换热器说明书
换热器课程设计任务书
题 目:环缝式换热器设计
学
专业班级: 能动1204 指导老师: 李 茂 姓 名: 苏宏超 学 号: 1003120711 日 期:2014.12.30--2015.01.20
2015年01月18日
目 录
第一章 课程设计的基本要求 ……………………………………… 2
第二章 换热器结构初步确定 ……………………………………… 2
1 内筒直径 ……………………………………………………………… 2 2 环缝宽度 ……………………………………………………………… 2 3 外筒直径……………………………………………………………… 3
第三章 换热器的热计算 ………………………………………… 3
1 有效传热热流量 ………………………………………………… 3 2 烟气出口温度计算 …………………………………………………… 3 3 平均温度差计算 …………………………………………………… 4 4 空气侧传热系数 …………………………………………………… 4 5 烟气侧传热系数 …………………………………………………… 5 6 换热器总传热系数K ……………………………………………… 9 7 传热表面积F ……………………………………………………… 9 8 内筒高度 …………………………………………………………… 9 9 核算管段入口系数k L ……………………………………………… 9
第四章 换热器验算 ………………………………………………… 10
1 空气出口温度 ……………………………………………………… 10
2 烟气出口温度 ……………………………………………………… 10 3 壁温计算 …………………………………………………………… 11
第五章 流体流动压降计算 …………………………………………… 11
1 空气侧压损 ……………………………………………………… 11 2 烟气侧压损 ………………………………………………………… 12
第六章 换热器技术性能及总图 …………………………………… 13
1 设计结果汇总表 …………………………………………… 13 2 CAD 总图 ……………………………………………………… 14
第七章 设计小结………………………………………………………… 14
1 设计评述 …………………………………………………………… 14 2 参考资料 …………………………………………………………… 16
第八章 主要符合说明…………………………………………………… 16
一.换热器设计条件:
1)入换热器的平均烟气标况流量:V h =1. 94m 3/s ; 2)入换热器烟气温度:t h , i =11500C 3)入换热器空气标况流量:V c =1. 71m 3/s ; 4)入换热器空气温度:t h, i =200C ; 5)出换热器空气温度:t h , o =4700C ; 6)烟气成分(V/V , %)
7) 环缝内安装螺旋形导向片,螺旋节h =1. 0m . 二.换热器结构初步确定 1.内筒直径
取烟气的标况流速w h =0. 8m /s ,通道断面为: f i =
V h 1. 94==2. 425(m 2) w h 0. 8
内筒内径为:D i ,i =1. f i =1. . 425=1. 76 (m ) 取内筒壁厚6mm ,则内筒外径D i , (m )0=1. 7722.环缝宽度
取空气在环缝螺旋通道内的标况w c =24. (4m /s ) ,则 环缝断面积为:f hf = 环缝宽度为:δhf =3.外筒内径
V c 1. 71
==0. 07(m 2) w c 24. 4=
0. 07
=0. 07(m ) 1. 0
f hf h
D 0,i =D i , (m )0+2δhf =1. 772+2⨯0. 07=1. 912
取外筒壁厚为6mm ,则外筒外径D 0, 0=1. 924(m ) 三.换热器的热计算
1.有效传热热流量(指空气所需的显热增量)
查附录三得湿空气在进出口的比热容分别为:c c , i =1323. 8J /m 3⋅k ,
c c , o =1366. 4J /m 3⋅k ,则
Q =V c (t c , o c c , o -t c , i c c , i )=1. 71⨯(470⨯1365. 1-20⨯1323. 8) =1051857(W ) 2.烟气出口温度计算
根据热平衡式,在不考虑热损失的情况下,空气的吸热等于烟气的放热,因而可先计算出烟气的出口温度。按照烟气成分求出烟气的比热容(见表如下)
烟气比热容c p
假设t h , o =850︒C ,其比热容为c h , o =1533[J /(m 3⋅︒C )],而烟气入口温度t h ,i =1150时,其比热容为:c h ,i =1583(︒C )[J (/m 3⋅︒C )],按热平衡计算得:
t h , 0=
V h t h , i c h , i -Q V h c h , o
1. 94⨯1150⨯1583-1051857
1. 94⨯1533
=834(︒C )=
