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3-1）。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 （单位：KJm-3K-1） 温 度CO2SO2H2OO2N22001.7881.8881.5241.3361.2983001.8631.9551.5411.3571.3064001.932.0141.5661.3771.3155001.9892.1391.5911.39813276002.0432.1141.6161.4151.347002.0892.1521.6411.4361.3528002.0982.1811.6691.4491.3659002.1692.2151.6961.4651.37710002.2022.2361.7251.4781.39011002.2362.2611.7501.4911.40312002.2652.2781.7751.5031.415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，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（3-11）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