烟道式光管钢管换热器

1目录一设计任务书3二确定设计方案及相关计算4三换热器的热计算6四换热器温度校验12五流体流动压降计算14六换热器技术性能17七总结18九参考文献192一设计任务书（一）设计任务设计某一有色熔炼炉烟气余热加热助燃空气的烟道式光管钢管换热器。（二）设计条件（1）地下水平烟道的断面尺寸：mm1700mm1392HW（2）烟气成分（V/V,%）二氧化碳：13.0二氧化硫：2.75水：11.0氧气：2.13氮气：71.121）入换热器的平均烟气标况流量：Vh=2.01m3/s;2）入换热器烟气温度：th,i=722℃；3）入换热器空气标况流量：Vc=1.54m3/s;4）入换热器空气温度：th,i=20℃；5）出换热器空气温度：th,o=351℃；（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#）二确定设计方案及相关计算（一）换热器选型3（1）因为被预热的介质是空气，，所以可以选择气密性好的列管式换热器。（2）烟气温度是820℃应选用抗氧化耐热金属。（3）烟气成分里含有大量SO2，换热器材质选用考虑烟气的高温和底纹腐蚀，故采用抗氧化的耐热金属。经以上分析采用抗氧化金属制造的列管式换热器。（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，一般预热的空气在管内流动，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时流动。由于换热器设置在水平烟道内，烟气与空气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mmmm5.360热轧无缝钢管，规格满足87-GB816387-GB8162要求。（3）换热管排列考虑清灰方便，管群按正方形排列，并取管中心距0.12m0.06022dSS21取空气在管内的流速10m/s,wc管内径0.053mdi，其流通截面积).0.0022(mf20一个行程空气侧需要的流通面积)(m0.1551.55/102f一个行程需要的换热管根数N=f/f0=700022.0155.00ffN烟道断面宽度B=1.392m。则在其宽度上排列的换热管列数为：4m=13SdB=12.006.03392.1=10(列)顺烟气流向排列M排，则71070mnM(排）图1-1一个行程管群排列图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。5（1）有效换热量Q所谓有效换热量是指空气从20被加热到351从烟气所吸收的热量。由于相应温度下空气的比热容分别为)/(13022.CmJcic和)2/(1354.CmJcoc则有效换热量为：（2）烟气出口温度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比热容)/(15283.CmJcih，按热平衡求出：由于与原先假定的出口温度)(600.Ctoh相差小于4%故，可确定烟气出口温度是)(607.Ctoh（3）流体对数平均温差LMt逆流式流体在换热器入口和出口的温差分别为：则流体平均对数温差为：)(691789)1302201354351(54.1)(....WctctVcQicicococ)(607148415.26917897221528.01.2...,,.CcVQtcVotcohohihicih)(58720607..)(469361820..CitcothtCtttiocihi)(515587469ln587469lnCtttttoioiLM6查《有色冶金炉设计手册》第四章有关表格得正交逆流时的温差补正系数98,0t，则对数平均温差为：（4）管内空气侧的传热系数空气在管内的标况流速：空气平均温度：空气在管内流动的雷诺数：466.1151...1071.2)2732001(10396.1053.006.10)1(Renmcociocctvd由于雷诺数大于4101,可知空气在管内属湍流状态，其传热系数可按公式计算，当30053.06,1dL时，查《有色冶金炉设计手册》第三章有关表格有05.1Lk.设管壁平均温度Ctwm500则：)(50551598.0CttLMtLM)/(06.100022.07054.1smNfVocc)(186)35120(21)(21...Ctttocicmc7782.05002732002732732735.05.0..mwmctttk对于直管，系数1DRkk,带入数值后得：)(56.38782.005.1)2732001(053,006.1063.3)1(63.3223,02.08.023,0,2.08.0CmWkkkktdDRtLmcicc（5）管外烟气侧传热系数h1）烟气对流传热系数管群为正方形排列的管群在春至烟气流向断面换热管长度L=1.6m,管群在最窄截面积为：)(096.06.1)06.012.0()(21mLdSfn管群最窄界面处烟气流速为：，烟气的平均温度：)(5.713)607820(21.Ctmh对于正方形排列的管群的