧化的 耐熱金屬。經(jīng)以上分析采用抗氧化金屬制造的列管式換熱器。（二）換熱器結構初步確定（1） 流道安排，流動方式煙道式列管換熱器由于無金屬外殼，一般預熱的空氣在管內(nèi)流動，煙氣在管外流動。考慮到煙氣壓降不可能太大，煙氣一般設計水平煙道以一行程貫通換熱器（列管），換熱器宜垂直煙氣流動方向組成正交時流動。由于換熱器設置在水平煙道內(nèi)，煙氣與空氣設計成正交逆流流動，受到高1700mm的限制，空氣每個行程的換熱管有效長度初步設定為1600mm，換熱器設計成12n行程，即煙氣為1行程，空氣為2n行程。（2） 換熱管的規(guī)格選用熱軋無縫鋼管，規(guī)格滿足要求。 （3） 換熱管排列考慮清灰方便，管群按正方形排列，并取管中心距取空氣在管內(nèi)的表狂流速管內(nèi)徑，其流通截面積一個行程空氣側需要的流通面積一個行程需要的換熱管根數(shù)N=f/f0=煙道斷面寬度B=1.392m。則在其寬度上排列的換熱管列數(shù)為：m= =10(列)順煙氣流向排列M排，則 (排） 圖1-1 一個行程管群排列圖三 換熱器的熱計算在換熱器熱計算中，假定換熱器無熱損失，兩流體在換熱器中無流量損失，無相變，比熱容不變，僅有顯熱變化。（1） 有效換熱量Q所謂有效換熱量是指空氣從20被加熱到380從煙氣所吸收的熱量。由于相應溫度下空氣的比熱容分別為和則有效換熱量為： （2） 煙氣出口溫度確定根據(jù)熱平衡方程，在換熱器內(nèi)空氣的吸熱等于煙氣的放熱。首先假定煙氣出口溫度450,比熱容，按熱平衡求出：由于與原先假定的出口溫度相差小于4%故，可確定煙氣出口溫度是（3） 流體對數(shù)平均溫差逆流式流體在換熱器入口和出口的溫差分別為：則流體平均對數(shù)溫差為：查有色冶金爐設計手冊第四章有關表格得正交逆流時的溫差補正系數(shù)，則對數(shù)平均溫差為：（4） 管內(nèi)空氣側的傳熱系數(shù)空氣在管內(nèi)的標況流速： 空氣平均溫度： 空氣在管內(nèi)流動的雷諾數(shù)：由于雷諾數(shù)小于,可知空氣在管內(nèi)屬湍流狀態(tài)，其傳熱系數(shù)可按公式計算，當時，查有色冶金爐設計手冊第三章有關表格有.設管壁平均溫度則：對于直管，系數(shù),帶入數(shù)值后得：（5） 管外煙氣側傳熱系數(shù)1）煙氣對流傳熱系數(shù)管群為正方形排列的管群在春至煙氣流向斷面換熱管長度L=1.6m,管群在最窄截面積為： 管群最窄界面處煙氣流速為： ，煙氣的平均溫度：對于正方形排列的管群的當量直徑為： 煙氣流動的雷諾數(shù)為：由于煙氣雷諾數(shù)，煙氣對管群的對流傳熱系數(shù)可以按如下的公式計算：當時，查有色冶金爐設計手冊第三章有關圖表得，,煙氣垂直流過帶入數(shù)值后得煙氣對流傳熱系數(shù) 2）煙氣輻射傳熱系數(shù)對于排列的管群，煙氣輻射的有效射線長度按煙氣成分，在煙氣的平均溫度下查有色冶金爐設計手冊第三章有關表格得煙氣在自身溫度下和壁溫下的輻射率為：因此，系統(tǒng)的輻射率為：煙氣側的傳熱系數(shù)為：（6）總傳熱系數(shù)K不考慮壁管及污垢熱阻時，換熱器的總傳熱系數(shù)為：（7）傳熱表面積 考慮換熱器運行后的結垢和留有適當?shù)母辉Ｏ禂?shù)，最后確定換熱器的傳熱表面系數(shù)為： （7） 空氣側行程數(shù)的確定的換熱管以外徑每米長的表面積為，在一個行程內(nèi)排的換熱管根數(shù)根，則一個行程具有的換熱面為：，則換熱管的行程數(shù)為，取行程。因此，換熱器的傳熱面積為：（8）換熱器壁溫計算換熱器平均壁溫按下式計算： 與前面的計算過程所假設的相差小于10%，故可認為壁溫對于逆流式換熱器因最高壁溫處于高溫流體的入口端，因此，需計算最高壁溫，計算方法同上面的計算，只是采用入口端的各有關參數(shù)，計算出口入口端的兩流體的傳熱系數(shù)，按上面的計算壁溫的公式求出最高壁溫，經(jīng)計算，高溫流體入口端煙氣側和空氣側的傳熱系數(shù)分別為：則管壁最高溫度為： 四 換熱器溫度校驗換熱器傳熱計算時流體平均溫差分別是以煙氣入口和出口，空氣入口和出口，而煙氣和空氣的流量分別是和等基本參數(shù)求出換熱表面積，考慮換熱器運結垢行后的影響并留有適當富裕，致使換熱表面積增加到。