气气热管换热器计算书

热管换热器设计计算1确定换热器工作参数1.1确定烟气进出口温度t1，t2，烟气流量V，空气出口温度𝑡2𝑐，饱和蒸汽压力pc.对于热管式换热器，t1范围一般在250C~600C之间，对于普通水-碳钢热管的工作温度应控制在300C以下.t2的选定要避免烟气结露形成灰堵及低温腐蚀，一般不低于180C.空气入口温度𝑡1𝑐.所选取的各参数值如下：烟气流量V饱和蒸汽压力pc空气出口温度𝑡2𝑐空气入口温度𝑡1𝑐排烟入口温度t1排烟出口温度t240000m2/h0.2MPa120°C20°C420°C200°C2确定换热器结构参数2.1确定所选用的热管类型烟气定性温度：𝑡𝑓=𝑡1+𝑡22=420°C+200°C2=310°C在工程上计算时，热管的工作温度一般由烟气温度与4倍冷却介质温度的和的平均值所得出：烟气入口处：𝑡𝑖=𝑡1+𝑡2𝑐×45=420°C+152°C×45=180°C烟气出口处：𝑡𝑜=𝑡2+𝑡1𝑐×45=200°C+20°C×45=56°C选取钢-水重力热管，其工作介质为水，工作温度为30C~250C，满足要求，其相容壳体材料：铜、碳钢（内壁经化学处理）。2.2确定热管尺寸对于管径的选择,由音速极限确定所需的管径𝑑𝑣=1.64√𝑄𝑐𝑟(𝜌𝑣𝑝𝑣)12根据参考文献《热管技能技术》，音速限功率参考范围，取CQ4kW，在𝑡𝑜=56°C启动时𝜌𝑣=0.1113𝑘𝑔/𝑚3𝑝𝑣=0.165×105𝑝𝑎𝑟=2367.4𝑘𝐽/𝑘𝑔因此𝑑𝑣=1.64√𝑄𝑐𝑟(𝜌𝑣𝑝𝑣)12=10.3𝑚𝑚由携带极限确定所要求的管径𝑑𝑣=√1.78×𝑄𝑒𝑛𝑡𝜋∙𝑟(𝜌𝐿−14⁄+𝜌𝑣−14⁄)−2[𝑔𝛿(𝜌𝐿−𝜌𝑣]14⁄根据参考文献《热管技能技术》，携带限功率参考范围，取4Qentkw管内工作温度𝑡𝑖=180℃时𝜌𝐿=886.9𝑘𝑔/𝑚3𝜌𝑣=5.160𝑘𝑔/𝑚3𝑟=2013𝑘𝐽/𝑘𝑔4431.010/Nm因此𝑑𝑣=√1.78×4𝜋×2013×(886.9−14⁄+5.16−14⁄)−2[g×431.0×10−4(886.9−5.160)]14⁄=13.6mm考虑到安全因素，最后选定热管的内径为mm22di管壳厚度计算由式][200dPSiV式中，VP按水钢热管的许用压力228.5/kgmm选取，由对应的许用230C来选取管壳最大应力2MAX14kg/mm,而2MAX1[]3.5/4kgmm故0.896mm3.52000.02228.5S考虑安全因素，取1.5Smm,管壳外径:mm25.51222S2ddif.通常热管外径为25~38mm时，翅片高度选10~17mm（一般为热管外径的一半），厚度选在0.3~1.2mm为宜，应保证翅片效率在0.8以上为好.翅片间距对干净气流取2.5~4mm；积灰严重时取6~12mm，并配装吹灰装置.