煙道式光管鋼管換熱器課程設(shè)計(jì)煙道式光管鋼管換熱器課程設(shè)計(jì)PAGE14/14PAGE14煙道式光管鋼管換熱器課程設(shè)計(jì)PAGE

中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院

中南大學(xué)課程設(shè)計(jì)

光管鋼管式換熱器設(shè)計(jì)

班級(jí)：熱動(dòng)0801班

姓名：

學(xué)號(hào)：

日期：2021年1月

題目

設(shè)計(jì)一臺(tái)利用銅精華反射爐〔然重油〕的煙氣余熱預(yù)熱助燃空氣的煙道式光

管鋼管換熱器。設(shè)計(jì)條件以下：

入換熱器的均勻煙氣流量：Vh3/s

入換熱器煙氣溫度：th=700oC

入換熱器空氣標(biāo)況流量：Vc3/s

入換熱器空氣溫度：tc,i=20oC

出換熱器空氣溫度：tc,o=380oC

地下水平煙道的斷面尺寸：

W*H=1392mm*1700mm7.煙氣成分〔體積百分?jǐn)?shù)〕CO2SO2H2OO2N2

2

一、熱器構(gòu)造初步確立

流道安排、流動(dòng)方式及行程確立

煙道式換熱器一般不設(shè)金屬外殼，空氣在管內(nèi)流動(dòng)而煙氣在管外流動(dòng)；因?yàn)?/p>

換熱器設(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(dòng)；受煙道高1700mm

的限制?？諝饷總€(gè)行程的換熱管有效長(zhǎng)度初步設(shè)定為1600mm，換熱器設(shè)計(jì)成1

——2n行程，即煙氣為一行程，空氣為2n行程。

(2)換熱器規(guī)格

采納mm熱軋無(wú)縫管，規(guī)格知足GB8162-87、GB8163-87要求。

換熱管擺列

考慮清灰方便，管群按正方形擺列，并取管中心距

S1S2〔m〕

取空氣在管內(nèi)的標(biāo)況流速c10ms，管內(nèi)徑:

di

其流通界面積:

f02

一個(gè)行程空氣側(cè)需要流通界面積為：

fVc〔m2〕10

一個(gè)行程需換熱管根數(shù):

f〔根〕N70f0煙道斷面寬度B，那么在其寬度上擺列的換熱管列數(shù)為：

B3d3〔列〕m10S1順煙氣流向擺列排，那么n70〔排〕m710一個(gè)行程管群的擺列見(jiàn)圖4-18。

3

二、換熱器的熱計(jì)算

在換熱器熱計(jì)算中，假定換熱器無(wú)換熱損失、兩流體在換熱器中無(wú)流量損失、

無(wú)變相、比熱容不變、僅有顯熱變化。

有效換熱量Q

所謂有效換熱量是指空氣從20C被加熱到380C從煙氣所汲取的熱量。由

于相應(yīng)溫度下空氣的比熱容分別為c1302Jm3C和c1353Jm3C，那么

有效換熱量為：

QVctctt

〔3801353201302〕

746793〔W〕

(2)煙氣出口溫度確立

依據(jù)熱均衡方程，在換熱器內(nèi)空氣的吸熱等于煙氣的放熱。第一假定煙氣出

口溫度t500C，其質(zhì)量熱容c1464Jm3C，對(duì)應(yīng)煙氣進(jìn)口溫度為t700C比熱容c1504Jm3C，按熱均衡求出:

4

VctQtc.oVc

1.941504700746793

94

456(C)

因?yàn)榕c原來(lái)假定的出口溫度t500C相差小于4%，故可確立煙氣出口溫

度為th.0470C。

(3)流氣對(duì)熱均勻溫差t

逆流對(duì)流體在換熱器進(jìn)口和出口的溫差分別為：

tith.it700380320〔C〕tith.ot46920449(C)那么流體對(duì)數(shù)均勻溫差為：

tit0320449C〕t1.M381(IntiIn320t0449查圖4-7，正交逆流時(shí)的溫差補(bǔ)正系數(shù)

