煙道式換熱器設(shè)計(jì)

1、設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一臺利用銅精煉反射爐（燃重油）的煙氣余熱助燃空氣的煙道式光管鋼管換熱器，設(shè)計(jì)條件如下：1）如換熱器的平均煙氣標(biāo)況流速：% = L941n山2）如換熱器的煙氣溫度：1=600 C3）如換熱器的空氣標(biāo)況流量：9=1.531口代4）如換熱器的空氣溫度：1尸20c5）出換熱器的空氣溫度：%口 = 4D0C6）地下水平煙道的斷面尺寸：W*H=1392mm*1700mm7）煙氣成分（V/V , %）成分(V/V)CGjS02HQN*%5.856.703.704.6579.10換熱器結(jié)構(gòu)初步確定.流道安排、流動方式及行程確定煙道式換熱器一般不設(shè)金屬外殼，空氣在管內(nèi)流動而煙氣在管外 流動；由于換

2、熱器設(shè)置在水平煙道內(nèi)，煙氣與空氣設(shè)計(jì)成正交逆流流 動；受煙道高1700mm的限制?？諝饷總€行程的換熱管有效長度初步 設(shè)定為1600mm,換熱器設(shè)計(jì)成12n行程，即煙氣為一行程，空 氣為2n行程。.換熱器規(guī)格選用60mm 3.5 mm 熱軋無縫管，規(guī)格滿足 GB8162-87、GB8163-87 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S1 S2 2d 2 0.060 0.12 (m)。取空氣在管內(nèi)的標(biāo)況流速c 10m/s,管內(nèi)徑di 0.053m,其流通界面積 f0 0.0022 m2。一個行程空氣側(cè)需要流通界面積為:Vc1.53100.153m2）一個行程需換熱管

3、根數(shù)N f。型70 (根)。煙道斷面寬度f00.00221.392 3 0.060.12B 1.392m,則在其寬度上排列的換熱管列數(shù)為：10 （列）B 3dm G7 (排)。一個行程管群的排列順煙氣流向排列排，則 -70m 10見圖4-13。二.換熱器的熱計(jì)算在換熱器熱計(jì)算中，假定換熱器無換熱損失、兩流體在換熱器中無流量損失、無變相、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 C被加熱到400 C從煙氣所吸收的熱量。由于相應(yīng)溫度下空氣的比熱容分別為cc.i 1302J m3 C和cc.o 1356J/m3 C ,則有效換熱量為:Q Vc tc.0 cc.otc.

4、itc.i1.53(400 1356 20 1302)790000( W)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th.o330 C ,其質(zhì)量熱容ch.o 1398 J/m3 C ,對應(yīng)煙氣入 口溫度為th.i 600 C比熱容c.i 1447 J/m3 C ,按熱平衡求出:+Vh.G.ith.i Qt c.oVh.och.o1.94 1447 600 7900001.94 1398329.7( C)由于與原先假定的出口溫度th。330 C相差小于0.1%,故可確定煙氣出口溫度為th.0 330 C。流氣對熱平均溫差t1.M逆流對流體在換熱器

5、入口和出口的溫差分別為:h.ih.ot,tc.oc.i600 400 200 C)330 20 310( C)則流體對數(shù)平均溫差為:幽郊251( C) TOC o 1-5 h z ,ti, 200InIn t0310查圖4-7,正交逆流時的溫差補(bǔ)正系數(shù)t 0.94,則對數(shù)平均溫差為:t1.m t t1.M0.94 251 236( C)管內(nèi)空氣側(cè)傳熱系數(shù)44.0 W m2 C空氣在管內(nèi)的標(biāo)況流速:Vc1.53Wc -Nf070 0.00229.94( m s)空氣平均溫度:t 1 t . t c.mc.i c.o21-(20 400) 210( C)2空氣在管內(nèi)流動的雷諾數(shù):t 1 nLc.m

6、Wc.odi .Re 1vc.o9.94 0.0531.396 10-51-1.66210273一 一 42.59 10由于雷諾數(shù)大于1 104,可知空氣在管內(nèi)屬湍流狀態(tài)，其傳熱系數(shù)可按公式（4-18A）計(jì)算設(shè)管壁平均溫度tw.m當(dāng)：=0053=30時,查第三章有關(guān)表得1.05。330 C ,則kt0.5273 tc.m273 tw.m273 210273 3300.8950.5對于直管，系數(shù)kR及kD為1,代入數(shù)值后得:tc.m k1 kt kRkd0.232101.05 0.8952730.8Wc c 3.63*7 1 di9.9408 3.63 0V0.053 .管外煙氣測傳熱系數(shù) 煙氣

