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1、管组式换热器设计计划书1绪论换热器作为一种热交换设备广泛用于动力、交通、石油化工、冶金等工业领域。根据不同的用途，其种类及结构繁多。辐射换热器指热流体以辐射方式传热为主的换热器。同对流式换热器相比具有释热率（热负荷）高、冷流体加热温度高、表面温度与受热介质加热温度之间的差值较小、以及热流体流道不易被堵塞等优点。适用于热流体温度高于1000、冷介质加热温度高于600以及热流体含尘较高的场合，一般有色熔炼炉烟气余热利用多为采用。其缺点是外形尺寸较大，换热器出口温度仍然较高，一般需在后面再安装对流式换热器，以进一步回收烟气的余热。辐射换热器常常采用两种结构形式，即：环缝式（又称夹套式）和管组式（又称
2、鸟笼式）。管组式辐射换热器又可分为圆柱式、屏蔽式和螺旋式三种。通常它采用许多小直径的管子代替环缝通道，这样可以提高换热器的严密性和高温结构强度。2结构初步计算2.1 管组圆筒直径取空气在管内标况流速c=16m/s，换热管的流通截面积f0=0.00096m2，管组圆筒采用的管子根数为： （2-1）曲管中心距离S1=84mm，则管组圆筒的直径为： （2-2）2. 2烟气通道直径取烟气通道通道内壁距管中心距离： （2-3）则烟气通道内径为： （2-4）烟气通道断面积为： （2-5）烟气标况流速为： （2-6）3热力计算3.1热负荷计算查参考文献1的附表3-8可得一个温度梯度下湿空气的平均比热容（见表
3、3-1）。因平均比热容随温度的升高变化不太剧烈，把每个区间的比热容近似看做线性关系。表3-1湿空气的平均比热容 (单位：KJm-3K-1) 温 度0100200300400500平均比热容1.3231.3271.3361.3441.3561.369当t=20时，cc.i=(1.327-1.323)0.2+1.323=1.324（KJm-3K-1）当t=440时，cc.o=(1.369-1.356)0.4+1.356=1.360（KJm-3K-1）则将空气由20加热到440的有效热负荷为： （3-1） 3.2烟气出口温度的计算查参考文献1的附表3-10得烟气成分比热容表。表3-2 烟气成分比热容
4、 （单位：KJm-3K-1） 温 度CO2SO2H2OO2N22001.7881.8881.5241.3361.2983001.8631.9551.5411.3571.3064001.932.0141.5661.3771.3155001.9892.1391.5911.39813276002.0432.1141.6161.4151.347002.0892.1521.6411.4361.3528002.0982.1811.6691.4491.3659002.1692.2151.6961.4651.37710002.2022.2361.7251.4781.39011002.2362.2611.750
5、1.4911.40312002.2652.2781.7751.5031.415若不考虑热损失，根据热平衡空气的吸热等于烟气的放热。设烟气出口温度th.o=920，在每个区间内把比热容近似看做线性变化。表3-3 920烟气成分比热容 （单位：KJm-3K-1） 温度CO2SO2H2OO2N29202.17562.21921.70181.46761.3796则：ch.o=2.175612% + 2.21921.51% + 1.701810.0% + 1.46761.11% + 1.379675.38%=1521J/m3，烟气入口温度th,i=1200，其比热容计算得1567J/m3，根据热平衡式计
6、算烟气出口温度为： （3-2）与假定920基本相等，故确定出口温度=920。3.3对数平均温差确定烟气与空气为顺流流动，烟气进、出口处两流体的温差为：进口处 出口处 由于/=2.572，故取对数平均温差 （3-3）3.4空气侧传热系数的计算空气平均温度为：tc.m=(440+20)/2=230空气流动雷诺数为（）： （3-4） 可知空气在管内属湍流流动。按L/d50，则补正系数kL=1.0。设管壁温度tw=750()，温度补正系数kt=(Tg/Tw)0.5=(230+273)/(750+273)0.3=0.70 （3-5）由参考文献1式4-18A得，空气侧的传热系数： （3-6）3.5烟气侧传