，那么對(duì)數(shù)均勻溫差為：

t1.m'381373(C)tt1.M(4)管內(nèi)空氣側(cè)傳熱系數(shù)c空氣在管內(nèi)的標(biāo)況流速：wcVcNf070(ms)空氣均勻溫度：t1tc.ot21(20380)200(C)2

空氣在管內(nèi)流動(dòng)的雷諾數(shù)：

5

Rewdi1t1nv120010-52732.6310

4

因?yàn)槔字Z數(shù)大于1104，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。當(dāng)L==30時(shí)，查第三章相關(guān)表得kL。設(shè)管壁均勻d溫度t400C，那么kt'273t273t

273200

273380

關(guān)于直管，系數(shù)kR及kD為1，代入數(shù)值后得：

cwc1'kRkd0.2tc.mk1ktdi1200273Wm2C

管外煙氣測(cè)傳熱系數(shù)c

煙氣對(duì)流傳熱系數(shù)

管群為正方形擺列的管群在垂直煙氣流向斷面換熱管長(zhǎng)度，管群在

最窄截面積為：

fn(S1d)L(0.120.06)

2

管群最窄截面處煙氣流速為：

Vhwh=2.25(ms)(m1)fn(101)6

煙氣均勻溫度：

t1(700469)584.5(C〕。2對(duì)正方擺列的管群的當(dāng)量直徑為：

〔d)L20.06)dc2S1S1dL0.116(m)煙氣流動(dòng)的Re數(shù)為：Recwdc11ntvh.o110512739277因?yàn)闊煔饫字Z數(shù)103Re104，煙氣對(duì)管群的對(duì)流傳熱系數(shù)可按公式

〔4-21B〕計(jì)算，當(dāng)S2d2時(shí)，查第三章相關(guān)圖表得cH、、k'P、k'H2O,煙氣垂直流過(guò)管群k4，帶入數(shù)值后得煙氣對(duì)流對(duì)流傳熱系數(shù)：kp'kk'H2Oh(1t)0.58cHde(2.25)(10.4)(0.116)273/(m2C)煙氣輻射傳熱系數(shù)

關(guān)于S1S22d擺列的管群，煙氣輻射的有效射線長(zhǎng)度

l，按煙氣成分VCO213%，VH2O11%，在煙氣均勻溫度tC時(shí)，查第三章相關(guān)圖表得CO2，'H2O0.065,。煙氣在自己溫度〔590C〕和壁溫〔400C)下的輻射率分別為：CO2H2O

CO2H2O

7

所以，系統(tǒng)的輻射率為：

h.f111111h.gh.w

煙氣對(duì)管群的輻射傳熱系數(shù)為：

h.g(T)4(T)4100100h.ftt27344004273100100400m2C煙氣側(cè)傳熱系數(shù)為：

hh.cm2C

總傳熱系數(shù)K

不考慮管壁及污垢熱阻時(shí)，換熱器總傳熱系數(shù)為：

K

h

ch

m2C傳熱表面積F

F'Q746793m2KtLM考慮換熱器運(yùn)轉(zhuǎn)后的結(jié)垢和留有適合的富饒系數(shù)，最后確立換熱器的傳熱表面積為：

'm2

空氣側(cè)行程數(shù)的確定

的換熱管之外徑計(jì)的每米長(zhǎng)的表面積為fm2m，在一個(gè)行

程內(nèi)排的換熱管的根數(shù)N=70根，那么一個(gè)行程擁有的換熱面積為：

Fi0.1881.67021m2

那么換熱器的行程數(shù)為：

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F'行程nFi21取n=5行程。所以換熱器的傳熱面積為：

FnFi521105m2

換熱器壁溫計(jì)算

換熱器均勻壁溫按下式計(jì)算：

hth.mct200t410Chc與前面計(jì)算過(guò)程所假定的tw.m400C相差小于1%，故可確認(rèn)壁溫tw.m410C。

關(guān)于逆流式換熱器因最高壁溫處于高溫流體的進(jìn)口端，所以需計(jì)算最高壁

溫，計(jì)算方法同上，不過(guò)采納進(jìn)口端的各相關(guān)參數(shù)，計(jì)算進(jìn)出口端的兩流體的傳熱系數(shù)，按上邊計(jì)算壁溫的公式求出最高壁溫。經(jīng)計(jì)算，高溫流體進(jìn)口端煙氣側(cè)和空氣側(cè)的傳熱系數(shù)分別為：