若使煙氣入口條件及空氣流量不變，則換熱器運行初期會因換熱表面積增加而導致空氣出口溫度高于設計值。具體數(shù)據(jù)經(jīng)驗算確定如下：（1）空氣出口溫度校驗空氣水當量：煙氣水當量：水當量之比：對空氣為：對煙氣為： 熱傳遞單元數(shù)：對空氣為：對煙氣為： 對正交逆流4行程換熱器，換熱器溫度效率按公式計算為： 則空氣出口溫度為： 驗算結果空氣出口溫度與設計要求基本相符。（2）煙氣出口溫度驗算： 煙氣出口溫度為： 與熱計算預先設定的435相近。五 流體流動壓降計算：壓降計算示意圖見圖：圖5-1（1） 空氣流動壓降1） 摩擦壓損 空氣平均溫度為： 管內(nèi)空氣流動雷諾數(shù)，屬湍流流動，其摩擦阻力系數(shù)為： 空氣在管內(nèi)的流速，其摩擦壓損按公式計算： 2） 形阻壓損空氣入口漸近段: ，查有色冶金爐設計手冊附錄六得其阻力系數(shù)為突然擴大局部阻力系數(shù)的0.8倍，而突擴阻力系數(shù)為：,則入口漸闊的阻力系數(shù)為：。空氣的出口漸縮段由于 ，出口收縮角查有色冶金爐設計手冊附錄六得漸縮局部阻力系數(shù)為：換熱管入口的局部阻力系數(shù)，換熱管出口，空氣在空氣室內(nèi)轉(zhuǎn)180的局部阻力系數(shù)，換熱器空氣入口與出口的溫度補償系數(shù)按下式計算：換熱器內(nèi)空氣側阻力系數(shù)為：空氣側形阻壓按公式計算為：則換熱器空氣側壓降為：（3）煙氣側壓降沿煙氣流動方向管群的總排數(shù)：（排）煙氣平均溫度，煙氣流動的雷諾數(shù)，換熱管的對角線中心距為：由于則煙氣流過管群的阻力系數(shù)按以下公式計算：溫度補正系數(shù)按公式為：則煙氣流過管群的壓降為：六 換熱容器技術性能鋼管換熱器技術性能序號名稱數(shù)值序號名稱數(shù)值1傳熱表面積8410煙氣側傳熱系數(shù)49.72煙氣標況流量1.9411總傳熱系數(shù)22.53煙氣入口溫度64012最高管壁溫5104煙氣出口溫度42013換熱管規(guī)格5空氣標況流量1.5314高溫段換熱管質(zhì)Cr18Ni96空氣入口溫度2015換熱管長度1.607空氣出口溫度34016換熱管根數(shù)/根2808空氣標況流速9.9417空氣壓降31629空氣側傳熱系數(shù)41.218煙氣壓降91.5七 總結這次換熱器的課程設計從設計上來看，我設計的換熱器基本符合工業(yè)上用的換熱器，換熱器多適用于煙道內(nèi)，結構大致由換熱管和換熱箱組成。包括由多根換熱管兩端分別插入上管板和下管板組成的管束，換熱管中為空氣流道，管束的多個換熱管間為煙氣流道，管束通過連接集合箱使空氣依次從多組管束的換熱管中流過。我設計的煙氣溫度是，比實際氣體要低，所以各種參數(shù)的選擇與實際情況有些許差別。在換熱器的設計的過程中，我們自己由于有知識上的局限，造成了設計上的不準確。在利用煙氣成分計算其比容時，只是算書一個大概的比容，沒有達到精確的程度；在利用煙氣成分查圖求得其輻射度的問題上，由于方法的不同和圖表的不清楚及自己在判斷上的誤差，造成了輻射度問題的誤差；在一些計算過程中，我們都采用了四舍五入的方法求得值，這樣也回使我的計算存在很大的問題。從設計結果可看出，若要保持總傳熱系數(shù)，溫度越大、換熱管數(shù)越多，這主要是因為空氣的出口溫度增高，總的傳熱溫差下降，所以換熱面積要增大，才能保證Q和K.因此，換熱器尺寸增大，金屬材料消耗量相應增大.通過這個設計，我們可以知道，為提高傳熱效率，降低經(jīng)濟投入，設計參數(shù)的選擇十分重要.最后，這次的換熱器課程設計自己換了很多的時間來研究它，因為以前自己只有一個感性的認識，現(xiàn)在要我們設計一個東西，很難。于是，從圖書館借書，借一些相關計算的例題來弄清楚它的具體的計算方法，找老師問一些基礎的問題之后自己在慢慢的學會假設，計算，校驗。最終在自己的努力和老師的幫助下，做完了課程設計。這次的換熱器設計上，自己學到了很多的東西：掌握了查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻中和從生產(chǎn)現(xiàn)場中搜集)的能力；培養(yǎng)了迅速準確的進行工程計算的能力；學會了用簡潔的文字，清晰的圖表來表達自己設計思想的能力，從而是自己的學習知識能力得到了