管組式(鳥籠式)換熱器設(shè)計(jì)書

1、換熱器課程設(shè)計(jì)中南大學(xué)課題設(shè)計(jì)說明書課 題管組式（鳥籠式）換熱器學(xué) 院能源科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)生姓名*指導(dǎo)教師*專業(yè)班級*學(xué) 號*年 *月*日管組式（鳥籠式）換熱器設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)條件1 入換熱器的平均煙氣標(biāo)況流量：Vh=0.95 m3/s;2 入換熱器煙氣溫度：th.i=1200 ；3 入換熱器空氣標(biāo)況流量：Vc=0.80 m3/s;4 入換熱器空氣溫度：tc.i=20 ；5 出換熱器空氣溫度：tc.o=440 ；6 煙氣成分表0 煙氣成分成分CO2SO2H2OO2N2(V/V)%12.01.5110.01.1175.387 換熱管直徑。目 錄1緒論12結(jié)構(gòu)初步計(jì)算22.1 管組圓筒直徑22. 2

2、煙氣通道直徑23熱力計(jì)算33.1熱負(fù)荷計(jì)算33.2煙氣出口溫度的計(jì)算33.3對數(shù)平均溫差確定43.4空氣側(cè)傳熱系數(shù)的計(jì)算53.5煙氣側(cè)傳熱系數(shù)計(jì)算53.5.1煙氣入口端輻射傳熱系數(shù)53.5.2煙氣出口端輻射傳熱系數(shù)83.5.3煙氣平均傳熱系數(shù)103.6總傳熱系數(shù)K103.7傳熱表面積F103.8管組圓筒高度103.9核算管的入口系數(shù)kL104校驗(yàn)計(jì)算114.1空氣出口溫度114.2修正計(jì)算124.2.1誤差分析124.2.2強(qiáng)化換熱124.3壁溫計(jì)算134.3.1平均壁溫134.3.2煙氣入口處壁溫134.3.3煙氣出口處壁溫135流體流動壓降計(jì)算145.1空氣側(cè)壓降145.1.1空氣側(cè)摩擦壓

3、損145.1.2空氣側(cè)形阻壓損145.1.3空氣側(cè)總壓降145.2煙氣側(cè)壓降156換熱器技術(shù)性能157總結(jié)16參考文獻(xiàn)171緒論換熱器作為一種熱交換設(shè)備廣泛用于動力、交通、石油化工、冶金等工業(yè)領(lǐng)域。根據(jù)不同的用途，其種類及結(jié)構(gòu)繁多。輻射換熱器指熱流體以輻射方式傳熱為主的換熱器。同對流式換熱器相比具有釋熱率（熱負(fù)荷）高、冷流體加熱溫度高、表面溫度與受熱介質(zhì)加熱溫度之間的差值較小、以及熱流體流道不易被堵塞等優(yōu)點(diǎn)。適用于熱流體溫度高于1000、冷介質(zhì)加熱溫度高于600以及熱流體含塵較高的場合，一般有色熔煉爐煙氣余熱利用多為采用。其缺點(diǎn)是外形尺寸較大，換熱器出口溫度仍然較高，一般需在后面再安裝對流式換

4、熱器，以進(jìn)一步回收煙氣的余熱。輻射換熱器常常采用兩種結(jié)構(gòu)形式，即：環(huán)縫式（又稱夾套式）和管組式（又稱鳥籠式）。管組式輻射換熱器又可分為圓柱式、屏蔽式和螺旋式三種。通常它采用許多小直徑的管子代替環(huán)縫通道，這樣可以提高換熱器的嚴(yán)密性和高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。2結(jié)構(gòu)初步計(jì)算2.1 管組圓筒直徑取空氣在管內(nèi)標(biāo)況流速c=16m/s，換熱管的流通截面積f0=0.00096m2，管組圓筒采用的管子根數(shù)為： （2-1）曲管中心距離S1=84mm，則管組圓筒的直徑為： （2-2）2. 2煙氣通道直徑取煙氣通道通道內(nèi)壁距管中心距離： （2-3）則煙氣通道內(nèi)徑為： （2-4）煙氣通道斷面積為： （2-5）煙氣標(biāo)況流速為： （