与假定的850︒C 不相等,同样的方法再进行多次假设求解,最终得:,代入上式计算结果与假设结果相同,故先可按835 ℃t h , 0=835(︒C )进行下一步计算。 3.平均温度差计算
设计采用烟气与空气为顺流流动,则换热器进,出口流体温度差为:
∆t i =t h , i -t c , i =1150-20=1130(︒C ); ∆t o =t h , o -t c , o =835-480=355(︒C ),
由于∆t i /∆t o =3. 25≥2,故取对数平均温度差 ∆t LM =
∆t i -∆t 01130-355
==669(︒C ) ∆t i 1130
ln ln
355∆t o
4.空气侧传热系数 空气平均温度为:
=20+470)=245(︒C ) t c , m =(t c , i +t c , o )
1
2
12
螺旋通道当量直径: d e =
4f hf S =
4⨯0. 07
=0. 131(m )
2⨯(1. 0+0. 07)
空气流速w c =24. 4m /s ,空气的雷诺数为:
w d 0. 66
Re =c e (1+βt c , m )
13. 96
24. 4⨯0. 131⎛245⎫
=71633⨯ 1+⎪
13. 96273⎭⎝
=25031
0. 66
属于湍流,可用(4-21A) 计算,公式中的系数确定如下: 设壁温t w =650︒C ,
T w =273+t w =923(K )
⎛T g ⎫'
则,k t = T ⎪⎪
⎝w ⎭
0. 5
⎛273+245⎫= ⎪
923⎝⎭
0. 5
=0. 75
螺旋半径R =(D i, o +D o , i ) /4=(1. 772+1. 912) /4=0. 921m 则k R =1+1. 77(d e /R ) =1+1. 77⨯(0. 131/0. 921) =1. 25 由于内筒高度还未求出,先假定管段入口系数 k L =1. 0;
k D =(D o.i /D i , o )0. 53=(1. 912/1. 772)0. 53=1. 04 空气在环缝内的对流传热系数为:
w
αc =3. 63c 0. 2(1+β't c , m )0. 23k k ' k k
L t R D d e
0. 8
0. 230. 8
(24. 4)245⎫⎛
=3. 63⨯⨯ 1+⎪⨯1. 0⨯0. 75⨯1. 25⨯1. 04
0. 1310. 2⎝273⎭
=79. 3
[W /(m 2·︒C )]
5.烟气侧传热系数
烟气平均温度为:
t h , m =(t h , i +t h , o ) =(1150+835) =992. 5(︒C )
由于烟气在内筒内的流速很小,其对流传热系数可忽略不计,仅计算烟气的辐射传热系数。
根据辐射换热器热计算的特点,对于烟气的辐射传热系数按进、出口分别计算。
1)
入口端烟气的辐射传热系数
12
12
烟气在内筒内的有效射线长度为: l =0. 9D i , i =0. 9⨯1. 76=1. 58(m )
烟气成分为:CO 2—5. 85%、H 2O —3.7%、SO 2—6.7%,烟气入口处温
度t h , i =1150︒C ,查图3-16至图3-19得: εCO =0. 09, εSO =0. 13, ε' H O =0. 062, β=1. 03
2
2
2
则烟气的黑度为:
εh , i =εCO +βε' H +εSO =0. 09+1. 03⨯0. 062+0. 13=0. 28 4
2
2O
2
取内筒金属壁的黑度εW =0. 8, 按公式求得系统的辐射系数为: C s , i =
5. 68
=
11+-1
5. 68
=1. 506[W /(m 2⋅︒C )]
11
+-10. 2840. 8
εh , i εW
入口处环缝内空气侧传热系数为:
当入口空气温度t c , i =20︒C , 空气标态流速w c =24. 4m /s , 设壁温t w =650(︒C ) ,温度补正系数k ' =(T C /T W ) 0. 5=(293/923) 0. 5=0. 56 则入口端空气传热系数为:
αc , i =3. 63
ωc 0. 8
d
0. 2e
(1+β't c , i ) 0. 23k L k ' t k R k D
(24. 4) 0. 8200. 23
=3. 63⨯⨯(1+) ⨯1. 0⨯0. 56⨯1. 25⨯1. 04
(0. 131) 0. 2273=61. 44
[W /(m 2⋅︒C )]
T i = a =
C s , i T h , i 41. 5061150+2734
() +T c , i =() +(20+273) =1298(K ) αc , i 10061. 44100C s , i
T 1. 50612983
(i ) 3=() =0. 536 100αc , i 100100⨯61. 44100
查表4-19得:f(a)=0.79,则内筒壁温为:
T W , i =f (a ) T i =0. 79⨯1298=1025(K ), t W , i =1025-273=752(︒C )
。
当烟气温度为t h =t w , i =752︒C 时,查相关图表得:
