乙烯原料加氫精制預處理的熱管式空氣預熱器設計計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u7171乙烯原料加氫精制預處理的熱管式空氣預熱器設計計算案例 191991.1基礎數(shù)據(jù) 1103221.2熱量衡算 2155871.2.1煙氣的余熱 2305821.2.2煙氣放出的熱量 216911.2.3換熱器的溫度 2259871.3單管結(jié)構(gòu)設計 222921.3.1熱管工質(zhì)的選擇 2283071.3.3熱管的幾何尺寸 2236911.3.4翅化比 3189671.4熱管換熱器的結(jié)構(gòu)設計 3243931.1.1預熱器的入口流速 3147521.1.2加熱段和冷凝段長度之比 46431.1.3迎風面的尺寸 4284361.1.4換熱器寬度 499541.1.5煙氣側(cè)、空氣側(cè)熱管長度 4198191.1.6最大質(zhì)量流速 5237181.1.7傳熱系數(shù)K 582911.1.8流動阻力 7212621.1.9熱管的安全校核 827711.5預熱器計算結(jié)果匯總 91.1基礎數(shù)據(jù)由于煉廠氣是經(jīng)過凈化處理后幾乎不含有硫化氫氣體，故煙氣中幾乎不含有二氧化硫；取煙氣出熱管預熱器時的溫度為t2=190℃；煙氣進入預熱器時的溫度t1=325℃；煙氣質(zhì)量流量M1=18809.35kg/h，煙氣的比熱Cp1=1.074kJ/(kg·℃)；空氣進入換熱器時的溫度t2=0℃；空氣質(zhì)量流量M2=12801.8kg/h，空氣的比熱Cp2=1.0467kJ/(kg·℃)。1.2熱量衡算1.2.1煙氣的余熱1.2.2煙氣放出的熱量1.2.3換熱器的溫度由熱量衡算得：1.3單管結(jié)構(gòu)設計1.3.1熱管工質(zhì)的選擇熱管管內(nèi)的平均工作溫度：根據(jù)上述設計情況，再綜合參考實際情況，得知水的工作溫度一般為30~320℃，所以選擇水作為熱管工作時的流動介質(zhì)；通過管材的自身屬性，選擇使用鉻銅材料為熱管的材料，為了增強熱管的強度和鋼度，可以選擇鉻銅-鋼復合管。工作原理類型采用重力式（虹吸式）無芯熱管。1.3.3熱管的幾何尺寸目前我國工業(yè)使用的熱管的尺寸[11]情況如下：管外直徑：d管內(nèi)內(nèi)徑：則：管徑×壁厚：φ翅片高度為：h翅片外徑：df翅片厚度：δf考慮到煙氣含有一定的灰分，空氣側(cè)也含有較少的灰分，因此：選取翅片間距[11]：Sy1.3.4翅化比煙氣側(cè)每米熱管的翅片數(shù)目：翅片根徑：db則煙氣側(cè)每米熱管的翅片面積：煙氣側(cè)每米熱管翅片間的光管面積：每米熱管光管面積：所以煙氣側(cè)的翅化比β1：根據(jù)上述同樣的方法，由此可以計算出空氣側(cè)的翅化比：β2=11.83翅片管的結(jié)構(gòu)特性如表：表4-1翅片管的結(jié)構(gòu)特性匯總表1.4熱管換熱器的結(jié)構(gòu)設計1.1.1預熱器的入口流速取G1=3.45kg/m2·s，由以下算式可得：1.1.2加熱段和冷凝段長度之比根據(jù)經(jīng)濟長度算式可得：由于選用水作為熱管內(nèi)流動介質(zhì)，管內(nèi)的許用工作溫度[t]=600℃；已知該溫度大于煙氣入口溫度t1=325℃；所以熱管的工作是安全的，故不要計算安全長度比[L]。1.1.3迎風面的尺寸煙氣側(cè)迎風面積：空氣側(cè)迎風面積：1.1.4換熱器寬度根據(jù)該設備的尺寸和流速，為了強化傳熱的效果，本設計采用正三角形的錯排方式。