5、2-6）3熱力計(jì)算3.1熱負(fù)荷計(jì)算查參考文獻(xiàn)1的附表3-8可得一個(gè)溫度梯度下濕空氣的平均比熱容（見表3-1）。因平均比熱容隨溫度的升高變化不太劇烈，把每個(gè)區(qū)間的比熱容近似看做線性關(guān)系。表3-1濕空氣的平均比熱容 (單位：KJm-3K-1) 溫 度0100200300400500平均比熱容1.3231.3271.3361.3441.3561.369當(dāng)t=20時(shí)，cc.i=(1.327-1.323)×0.2+1.323=1.324（KJm-3K-1）當(dāng)t=440時(shí)，cc.o=(1.369-1.356)×0.4+1.356=1.360（KJm-3K-1）則將空氣由20加熱到440

6、的有效熱負(fù)荷為： （3-1） 3.2煙氣出口溫度的計(jì)算查參考文獻(xiàn)1的附表3-10得煙氣成分比熱容表。表3-2 煙氣成分比熱容 （單位：KJm-3K-1） 溫 度CO2SO2H2OO2N22001.7881.8881.5241.3361.2983001.8631.9551.5411.3571.3064001.932.0141.5661.3771.3155001.9892.1391.5911.39813276002.0432.1141.6161.4151.347002.0892.1521.6411.4361.3528002.0982.1811.6691.4491.3659002.1692.2151

7、.6961.4651.37710002.2022.2361.7251.4781.39011002.2362.2611.7501.4911.40312002.2652.2781.7751.5031.415若不考慮熱損失，根據(jù)熱平衡空氣的吸熱等于煙氣的放熱。設(shè)煙氣出口溫度th.o=920，在每個(gè)區(qū)間內(nèi)把比熱容近似看做線性變化。表3-3 920煙氣成分比熱容 （單位：KJm-3K-1） 溫度CO2SO2H2OO2N29202.17562.21921.70181.46761.3796則：ch.o=2.1756×12% + 2.2192×1.51% + 1.7018×10.

8、0% + 1.4676×1.11% + 1.3796×75.38%=1521J/m3，煙氣入口溫度th,i=1200，其比熱容計(jì)算得1567J/m3，根據(jù)熱平衡式計(jì)算煙氣出口溫度為： （3-2）與假定920基本相等，故確定出口溫度=920。3.3對數(shù)平均溫差確定煙氣與空氣為順流流動，煙氣進(jìn)、出口處兩流體的溫差為：進(jìn)口處 出口處 由于/=2.57>2，故取對數(shù)平均溫差 （3-3）3.4空氣側(cè)傳熱系數(shù)的計(jì)算空氣平均溫度為：tc.m=(440+20)/2=230空氣流動雷諾數(shù)為（）： （3-4） 可知空氣在管內(nèi)屬湍流流動。按L/d>50，則補(bǔ)正系數(shù)kL=1.0。設(shè)管壁

9、溫度tw=750()，溫度補(bǔ)正系數(shù)k't=(Tg/Tw)0.5=(230+273)/(750+273)0.3=0.70 （3-5）由參考文獻(xiàn)1式4-18A得，空氣側(cè)的傳熱系數(shù)： （3-6）3.5煙氣側(cè)傳熱系數(shù)計(jì)算由于煙氣側(cè)對流傳熱系數(shù)所占份額很小可或略不計(jì)，僅計(jì)其輻射傳熱部分，并對進(jìn)口，出口端分別計(jì)算然后取平均值。3.5.1煙氣入口端輻射傳熱系數(shù)煙氣有效射線長度為： （3-7）由表0得煙氣成分：CO2 16.0%，H2O 11.1%。當(dāng)煙氣溫度th.i1200時(shí)，查參考文獻(xiàn)1的圖3-16、3-17、3-18得：，因此可求得煙氣的黑度為： （3-8）設(shè)管組圓筒壁的黑度b=0.8，而系數(shù)按