o

71Wm2C

m2C

那么管壁最高溫度為：'t'htw.max''hc

7170038071563C(10)流體出口溫度驗(yàn)算

換熱器傳熱計(jì)算時(shí)流體均勻溫差分別是以煙氣進(jìn)口700C和出口480C，空

氣進(jìn)口20C和出口350C，而煙氣和空氣流量分別為m3s和3s等基

本參數(shù)求出換熱面積為75m2；考慮換熱器運(yùn)轉(zhuǎn)后的結(jié)垢影響并留有適合的富饒，

以致?lián)Q熱表面積由75m2增添到84m2。假定保持煙氣進(jìn)口條件及空氣流量不變，那么

換熱器運(yùn)轉(zhuǎn)早期將會(huì)因換熱面積增添而以致空氣出口溫度高于設(shè)計(jì)值。詳細(xì)數(shù)值

經(jīng)過(guò)驗(yàn)算確立以下：

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1〕空氣出口溫度驗(yàn)算：

空氣水當(dāng)量：

wcVcc13502070WC

煙氣水當(dāng)量：

whVhc1.9414802871WC

水當(dāng)量之比：

wc2070對(duì)空氣為：Rc2871whwh2871對(duì)煙氣為：Rh2070wc熱傳達(dá)單元數(shù)：

對(duì)空氣為：NTU

對(duì)煙氣為：NTU

KA105c2070wcKA105h2871wh對(duì)正交逆流4行程換熱器，換熱器溫度效率按公式〔4-34B〕計(jì)算為：20.5121expNTUc1RcEc21Rc1Rc20.51expNTUc1Rc20.5121exp12111exp12

那么空氣出口溫度為：

tc.oEcth.itc.it0.5377002020385C

驗(yàn)算結(jié)果空氣出口溫度與設(shè)計(jì)要求380C根真符合。

2〕煙氣出口溫度驗(yàn)算

煙氣出口溫度為：

tth.iRctt70038520487C與熱計(jì)算早先假定的480C鄰近。

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三、流體流動(dòng)壓降計(jì)算

壓力計(jì)算表示圖見(jiàn)圖4-19。

(1)空氣流動(dòng)壓降1〕摩擦壓損空氣均勻溫度為：t1tt138020210C22管內(nèi)空氣流動(dòng)雷諾數(shù)Rec104〔見(jiàn)傳熱計(jì)算〕，屬湍流流動(dòng)，其摩

擦阻力系數(shù)為：

Ac1040.12Rec空氣在管內(nèi)的流速cms，其摩擦壓損按公式〔4-43A〕計(jì)算：PfcLc2o.c1bt821200418Padc22273〕行阻壓損

空氣進(jìn)口漸擴(kuò)段

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f1d222,44f22,f1f2查附錄六得其阻力系數(shù)為忽然擴(kuò)全局部阻力系數(shù)的倍，而突擴(kuò)阻力

系數(shù)為：

突擴(kuò)1f1f2212那么進(jìn)口簡(jiǎn)漸擴(kuò)的阻力系數(shù)為：

1突擴(kuò)空氣出口漸縮段，因?yàn)閒22,f3d22m2,f2f33.51,出口縮短角44，查附錄六得漸縮局部阻力系數(shù)為：

5tgf2f322tg152換熱器進(jìn)口的局部阻力系數(shù)2，換熱管出口3，空氣在空氣室內(nèi)

轉(zhuǎn)180的局部阻力系數(shù)4，換熱器空氣進(jìn)口與出口的溫度補(bǔ)正系數(shù)按下式計(jì)算：

2tt238020tt273273200換熱器內(nèi)空氣側(cè)阻力系數(shù)為：

12345443空氣側(cè)形阻壓損按公式〔4-45A〕計(jì)算為：

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2Pdo.co.c1tt22200122732767Pa

那么換熱器空氣側(cè)壓降為：

PcPfPd41827673185Pa

煙氣側(cè)壓降

沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向管群的總排數(shù)：

ZnM5735排，煙氣均勻溫度th.mC,煙氣流動(dòng)雷諾數(shù)Reh9277,S1S22d2〔m〕,換