管排中心距：橫向管排中心距：縱向管排中心距：每排熱管數(shù)量選用：n1=20根；換熱器寬度：1.1.5煙氣側(cè)、空氣側(cè)熱管長度煙氣側(cè)：=1.51/1.3=1.16m空氣側(cè)：=1.37/1.3=1.05m中間隔板厚度20mm；預留安裝高度：35mm（上下各預留35mm）故熱管長度：∴滿足熱管長度要求。1.1.6最大質(zhì)量流速（1）最窄流通面積煙氣側(cè)：空氣側(cè)：（2）最大質(zhì)量流速煙氣側(cè)：空氣側(cè)：1.1.7傳熱系數(shù)K煙氣側(cè)平均溫度：空氣側(cè)平均溫度：表4-2平均溫度下煙氣和空氣物性參數(shù)對于錯排環(huán)形翅片管束的對流傳熱系數(shù)按下式計算：式中，α—以翅片管外表面為基準的傳熱系數(shù)，W/(m2·s)db—翅片管根徑，m；S—翅片間距，m；h—翅片高度，m；λ—氣體的導熱系數(shù)，W/m·K；μ—氣體的動力粘度，kg/m·s；Gmax—最窄界面處流體的最大質(zhì)量流速，kg/(m2·s)；（1）煙氣側(cè)的對流傳熱系數(shù)：（2）煙氣側(cè)的翅片效率：已知熱管外壁選擇使用的材料是碳鋼材料；根據(jù)文獻[10]得平均溫度下，煙氣側(cè)管壁的導熱系數(shù)λ1=42.85W/(m2·K)，則：b1=H=0.0125根據(jù)文獻[11]得翅片效率η1=0.846；煙氣側(cè)管外傳熱系數(shù)：（3）空氣側(cè)對流傳熱系數(shù)：（4）空氣側(cè)翅片效率：已知熱管外壁選擇使用的材料是碳鋼材料；根據(jù)文獻[10]得平均溫度下，空氣側(cè)管壁導熱系數(shù)b1=H=0.0125翅片效率η2=0.91；空氣側(cè)管外傳熱系數(shù)：（3）總傳熱系數(shù)以加熱段外表面為基準，則熱管的總傳熱系數(shù)為：式中re、rc、ry、rk分別是工質(zhì)蒸發(fā)、冷凝、管外煙氣側(cè)、空氣側(cè)熱阻，可分別取0.000258(m2·K)/W、0.000215(m2·K)/W、0.00024(m2·K)/W、0.00018(m2·K)/W。代入數(shù)據(jù)得K=223.84W/(m2·K)（4）對數(shù)平均溫差煙氣的溫度變化情況：325℃→190℃空氣的溫度變化情況：197℃←0℃溫差的變化情況：128℃190℃則：總光管傳熱面積：熱管根數(shù)：每排20根，共12排，總根數(shù)：N=20×12=240根；則：每根熱管平均熱負荷：Qi=Q/N=738.3/240=3.1kW1.1.8流動阻力橫向沖刷叉排環(huán)形翅片管束：管外阻力計算公式：?式中：ΔP—阻力損失，Pa；Z—氣流流動方向上的管排數(shù)；ρ—空氣或煙氣的密度，kg/m3；Gmax—最大質(zhì)量流速，kg/m2·s；ζ—摩擦阻力系數(shù)。（1）煙氣側(cè)的摩擦阻力系數(shù)則煙氣側(cè)的阻力為：則每排管子的壓力降為：（2）空氣側(cè)阻力空氣側(cè)的摩擦阻力系數(shù)：則空氣側(cè)阻力為：則每排管子的壓力降為：熱管最高工作溫度：熱管最低的工作溫度：1.1.9熱管的安全校核（1）熱管的工作溫度熱管的最高工作溫度：熱管的最低工作溫度：（2）熱管在最高的工作溫度時的熱管攜帶極限根據(jù)文獻[12]得，261℃時水和干飽和蒸汽的物性參數(shù)：（3）熱管在最低的工作溫度時的熱管攜帶極限根據(jù)文獻[13]得，49℃