当量直径为：)(116.06.106.012.05.1)06.012.0(2)(211mLdSLdSde烟气流动的雷诺数为：)/(326.2096.0)110(01.2)1(smfmVnhh89272)2735.7131(51022.1016.049.2).1(73.111.,noheohehmthvdwR由于烟气雷诺数4310Re10，烟气对管群的对流传热系数可以按如下的公式计算：当206.012.02dS时，查《有色冶金炉设计手册》第三章有关图表得，009.192.003.1PHkc,烟气垂直流过0.1k带入数值后得烟气对流传热系数)(4899.0009.192.003.1)2737131(116,025.271.5)1(71.5.258,04.06.058,0,4.06.02CmWkkkctdOHPHmhihch2）烟气辐射传热系数对于dSS221排列的管群，烟气辐射的有效射线长度mdl21.006.05.35.3按烟气成分，在烟气的平均温度下查《有色冶金炉设计手册》第三章有关表格得028.0062.022OHCO06.1烟气在自身温度下和壁温下的辐射率为：0982.006.1026.0060.0091.006.1028.0062.0222.2.OHCOwhOHCOgh因此，系统的辐射率为：28.010982.01091.0167.511167.5...whghfh9CmWttTTmwmhmwmhwhghfhrh344,.4.4..,..(115007131002735001002737130982.009.045.0100100烟气侧的传热系数为：CmWrhchh3,./591148（6）总传热系数K不考虑壁管及污垢热阻时，换热器的总传热系数为：CmWhchcK3/235956.385956.38)(（7）传热表面积)(67500237571442mtKQFLM考虑换热器运行后的结垢和留有适当的富裕系数，最后确定换热器的传热表面系数为：)(74671.11.12mFF（7）空气侧行程数的确定5.360的换热管以外径每米长的表面积为mmf/188.02，在一个行程内排mL6.1的换热管根数70N根，则一个行程具有的换热面为：)(21706.1188.02mFi，则换热管的行程数为53.32174FFn，取4n行程。因此，换热器的传热面积为：)(842142mFnF10（8）换热器壁温计算换热器平均壁温按下式计算：与前面的计算过程所假设的相差小于10%，故可认为壁温)(510.Ctmw对于逆流式换热器因最高壁温处于高温流体的入口端，因此，需计算最高壁温，计算方法同上面的计算，只是采用入口端的各有关参数，计算出口入口端的两流体的传热系数，按上面的计算壁温的公式求出最高壁温，经计算，高温流体入口端烟气侧和空气侧的传热系数分别为：则管壁最高温度为：)(6242.56703802.5682070..max.CttchocihhwCmWCmWocoh2.2./2.56/70)(51058.385920058.3871359...Ctttchmccmhhmw11四换热器温度校验换热器传热计算时流体平均温差分别是以烟气入口C820和出口C607，空气入口C20和出口C380，而烟气和空气的流量分别是sm/15.23和sm/55.13等基本参数求出换热表面积267m，考虑换热器运结垢行后的影响并留有适当富裕，致使换热表面积增加到284m。若使烟气入口条件及空气流量不变，则换热器运行初期会因换热表面积增加而导致空气出口温度高于设计值。具体数据经验算确定如下：（1）空气出口温度校验空气水当量：)/(2102135655.1.CWcVmccc烟气水当量：)/(3238150615.2.CWcVmhhh水当量之比：对空气为：649.032382102hccR对烟气为：541.121023238chhR热传递单元数：对空气为：92.021028423ccKANTU对烟气为：597.032388423hhKANTU对正交逆流4行程换热器，换热器温度效率按公式计算为：15.025.025.021exp1)1(exp1112cccccccRNTURNTURRE15.025.025.02649.0192.0exp1649.0192.0exp1649.01649.0121246.0则空气出口温度为：icicihcoctttEt,,,,C3982020820485.0验算结果空气出口温度与设计要求C380基本相符。（2）烟气出口温度验算：烟气出口温度为：icoccihohttRtt,,,,C46120388649.0820与热计算预先设定的500C相近。13五流体流动压降计算：（1）空气流动压降1）摩擦压损空气平均温度为：Ctttocicmc200203802121,,,管内空气流动雷诺数41068.2ceR，属湍流流动，其摩擦阻力系数为：04.010714.2129.012.04neccRA空气在管内的流速smc065.10，其摩擦压损按公式计算：mccocicftdLP,,212Pa54727320012293.106.10053.04.604.022）形阻压损空气入口渐近段:).(05.1