7、對流傳熱系數(shù)管群為正方形排列的管群在垂直煙氣流向斷面換熱管長度L=1.6m,管群在最窄截面積為：fn ( d)L (0.12 0.06) 1.60.096(m2)管群最窄截面處煙氣流速為：Vh1.94(m 1) fn(10 1) 0.0962.25(m s)煙氣平均溫度：th.m 1(600 330) 465(C)。對正方排列的管群的當(dāng)量直徑為:,2(5 d)L 2 (0.12 0.06) 1.6dc d L 0.12 0.06 1.60.116(m)煙氣流動的Re數(shù)為:wh0 dcRech2-c 1Vh.oth.m 1 n2.25 0.116 T 11.22 10 5104004652731

8、 1.73由于煙氣雷諾數(shù)103Re 104 ,煙氣對管群的對流傳熱系數(shù)可按公式(4-21B)計(jì)算，當(dāng)5/d0.12/0.06 2時，查第三章有關(guān)圖表得cH 1.03、0.92、kP 1.009、 kH2。0.99，煙氣垂直流過管群k4 1.0,帶入數(shù)值后得煙氣對流對流傳熱系數(shù):0.6h.c 5.710-4(1th.m)0.58CH kpk kH2Ode(2.25)0.6465 0.585.71 -S4 (1)1.03 0.92 1.009 0.99(0.116).273_2_37.1W/(m C).煙氣輻射傳熱系數(shù)對于S S2 2d排列的管群，煙氣輻射的有效射線長度l 3.5d 3.5 0.0

9、60.21m ,按煙氣成分 Vco25.85% ,Vh2o 3.7% ,在煙氣平均溫度th.m 465 C時，查第三章有關(guān)圖表得CO20.057,H2O0.032,1.43。煙氣在自身溫度(465 C )和壁溫(330 C)下的輻射率分別為:h.gCO2H 2Oh.wCO2H 2O0.0570.0521.431.430.0320.0380.1030.106因此,系統(tǒng)的輻射率為:5.67h.f n 11h.g h.w5.67,10.103 0.1060.31煙氣對管群的輻射傳熱系數(shù)為:h.g (h. wh.c h.fTh.m、4,Tw.m、4100100t h.m t w.m0.1030.31

10、國465 2731004330 2731003.58W465 3302m2 C煙氣側(cè)傳熱系數(shù)為:37 1h h.c h.r . 3.58 40.7W. m2 C.總傳熱系數(shù)K不考慮管壁及污垢熱阻時，換熱器總傳熱系數(shù)為:44.0 40.744.0 40.721.1W. m2 C.傳熱表面積F79000021.1 2362159 m考慮換熱器運(yùn)行后的結(jié)垢和留有適當(dāng)?shù)母辉Ｏ禂?shù)，最后確定換熱器的傳熱表面積為：_ _2F 1.1F1.1 159 175 m(8).空氣側(cè)行程數(shù)的確定60 3.5的換熱管以外徑計(jì)的每米長的表面積為 f 0.188m2/m, 在一個行程內(nèi)排L 1.6m的換熱管的根數(shù)N=70根

11、，則一個行程具有的 換熱面積為：Fi 0.188 1.6 70 21 m2 ,則換熱器的行程數(shù)為：Fn 一Fi8.31行程，取n=9行程 21因此換熱器的傳熱面積為:nFi 9 21 189 m2(9).換熱器壁溫計(jì)算換熱器平均壁溫按下式計(jì)算:(hth.mctc.mtw.m40.7 465 44.0 210 八333 C40.7 44.0與前面計(jì)算過程所假定的tw.m330 C相差小于1%,故可確認(rèn)壁溫 tw.m 333 C 。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(jì)算最高壁溫，計(jì)算方法同上，只是采用入口端的各有關(guān)參數(shù)，計(jì)算出入口端的兩流體的傳熱系數(shù)，按上面計(jì)算壁溫的公式求出最

12、高壁溫。經(jīng)計(jì)算，高溫流體入口端煙氣側(cè)和空氣側(cè)的傳熱系數(shù)分別為：ho 45.7W/m2 Cco 56.3W/m2 C則管壁最高溫度為:w. maxh th.i ch c45.7 600 56.4 400 一490 C45.7 56.4.流體出口溫度驗(yàn)算換熱器傳熱計(jì)算時流體平均溫差分別是以煙氣入口700 C和出口 480 C ,空氣入口 20 C和出口 350 C ,而煙氣和空氣流量分別為 1.94m3/s和1.53m3/s等基本參數(shù)求出換熱面積為75m2 ；考慮換熱器運(yùn)行 后的結(jié)垢影響并留有適當(dāng)?shù)母辉＃率箵Q熱表面積由75m2增加到84 m2。若保持煙氣入口條件及空氣流量不變，則換熱器運(yùn)行初期將

