换热器课程设计

日期：2023年12月

题目。设计一台利用铜精炼反射炉（然重油）的烟气余热预热助燃空气的烟道式光管钢管换热器。设计条件如下：

1. 入换热器的平均烟气流量：vh=2.0m3/s

2. 入换热器烟气温度：th=720oc

3. 入换热器空气标况流量：vc=1.45m3/s

4. 入换热器空气温度：tc,i=20oc

5. 出换热器空气温度：tc,o=335oc

6. 地下水平烟道的断面尺寸：

w * h = 1400mm * 1700mm

7. 烟气成分（体积百分数）

co2 13.0 so2 2.75 h2o 11.0 o2 2.13 n2 71.12

一、热器结构初步确定。

1)流道安排、流动方式及行程确定。

烟道式换热器一般不设金属外壳，空气在管内流动而烟气在管外流动；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；受烟道高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，即烟气为一行程，空气为2n行程。

2)换热器规格。

选用mm热轧无缝管，规格满足gb8162-87、gb8163-87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。

m）取空气在管内的标况流速，管内径：

其流通界面积：

一个行程空气侧需要流通界面积为：

一个行程需换热管根数：

根）烟道断面宽度，则在其宽度上排列的换热管列数为：

列）顺烟气流向排列排，则。

排）一个行程管群的排列见图4-18。

二、换热器的热计算。

在换热器热计算中，假定换热器无换热损失、两流体在换热器中无流量损失、无变相、比热容不变、仅有显热变化。

1)有效换热量。

所谓有效换热量是指空气从被加热到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和，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，其质量热容，对应烟气入口温度为比热容，按热平衡求出：

由于与原先假定的出口温度相差小于4%，故可确定烟气出口温度为。

3)流气对热平均温差。

逆流对流体在换热器入口和出口的温差分别为：

则流体对数平均温差为：

查图4-7，正交逆流时的温差补正系数，则对数平均温差为：

4)管内空气侧传热系数。

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：

由于雷诺数大于，可知空气在管内属湍流状态，其传热系数可按公式（4-18a）计算。当==30时，查第三章有关表得。设管壁平均温度，则。

对于直管，系数及为1，代入数值后得：

5)管外烟气测传热系数。

1)烟气对流传热系数。

管群为正方形排列的管群在垂直烟气流向断面换热管长度l=1.6m，管群在最窄截面积为：

管群最窄截面处烟气流速为：

烟气平均温度：

对正方排列的管群的当量直径为：

烟气流动的数为：

由于烟气雷诺数，烟气对管群的对流传热系数可按公式（4-21b）计算，当时，查第三章有关图表得、、、烟气垂直流过管群，带入数值后得烟气对流对流传热系数：

2)烟气辐射传热系数。

对于排列的管群，烟气辐射的有效射线长度。

按烟气成分，，在烟气平均温度时，查第三章有关图表得。烟气在自身温度（）和壁温（)下的辐射率分别为：

因此，系统的辐射率为：

烟气对管群的辐射传热系数为：

烟气侧传热系数为：

6)总传热系数k

不考虑管壁及污垢热阻时，换热器总传热系数为：

7)传热表面积f

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积为：

8)空气侧行程数的确定。

的换热管以外径计的每米长的表面积为，在一个行程内排的换热管的根数n=66根，则一个行程具有的换热面积为：

则换热器的行程数为：

取n=4行程。因此换热器的传热面积为：

9)换热器壁温计算。

换热器平均壁温按下式计算：

与前面计算过程所假定的相差小于1%，故可确认壁温。

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，只是采用入口端的各有关参数，计算出入口端的两流体的传热系数，按上面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：

10)流体出口温度验算。

换热器传热计算时流体平均温差分别是以烟气入口和出口，空气入口和出口，而烟气和空气流量分别为和等基本参数求出换热面积为；考虑换热器运行后的结垢影响并留有适当的富裕，致使换热表面积由增加到。若保持烟气入口条件及空气流量不变，则换热器运行初期将会因换热面积增加而导致空气出口温度高于设计值。具体数值经过验算确定如下：

1）空气出口温度验算：

空气水当量：

烟气水当量：

水当量之比：

对空气为：

对烟气为：

热传递单元数：

对空气为：

对烟气为：

对正交逆流4行程换热器，换热器温度效率按公式（4-34b）计算为。

则空气出口温度为：

验算结果空气出口温度与设计要求基本相符。

2）烟气出口温度验算。

烟气出口温度为：

与热计算预先假定的相近。

三、流体流动压降计算。

压力计算示意图见图4-19。

1)空气流动压降。

1）摩擦压损。

空气平均温度为：

管内空气流动雷诺数（见传热计算），属湍流流动，其摩擦阻力系数为：

空气在管内的流速，其摩擦压损按公式（4-43a）计算：

2）行阻压损。

空气入口渐扩段。

查附录六得其阻力系数为突然扩大局部阻力系数的0.8倍，而突扩阻力系数为：

则入口简渐扩的阻力系数为：

空气出口渐缩段，由于。

出口收缩角，查附录六得渐缩局部阻力系数为：

换热器入口的局部阻力系数，换热管出口，空气在空气室内转的局部阻力系数，换热器空气入口与出口的温度补正系数按下式计算：

换热器内空气侧阻力系数为：】

空气侧形阻压损按公式（4-45a）计算为：

则换热器空气侧压降为：

2)烟气侧压降。

沿烟气流动方向管群的总排数：

烟气平均温度，烟气流动雷诺数。

m）,换热管对角线中心距为：

由于。则烟气流过管群的阻力系数按下式计算：

温度补正系数按下公式计算：

则烟气流过管群的压降为：

四、传热器技术性能及总图。

设计计算最后确定换热器的技术性能见表4-17。换热器总图草图见图4-15。

80钢管换热器技术性能表4—17

5设计计算最后确定换热器的技术性能。换热器总图见图及附件cad图纸。

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