综上所述，热管参数如下：光管内径id/mm光管外径od/mm翅片外径fd/mm翅片高度fl/mm翅片厚度f/mm翅片间距fS/mm肋化系数22255012.5148.7翅片节距：'415fffSSmm每米热管长的翅片数：'10001000200/5ffnmS肋化系数的计算：每米长翅片热管翅片表面积22[2()]14ffofffAdddn每米长翅片热管翅片之间光管面积(1)roffAdn每米长翅片热管光管外表面积ooAd肋化系数：22[2()]1(1)4fofffofffroodddndnAAAd22[0.5(0.050.025)0.050.001]2000.025(10.2)8.70.0252.3确定换热器结构将热管按正三角形错列的方式排列，管子中心距𝑆′=(1.2~1.5)𝑑𝑓取𝑆′=70mm。3热力计算3.1确定换热器中热管的热侧和冷侧的管长𝑙ℎ𝑙𝑐,以及迎风面管数B1）确定烟气标准速度v，一般取2.5~5m/s，假设v=4m/s，可得出烟气迎风面的面积𝐴=𝑉𝑣=400004×3600=2.8m22）确定迎风面宽度E,取E=1.8m，热管的热侧管长𝑙ℎ=𝐴𝐸=2.81.8=1.56m,适当取𝑙ℎ=1.5m,并且𝑙ℎ𝑙𝑐⁄=31⁄,∴𝑙𝑐=0.5m。3）求出迎风面的管数B，𝐵=𝐸𝑆′⁄=1.80.07⁄=25.7,B为整数，应取B=26，因此实际的迎风面的宽度𝐸=0.07×26=1.82m,同时实际的迎风面面积𝐴′=𝐸×𝑙ℎ=1.82×1.5=2.73m2,实际的速度是𝑣′=𝑣𝐴′⁄=400003600×2.73=4.07m/s。3.2确定传热系数1）烟气定性温度：tf=t1+t22⁄=420℃+200℃2=310℃,从而确定烟气的物性参数：𝑡℃𝜌𝑓kg/m3𝑐𝑝kJ/(kg∙℃)𝜆𝑓w/(m∙℃)𝜂𝑓pa∙s𝑝𝑓3100.6081.1254.9328.60.652）确定烟气侧管束的最小流通截面积𝑁𝐹𝐴=[(𝑆′−𝑑𝑜)−2∙(𝑙𝑓∙𝛿𝑓∙𝑛𝑓)]∙𝑙ℎ∙𝐵=[(0.07−0.025)−2×(0.0125×0.001×200)]×1.5×26=1.56m2求烟气侧的最大质量流速𝐺𝑚𝑎𝑥=(𝑉∙𝜌𝑓)/𝑁𝐹𝐴=40000×0.6083600×1.56⁄=4.33kg/(m2∙s)求烟气侧流体雷诺数𝑅ℎ=(𝐺𝑚𝑎𝑥∙𝑑𝑜)/𝜂𝑓=4.33×0.02528.6×10−6⁄=3785通过Briggs公式，求的烟气侧流体的对流换热系数ℎ𝑓=0.1378∙𝑅ℎ0.718∙𝜌𝑓13∙(𝑆𝑓𝑙𝑓)0.296∙𝜆𝑓𝑑𝑜=0.1378×(3785)0.718×(0.65)13×(412.5)0.296×(4.93×10−20.025)=62.3w/(m2∙℃)3)假定热管管壁温度𝑡𝑤=(𝑡1+𝑡22+𝑡1𝑐+𝑡2𝑐2)2⁄=190℃4)由𝑡𝑤可以在查出热管侧的管材导热系数λ=40w/(m∙℃)∆t=tw−t2c=190℃−120℃=70℃在米海耶夫推荐的105~4×106pa下，可推出冷侧流体的对流换热系数ℎ𝑓𝑐=0.122∙∆𝑡2.33∙𝑝0.5=0.122×702.33×20.5=3