εCO =0. 105, εSO =0. 20, ε' H O =0. 12, β=1. 03。则烟气的黑度为:
2
2
2
εh , w =εCO +βε' H O +εSO =0. 105+1. 03⨯0. 12+0. 20=0. 429
2
2
2
因此,入口处烟气的辐射传热系数为:
C s , i [
αh , r , i =
εh , i T h , i 4T w , i 4
() -() ]εw , i 100100
t h , i -t w , i
1250
0. [1**********]54
1. 506⨯[⨯() -() ]
= 1150-752=61
[W /(m 2⋅︒C )]
2) 出口端烟气的辐射传热系数
出口端烟气温度为t h , o =835︒C , 查相关图表得
εco =0. 11, εso =0. 15, ε' H o =0. 068, β=1. 03。则烟气的黑度为:
2
2
2
εh , o =εCO +βε' H O +εSO =0. 11+1. 03⨯0. 068+0. 15=0. 33
2
2
2
取内筒金属壁的黑度εw =0. 8,按公式求得系统的辐射系数为:
C s , o =
5. 685. 68
==1. 73[W /(m 2⋅︒C 4)]
1111+-1+-1εh , o εw , o 0. 330. 8
出口处环缝内空气侧传热系数为:当出口空气温度t c , o =470︒C ,空气标态流速w c =24. 4m /s , 设壁温t w =500︒C ,温度补正系数
k ' =(T c /T w ) 0. 5=(743/773) 0. 5=0. 98,同样求得出口端空气传热系数为
αc , o
0. 8w c
=3. 630. 2(1+β't c , o ) 0. 23k L k ' t k R k D
d e
(24. 4) 0. 84700. 23
=3. 63⨯⨯(1+) ⨯1. 0⨯0. 98⨯1. 25⨯1. 040. 2
(0. 131) 273=112. 6
[W /(m 2⋅︒C )]
C s , o T h , o 41. 73835+2734
T o =() +T c , i =⨯() +(20+273) =525(K )
αc , o 100112. 6100
a =
C s , o 100αc , o
T 1. 735253
(0) 3=() =0. 022 100100⨯112. 6100
查表4-19得f(a)=0.979,则内筒壁温为:
T w , o =f (a ) T 0=0. 979⨯525=514(K ) t w , o =514-273=241(︒C )
当烟气温度为t h =t w , o =241︒C 时,
有关图表εCO =0. 095, εSO =0. 25, ε' H O =0. 14, β=1. 03。
2
2
2
则烟气的黑度为:
εh , w =εCO +βε' H O +εSO =0. 095+1. 03⨯0. 14+0. 25=0. 489
2
2
2
因此,出口处烟气的辐射传热系数为:
C s , o [
αh , r , o =
εh , o T h , o 4T w , o 4
() -() ]εw , o 100100
t h , o -t w , o
0. 33835+27345144
⨯() -() ]
835-241[W /(m 2⋅︒C )]
1. 73⨯[==27. 6
2)烟气平均辐射传热系数
αh , r , m =
αh , r , i -αh , r , o 61-27. 6
==42. 1
h , r , i 61
ln ln
27. 6αh , r , o
[W /m 2⋅︒C ]
考虑进、出口集箱辐射的影响取辐射增量∆αr =0.25,则烟气侧辐射传热系数为:
αh =(1+∆αr ) αh . r , m =(1+0. 25) ⨯42. 1=52. 66.换热器总传热系数K K =
[W /m 2⋅︒C )]
αh ∙αc 52. 6⨯79. 3
==31. 6
αh +αc 52. 6+79. 3
[W /(m 2⋅︒C )]
7.传热表面积F
F =8.内筒高度 H =
F 50
==8. 98(m ) πD i , o 3. 14⨯1. 772
Q ∆t L M K
=
1051857
=50(m 2)
669⨯31. 6
取内筒高为H=9m,则换热器传热面积为: F =3. 14⨯1. 772⨯9=50(m 2) 9.核算管段入口系数k L
螺旋节距h=1.0m,旋转直径为: D =D i, o -δf =1. 912-0. 07=1. 84 (2m )
内筒高度H=9m,螺旋圈n =H /h =9/1. 0=9(圈),螺旋长度(指空气流程长度)为:
L =n πD 2+h 2=9⨯3. 14⨯1. 8422+1. 02=52. 8(m )
在进行环缝通道内空气传热系数计算时,环缝的当量直径
则L /d e =52. 8/0. 131=403>50,故计算空气对流传热系数αc d e =0. 131m ,时假定k L =1. 0是正确的,不需再算。 四.换热器验算 1.空气出口温度