10、公式為： （3-9）按公式可求得系統(tǒng)的黑度為： （3-10）入口處煙氣溫度th.i=1200，空氣溫度為tc.i=20 。取極大壁溫1200、極小壁溫200，等分為10個(gè)區(qū)間，分別計(jì)算出其實(shí)際壁溫，選取含預(yù)設(shè)值等于計(jì)算值的區(qū)間進(jìn)行迭代，計(jì)算得到較接近的壁溫tw.i=1014，則溫度補(bǔ)正系數(shù)為： （3-11）同式（3-6）算得煙氣入口處空氣側(cè)得對流傳熱系數(shù)為： （3-12）按參考文獻(xiàn)1式4-60、4-61求得： （3-13） （3-14）查參考文獻(xiàn)1表4-19，a=13.0已經(jīng)超出可估算f(a)的范圍。因此用表4-19的數(shù)據(jù)作出a-f(a)散點(diǎn)圖（如下），并按對數(shù)關(guān)系得到R2=0.9995的回歸

11、方程：y=-0.107ln(x)+0.7223 （3-15）圖3-1a-f(a)散點(diǎn)統(tǒng)計(jì)圖把x=a=13.0代入式（3-15），算得。則管壁溫度為： （3-16）或tw=1286.76-273=1013.76，與原假定的1014基本接近，故可按tw.i=1014進(jìn)行下一步計(jì)算。當(dāng)煙氣溫度為壁溫tw.i=1014時(shí)，查參考文獻(xiàn)1的圖3-16、3-17、3-18分別得：。則由式（3-8）得煙氣的黑度為： （3-17）按下式計(jì)算得出煙氣入口處的輻射傳熱系數(shù)為： （3-18）3.5.2煙氣出口端輻射傳熱系數(shù)當(dāng)煙氣溫度th.i900時(shí)，查參考文獻(xiàn)1的圖3-16、3-17、3-18分別得：，。則由式（3-

12、8）得煙氣的黑度為： （3-19）設(shè)管組圓筒壁的黑度b=0.8， 按式（3-10）可算得系統(tǒng)的黑度為： （3-20）出口處煙氣溫度th.o=900，空氣溫度為tc.o=440。設(shè)壁溫tw.o=720，則由式（3-11）得溫度補(bǔ)正系數(shù)為： （3-21）同式（3-6）算得煙氣入口處空氣側(cè)得對流傳熱系數(shù)為： （3-22）同式（3-13）得： （3-23）同式（3-14）得： （3-24）查參考文獻(xiàn)1的表4-19得。同式（3-16）得管壁溫度為： （3-25）或tw=995-273=722，與原假定的720基本接近，故可按tw.o=720進(jìn)行下一步計(jì)算。當(dāng)煙氣溫度為壁溫720時(shí)，查參考文獻(xiàn)1的圖3-1

13、6、3-17、3-18得：，。同式（3-8），則煙氣的黑度為： （3-26）按下式計(jì)算得出煙氣入口處的輻射傳熱系數(shù)為： （3-27）3.5.3煙氣平均傳熱系數(shù)這里僅考慮輻射傳熱系數(shù)： （3-28）3.6總傳熱系數(shù)K （3-29）3.7傳熱表面積F （3-30）3.8管組圓筒高度查表可知換熱管每米長加熱表面積（按外徑計(jì)），則管組圓筒高度為： （3-31）3.9核算管的入口系數(shù)kL換熱管長度L=H=2.29m，管內(nèi)徑，此時(shí)，計(jì)算空氣側(cè)對流換熱系數(shù)時(shí)的管段入口系數(shù)，故前面空氣對流傳熱系數(shù)o計(jì)算時(shí)假定是正確的，不需再算。4校驗(yàn)計(jì)算4.1空氣出口溫度當(dāng)空氣溫度時(shí)，同3.2節(jié)易計(jì)算比熱容為：，其水當(dāng)量為：