435w/(m2∙℃)同时𝜇=𝑙𝑓∙[2ℎ𝑓(𝜆𝑤∙𝛿𝑓)⁄]12=0.0125×(2×62.340×0.001)12=0.7由𝜇𝑓和𝑑𝑓𝑑𝑜⁄=2两参数，可以查圆形翅片管的肋效率图，烟气侧的热管效率𝜂𝑓ℎ=0.85)算出烟气侧每米长的热管的翅片表面积：𝐴1=[2×𝜋4×(𝑑𝑓2−𝑑𝑜2)+𝜋∙𝑑𝑓∙𝛿𝑓]∙𝑛𝑓∙1=0.62m2烟气侧每米长的翅片和热管之间的面积：𝐴2=𝜋∙𝑑𝑜∙(1−𝑛𝑓∙𝛿𝑓)=0.063m2烟气侧管外每米长的热管的管外总面积：𝐴3=𝐴1+𝐴2=0.62+0.063=0.683m26)算出烟气侧的管外有效对流换热系数ℎ𝑓′=ℎ𝑓∙(𝐴2+𝜂𝑓ℎ∙𝐴1)𝐴3⁄=62.3×(0.063+0.8×0.62)0.683⁄=51w/(m2∙℃)算出冷流体管外有效对流换热系数ℎ𝑐=ℎ𝑓𝑐∙𝐴𝑐𝐴𝑐⁄=ℎ𝑓𝑐=3435w/(m2∙℃)7)算出总传热系数参考《热交换器原理与设计》，可查得烟气污垢热阻𝘀=0.001m2∙℃/w。因此，管壁的导热热阻为𝘀′=𝑑𝑜2𝜆∙𝑙𝑛𝑑𝑜𝑑𝑖=4×10−5m2∙℃/w𝐾=1[1ℎ𝑓∙𝛽+𝘀′+𝘀′(𝑙ℎ𝑙𝑐)+1ℎ𝑓(𝑙ℎ𝑙𝑐)+𝘀]⁄=1（151×8.7+4×10−5+4×10−5×3+33435+0.001）⁄=233.3w/(m2∙℃)3.4确定烟气侧总传热面积和换热器所需要的管数1）算出传热量𝑄ℎ=𝑉∙𝜌𝑓∙𝑐𝑝(𝑡1−𝑡2)=400003600×0.608×1.125×220℃=1672kw由于热平衡，并且考虑到6%的综合热损Qc=Qh∙(1−6%)=1571.68kw2)确定对数平均温差∆𝑡2，420℃→200℃120℃←120℃，忽略其预热过程，因此∆𝑡2=∆𝑡𝑚𝑎𝑥−∆𝑡𝑚𝑖𝑛𝑙𝑛∆𝑡𝑚𝑎𝑥∆𝑡𝑚𝑖𝑛⁄=300℃−80℃/𝑙𝑛300℃80℃=166.4℃3)确定烟气侧的总传热面积A′和换热器所需要的管数m𝐴′=(𝑄ℎ+𝑄𝑐)2∙𝐾∙∆𝑡2⁄=[(1672+1571068)×103]/(2×233.3×166.4)=41.8m2𝑚=𝐴′𝜋∙𝑑𝑜∙𝑙ℎ⁄=41.8(3.14×0.025×1.5)⁄=354.9应取整m=355根3.5确定管排数𝑁=𝑚𝐵⁄=35526⁄=13.6取整𝑁=14排按之前说的，以正三角方式排列，即以26、25依次排列，这样总共的管数应该是N=3574流阻计算4.1确定烟气侧的流阻对于圆形翅片管，使用Robinson和Briggs公式先求出烟气侧摩擦系数𝑓=37.86∙(𝑑𝑜∙𝐺𝑚𝑎𝑥𝜂𝑓)−0.316(𝑆′𝑑𝑜)−0.927=37.86×(0.025×4.33228.6×10−6)−0.316(0.070.025)−0.927=0.68烟气侧的压力降∆𝑃ℎ=𝑓∙𝑁∙𝐺𝑚𝑎𝑥22∙𝜌𝑓=0.68×15×4.3322×0.608=157.3pa4.2确定引风机的功率增量P=(∆Ph∙V)η⁄=157.3×400003600×0.9=1942w𝜂为电动机效率，通常取0.9。