当空气温度t c . m =245℃ 时,比热容为:c c . m =1340J/(m 3⋅℃),其水当量为:w c =V c ⋅c c . m =1. 71⨯1340=2291. 4(W C )
当烟气温度t h . m =992.5℃时,比热容c h . m =1557.6J/(m 3⋅℃),其水当量为:w h =V h ∙c h . m =1.94⨯1557.6=3021.8(W C ) 水当量之比为: R c =
w c 2291. 4
==0. 76 w h 3021. 8
换热器空气侧热传递单元数为:
(NTU ) c =KF
w c
=31.6⨯50/2291.4=0.69
换热器空气侧的传热有效度E c (顺流式)为:
E c =
1-exp[-(NTU ) c ⨯(1+R c )]
1+R c
1-exp[-0. 69⨯(1+0. 76)]
=0. 399
1+0. 76
=
则,空气出口温度为:
t c . o =t c . i +E c (t h . i -t c . i ) =20+0.4⨯(1150-20)=471(℃) 经验算空气出口温度能满足470℃的要求。 2.烟气出口温度
t h . o =t h . i -E c R c (t h . i -t c . i ) =1150-0.399⨯0.76⨯(1150-20)=807(℃) 经验算烟气出口温度能满足835℃要求。
结果表明,空气出口温度471℃和烟气出口温度807℃与热计算
的条件基本相符,传热表面积F=50m 2可满足要求。 3. 壁温计算 1)平均壁温为:
t w . m =
αh t h . m +αc t c . m 52. 6⨯992. 5+79. 3⨯245
==543(℃)
αh +αc 52. 6+79. 3
2)烟气入口处壁温为:
t w . i
αh . r . i t h . i +αc . i t c . i 61⨯1150+61. 44⨯20===583(℃)
αh . r . i +αc . i 61+61. 44
3)烟气出口处壁温为:
t w . o
αh . r . o t h . o +αc . o t c . o 27. 6⨯835+112. 6⨯470
===542(℃)
αh . r . o +αc . o 27. 6+112.6
五、 流体流动压降计算 1.空气侧压损
1)摩擦压损由热计算知空气在环缝通道内雷诺数R e =25031,属于湍流计算状态。按公式(4-44)和表4-14(选粗糙金属圆形管道A=0.129,
ϕ=1,n=0.12)得摩擦阻力系数为:
λ=
A ϕ0. 129⨯1. 0
==0. 038 Re n (25031) 0. 12
按公式(4-43B )计算得摩擦阻力损失为:
∆P f =λ
L w c . o ρc . o
⨯(1+β't c . m ) d c 2
2
=0. 038⨯
52. 8(24. 4)⨯1. 293245
⨯⨯(1+)=11186(P a )0. 1312273
2)形阻(局部)压损
取进、出口环形集管阻力系数∑ζ=3.0, 温度补正系数:
ζt =
2⨯(470-20) 2(t c . o -t c . i ) ==1.74
273+245273+t c . m
求得形阻损失为:
2w c ρ
∆P d =(∑ζ+ζt ) . o c . o (1+β't c . m )
2
(24. 4) 2⨯1. 293245
⨯(1+) =3462(Pa ) =(3+1. 74) ⨯
2273
3)空气侧总压损:
∆P c =∆P f +∆P d =11186+3462=14648(Pa )
2.2. 烟气侧压损
烟气侧阻力损失包括烟进气、出口的形阻损失和内筒内的摩擦阻力损失两部分。由于换热器为立式安装,烟气的浮力影响忽略不计。 烟气在内筒内的标况流速为:
w h . o =
4⨯1. 944V h
==0.8 (m s ) 2
3. 14⨯1. 76πD i 2. i
烟气雷诺数为:
w h . o
=81967⨯Re h =(1+β't h . m ) 0. 73
0. 8
=21403>2⨯104
0. 73(1+)
273
故为湍流。 1)摩擦阻力损失 摩擦系数:
λ=
A ϕ0. 129⨯1. 0
==0.039 Re n (21403) 0. 12
摩擦阻力损失为:
2
L w h . o ρh . 0
∆P f =λ(1+β't h . m )
D i . i 2
52. 8(0. 8) 2⨯1. 32992. 5
⨯⨯(1+) =2.3(Pa ) =0. 039⨯1. 762273
2)形阻损失
取换热器烟进气、出口总阻力系数∑ζ=3.5,而温度正补系数为:
ζt =
2(t h . i -t h . o ) 2⨯(1150-835)
=0. 498 =
273+992. 5273+t h . m
形阻损失为:
2w h ρ
∆P d =(∑ζ+ζt ) . o h . o (1+βt h . m )
2
2