14、 （4-1）當(dāng)煙氣平均溫度為時(shí)，同3.2節(jié)易計(jì)算比熱容，其水當(dāng)量同式（4-1）為： （4-2）水當(dāng)量之比為： （4-3）換熱器空氣側(cè)的熱傳遞單元數(shù)為： （4-4）換熱器空氣側(cè)傳熱有效度Ec（順流式）為： （4-5）則，空氣出口溫度為： （4-6）煙氣出口溫度： （4-7）比傳熱計(jì)算中假定的900低8，誤差0.9%(<4%)，故熱計(jì)算認(rèn)可。但空氣出口溫度425與440偏差較大，即該換熱器的換熱效果達(dá)不到設(shè)計(jì)值，需要加強(qiáng)換熱。4.2修正計(jì)算原創(chuàng)4.2.1誤差分析式（4-6）中空氣出口溫度tc.o僅受傳熱有效度Ec單變量影響。分析式（4-5）、（4-3），發(fā)現(xiàn)Ec /(NTU)c為定值，即Ec

15、僅受(NTU)c影響而改變。由式（3-30）和（4-1）可知，KF、Wc均恒定。因此，換熱效果不達(dá)標(biāo)與設(shè)計(jì)計(jì)算中設(shè)定的幾個(gè)溫度無關(guān)。4.2.2強(qiáng)化換熱從理論上分析，強(qiáng)化換熱可以增加換熱面積，增加換熱時(shí)間，提高換熱效率等。可以通過加長換熱管，實(shí)現(xiàn)增加換熱面積的目的；降低空氣流速，使換熱更持久。下面選擇前者進(jìn)行修正。將管組圓筒高度提升為原來的1.07倍，即得式（3-31）的修正公式： （4-8）修正后：有效熱負(fù)荷為：Q=489563.5（W）傳熱表面積F：F=16.85（m2）熱傳遞單元數(shù)：(NTU)c =0.564傳熱有效度：Ec=0.358空氣出口溫度：Tc.o=441.9驗(yàn)算結(jié)果表明，空氣出

16、口溫度441.9和煙氣出口溫度892與熱計(jì)算中的條件基本相符，傳熱表面積F=16.85m2可滿足要求。4.3壁溫計(jì)算4.3.1平均壁溫 （4-9） 4.3.2煙氣入口處壁溫 （4-10）4.3.3煙氣出口處壁溫 （4-11）材質(zhì)選型計(jì)算根據(jù)最高壁溫983換熱管材質(zhì)選1Cr16Ni35。5流體流動壓降計(jì)算5.1空氣側(cè)壓降5.1.1空氣側(cè)摩擦壓損空氣在管內(nèi)流動，其雷諾數(shù)Re=26800>20000,屬湍流流動，按公式計(jì)算可知，其摩擦壓損為： （5-1）5.1.2空氣側(cè)形阻壓損取空氣進(jìn)，出口端環(huán)形集管的阻力系數(shù)，溫度補(bǔ)正系數(shù)按公式計(jì)算為： （5-2）則空氣形阻壓損為： （5-3）5.1.3空氣側(cè)總壓降 （5-4）查參考文獻(xiàn)1的表4-1，經(jīng)核對，空氣側(cè)總壓降符合主要性能標(biāo)準(zhǔn)。5.2煙氣側(cè)壓降由于煙氣流速較小，其壓降可忽略不計(jì)。6換熱器技術(shù)性能表6-1 管組式輻射換熱器技術(shù)性能表序號名 稱數(shù) 值1傳熱表面積/m216.852流動方式順流式3空氣入口溫度/204空氣