7、热系数计算由于烟气侧对流传热系数所占份额很小可或略不计，仅计其辐射传热部分，并对进口，出口端分别计算然后取平均值。3.5.1烟气入口端辐射传热系数烟气有效射线长度为： （3-7）由表0得烟气成分：CO2 16.0%，H2O 11.1%。当烟气温度th.i1200时，查参考文献1的图3-16、3-17、3-18得：，因此可求得烟气的黑度为： （3-8）设管组圆筒壁的黑度b=0.8，而系数按公式为： （3-9）按公式可求得系统的黑度为： （3-10）入口处烟气温度th.i=1200，空气温度为tc.i=20 。取极大壁温1200、极小壁温200，等分为10个区间，分别计算出其实际壁温，选取含预设值
8、等于计算值的区间进行迭代，计算得到较接近的壁温tw.i=1014，则温度补正系数为： （3-11）同式（3-6）算得烟气入口处空气侧得对流传热系数为： （3-12）按参考文献1式4-60、4-61求得： （3-13） （3-14）查参考文献1表4-19，a=13.0已经超出可估算f(a)的范围。因此用表4-19的数据作出a-f(a)散点图（如下），并按对数关系得到R2=0.9995的回归方程：y=-0.107ln(x)+0.7223 （3-15）图3-1a-f(a)散点统计图把x=a=13.0代入式（3-15），算得。则管壁温度为： （3-16）或tw=1286.76-273=1013.76，
9、与原假定的1014基本接近，故可按tw.i=1014进行下一步计算。当烟气温度为壁温tw.i=1014时，查参考文献1的图3-16、3-17、3-18分别得：。则由式（3-8）得烟气的黑度为： （3-17）按下式计算得出烟气入口处的辐射传热系数为： （3-18）3.5.2烟气出口端辐射传热系数当烟气温度th.i900时，查参考文献1的图3-16、3-17、3-18分别得：，。则由式（3-8）得烟气的黑度为： （3-19）设管组圆筒壁的黑度b=0.8， 按式（3-10）可算得系统的黑度为： （3-20）出口处烟气温度th.o=900，空气温度为tc.o=440。设壁温tw.o=720，则由式（3
10、-11）得温度补正系数为： （3-21）同式（3-6）算得烟气入口处空气侧得对流传热系数为： （3-22）同式（3-13）得： （3-23）同式（3-14）得： （3-24）查参考文献1的表4-19得。同式（3-16）得管壁温度为： （3-25）或tw=995-273=722，与原假定的720基本接近，故可按tw.o=720进行下一步计算。当烟气温度为壁温720时，查参考文献1的图3-16、3-17、3-18得：，。同式（3-8），则烟气的黑度为： （3-26）按下式计算得出烟气入口处的辐射传热系数为： （3-27）3.5.3烟气平均传热系数这里仅考虑辐射传热系数： （3-28）3.6总传热系
11、数K （3-29）3.7传热表面积F （3-30）3.8管组圆筒高度查表可知换热管每米长加热表面积（按外径计），则管组圆筒高度为： （3-31）3.9核算管的入口系数kL换热管长度L=H=2.29m，管内径，此时，计算空气侧对流换热系数时的管段入口系数，故前面空气对流传热系数o计算时假定是正确的，不需再算。4校验计算4.1空气出口温度当空气温度时，同3.2节易计算比热容为：，其水当量为： （4-1）当烟气平均温度为时，同3.2节易计算比热容，其水当量同式（4-1）为： （4-2）水当量之比为： （4-3）换热器空气侧的热传递单元数为： （4-4）换热器空气侧传热有效度Ec（顺流式）为： （4-5）则，空气出口温度为： （4-6）烟气出口温度： （4-7）比传热计算中假定的900低8，误差0.9%(4%)，故热计算认可。但空气出口温度425与44