=(3. 5+0. 498) (0. 8) ⨯1. 32(1+992. 5) =7.83(Pa )
2273
3)烟气侧总阻力损失
∆P h =∆P f +∆P d =2. 3+7. 83=10. 13 (Pa )
六、 换热器技术性能及总图 1. 单环缝换热器技术性能表
2. CAD 总图(单独附在后面) 七、设计小结 1. 设计评述
这种环缝式换热器属于辐射换热器,传热方式主要以辐射。同对流式换热器具有释热率高、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 C 、冷流体加热温度高于600 C 以及热流体含尘较高的场合。其缺点是外形尺寸较大,换热器出口温度仍然较高,一般需要在后面再安装对流式换热器,以进一步回收烟气的余热。
我选择单面环缝式的,这种换热器是在容器外壁安装夹套制成,
能够承受高温高压,结构简单; 但其加热面受容器壁面限制, 传热系数也不高。可在环缝中安装螺旋形导向片以增加湍动趋势, 提高夹套一侧的传热系数。
顺流时,入口处两流体的温差最大,并沿流道逐渐减小,在出口处温差为最小。在传热过程中,为更好进行热量的传递必须 降低换热器中的热阻。热阻主要来源于间壁两侧对流传热面上的流体薄层(边界层) ,和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层,金属壁的热阻相对较小。增加流体的流速和扰动性,可减薄边界层,降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加,故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。
为了降低污垢的热阻,可设法延缓污垢的形成,并定期清洗传热面。由于清洗的困难程度是随着垢层厚度或沉积的增加而迅速增大的,所以清洗间隔时间不宜过长,应根据生产装置的特点,换热介质的性质,腐蚀速度及运行周期等情况定期进行检查,修理及清洗。根据换热器的形式,应在换热器的两端留有足够的空间来满足条件(操作)清洗、维修的需要。
个人总结:
这次课程设计让我充分理解到传热学课程的重要性和实用性,并运用所学知识的进行了一次简单的设计。虽然在换热器的设计中,碰到了各种问题,如CAD 制图的再熟悉、时间的合理利用等,但在老师和同学的帮助下,及时地按要求完成了设计任务,而且重要的是经过这次课设,我获得了很多重要的知识,也提高了自己的实际动手和知
识的灵活运用能力。特别感谢帮助过我的同学老师,感谢老师把时间期限放在考试后以便我们有更多时间进行计算设计。 2. 参考资料
【1】 梅炽、王临江、周孑明等. 有色冶金炉设计手册. 北京:冶金工业出版社. 2000.
【2】 杨世铭、陶文铨. 传热学. 北京:高等教育出版社. 2006(2013重印)
八、主要符合说明
w h —— 烟气标况速度,m /s ; f i —— 内筒断面面积,m 2;
w c —— 空气在环缝中标况速度,m /s ; f hf —— 环缝断面面积,m 2;
t c , i , t c , o —— 空气进出口温度, C ; t h , i , t h , o —— 烟气进出口温度, C ; ∆t LM —— 换热器平均温差, C ; k t ' —— 热流方向补正系数,按下式计算:
k t '=(T g /T w ) 0. 5
T g —— 气体绝对温度,K ; T w —— 壁面温度,K ;
k R —— 弯管弯曲补正系数,k R =1+1. 77(d /R ) ;
R —— 弯管弯曲半径,m ;
k L —— 弯管入口段补正系数,查表3-3; k D —— 套管补正系数,k D =(D o , i /D i , o ) 0. 53;
D i , o —— 套管内管外径,m ; D o , i —— 套管外管内径,m ;
β —— 水蒸气分压补正系数,查图3-18;
β' —— 气体膨胀系数,1/273,1/ C ; t c , m —— 空气平均温度, C ; t h , m —— 烟气平均温度, C ;
C s , i , C s , o —— 换热器入口端、出口端辐射系数,W /(m 2⋅ C ) ;
a —— 常数,a =
C s , i /o 100αc , o
T
(0) 3; 100
αc, i —— 入口端空气传热系数,W /(m 2⋅ C ) ;
t w , i —— 内筒壁温, C ;
αh, r, i —— 入口处烟气辐射传热系数,W /(m 2⋅ C ) ; αh —— 烟气侧辐射传热系数,W /(m 2⋅ C ) ;
K —— 换热器总传热系数,W /(m 2⋅ C ) ;
F —— 换热器换热表面积,m 2; H —— 内筒高度,m ;
(NTU)c —— 空气侧热传递单元数; E c —— 空气侧传热有效度;
A , n —— 常数,见表4-14;
ϕ —— 流道形状系数,对圆形通道ϕ=1. 0,
对方行通道ϕ=1. 5;
ρc , o —— 空气在标况下的密度,kg /m 3;
∑ζ —— 整个流道(局部)阻力系数和,按流动情况查表;
∆P d —— 形阻(局部)压力损失,Pa 。