13、會因換熱面積增加而導(dǎo)致空氣出口溫度高于設(shè)計(jì)值。具體數(shù)值經(jīng)過驗(yàn)算 確定如下： 空氣出口溫度驗(yàn)算：空氣水當(dāng)量：wc Vcc1.53 1324 2026 W. Cc c c.l H煙氣水當(dāng)量：wh Vhch.m 1.94 1406 2728 W./ C水當(dāng)量之比：對空氣為：Rc wc 2026 0.743wh 2728對煙氣為：Rh wh 2728 1.346wc 2026熱傳遞單元數(shù)： TOC o 1-5 h z 對空氣為：NTU c KA 21.1 189 1.97 wc2027c對煙氣為：NTU h KA 21.1 189 1.46 Wh2728經(jīng)查表得：Ec 0.643則空氣出口溫度為：tc

14、.o Ecth.i tc.i tc,i 0.643600 2020393 C驗(yàn)算結(jié)果空氣出口溫度與設(shè)計(jì)要求400 C基本相符。2）煙氣出口溫度驗(yàn)算煙氣出口溫度為：th.o th.i Rc tc.o tc.i 600 0.743400 20318 C與熱計(jì)算預(yù)先假定的330 C相近。三.流體流動壓降計(jì)算壓力計(jì)算示意圖見圖4-14?？諝饬鲃訅航?）摩擦壓損空氣平均溫度為：1八tcmtci tco400 20 210 Cc.l Hc.l c . O2管內(nèi)空氣流動雷諾數(shù)Rec 2.68 104 （見傳熱計(jì)算），屬湍流流動，其摩擦阻力系數(shù)為:A012Rec0.32 12.59 1040.250.025空

15、氣在管內(nèi)的流速c 9.94m/s,其摩擦壓損按公式（4-43A）計(jì)算:Pfc o.c 1dcbtc.m2c-14.49.941.293 d 2100.025 1 -0.0532273768 Pa2）行阻壓損空氣入口漸擴(kuò)段 TOC o 1-5 h z 23 14222.f1 -d2 0.520.212m2, f2 1.25 0.84 1.05m2, f1f2 0.212 1.05 0.244,查附錄六得其阻力系數(shù)為突然擴(kuò)大局部阻力系數(shù)的0.8倍，而突擴(kuò)阻力系數(shù)為：22突擴(kuò)1fl 21 0.20.64,則入口簡漸擴(kuò)的阻力系數(shù)為：1 0.8突擴(kuò) 0.8 0.64 0.51?？諝獬隹跐u縮段，由于 f2

16、 1.05m2,f3 d2 314 0.622 0.302 m2 , f2/f3 1.050.302 3.51, 出口收縮角 4430 ,查附錄六得漸縮局部阻力系數(shù)為：5 0.47. tgf2, f3 2 0.47 ,tg15 3.51 2 3.0換熱器入口的局部阻力系數(shù)2 2.5,換熱管出口 3 1.0,空氣在空氣2.0,換熱器空氣入口與出口的溫度補(bǔ)室內(nèi)轉(zhuǎn)180的局部阻力系數(shù)正系數(shù)按下式計(jì)算：換熱器內(nèi)阻力系數(shù)為 ：23450.5 9 2.5 9 1.0 8 2.0 3.0 51空氣側(cè)形阻壓損按公式(4-45A)計(jì)算為:Pd2o.cto.c I2tc.m511.579.94 2 1.29321

17、0 15941 Pa273則換熱器空氣側(cè)壓降為:PcPfPd 768 5941 6709 Pa(2)煙氣側(cè)壓降沿?zé)煔饬鲃臃较蚬苋旱目偱艛?shù):Z nM 9 7 63排，煙氣平均溫度th.m 465 C,煙氣流動雷諾數(shù)Reh10400,6 S2 2d 2 0.060 0.12 (m換熱管對角線中心距為：c,S10.121 d S210.06 0.17S 0.17,由于 三 0.65 0.53貝1cos45 0.707S1 d 10.12 0.06 1煙氣流過管群的阻力系數(shù)按下式計(jì)算：群 3.68 Z 1 , 1 d S2 Reh 0.253.86 63 1 . 0.65 9221 0.25 19.7,S1 d 1溫度補(bǔ)正系數(shù)按下公式計(jì)算:2 th.o th.it 273 th.m2 330 600273 4650.73則煙氣流過管群的壓降為:Ph2h h 1tht _ o.hth .m22.25 219.7 0.73 1.33彳4651173 Pa273四、換熱器技術(shù)性能及總圖設(shè)計(jì)計(jì)算后確定換熱器的技術(shù)性能指標(biāo)見下表。序號名稱數(shù)值序號名稱數(shù)值1傳熱表面積/小18910煙氣側(cè)傳熱系數(shù)/W*m-W40.72煙氣標(biāo)況流量好門1.9411總傳熱系數(shù)/W*m-W21.13煙氣入口溫度/ C60012最高管壁溫/C4