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3.5氣-氣型熱管換熱器的設(shè)計(jì)

日期:2022-01-11 01:16:02點(diǎn)擊:333

3.5氣-氣型熱管換熱器的設(shè)計(jì)
35.1設(shè)計(jì)方法概述
氣-氣型熱管換熱器的熱流體和冷流體都是氣體,最典型的實(shí)例是煙氣加熱空氣的 熱管空氣預(yù)熱器。氣-氣型熱管換熱器因兩側(cè)都是氣體換熱,幾乎毫不例外地都要應(yīng)用翅片管來(lái)增強(qiáng)傳熱。
氣-氣型熱管換熱器的設(shè)計(jì)有兩種方法:一種是標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)程序;另一種是驗(yàn)算式的 設(shè)計(jì)計(jì)算。下面重點(diǎn)介紹標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)程序。
該設(shè)計(jì)程序與一般翅片管換熱器的設(shè)計(jì)基本相同,主要區(qū)別是增加了熱管工質(zhì)的選 擇和長(zhǎng)度比的選擇,在有露點(diǎn)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的情況下,長(zhǎng)度比的選擇和計(jì)算顯得尤為重要,甚 至影響著整個(gè)傳熱計(jì)算。此外,采用以加熱段光管外表面積作為基準(zhǔn)傳熱面積,以此面積 為基準(zhǔn)計(jì)算各項(xiàng)熱阻和傳熱系數(shù)。
設(shè)計(jì)步驟如下:
(1) 已知條件:給出冷熱兩流體的流量,進(jìn)出口溫度,并計(jì)算出熱員荷;
(2) 熱管工質(zhì)的選擇;
(3) 加熱段和冷卻段長(zhǎng)度比的選擇;
(4) 選擇冷熱流體的質(zhì)量流速并確定冷熱流體的迎風(fēng)面積;
(5) 選擇翅片管型號(hào)和參數(shù);
(6) 管外換熱系數(shù)計(jì)算;
(7) 傳熱系數(shù)
的計(jì)算,包括各項(xiàng)熱阻的計(jì)算;
(8) 傳熱溫差的計(jì)算;
(9) 計(jì)算總傳熱面積、熱管數(shù)目及管排數(shù);
(10) 阻力計(jì)算,包括熱流體側(cè)阻力計(jì)算和冷流體側(cè)阻力計(jì)算;
(11) 熱管極限傳熱能力的計(jì)算。
3.5.2設(shè)計(jì)舉例
試為一臺(tái)20 t/h采暖鍋爐設(shè)熱管空氣預(yù)熱器,設(shè)計(jì)步驟如下。
1已知條件和熱負(fù)荷計(jì)算
(1) 鍋爐型號(hào)和功率:

鍋爐燃煤:二類煙煤,熱值為
該鍋爐排煙的硫酸露點(diǎn)溫度為。
(2) 空氣預(yù)熱器的煙氣進(jìn)出口溫度:

實(shí)際排煙量
o
(3) 空氣預(yù)熱器的空氣進(jìn)口溫度
 ;
空預(yù)器的空氣流量

(4) 熱負(fù)荷計(jì)算,煙氣側(cè)熱負(fù)荷:
(5) 空氣出口溫度
2.熱管工質(zhì)的選擇
(1) 煙氣入口處的管內(nèi)蒸汽溫度:

煙氣溫度為200℃,空氣出口溫度為82 ,管內(nèi)蒸汽溫度
(2) 煙氣出口處熱管的管內(nèi)蒸汽溫度:
煙氣溫度為150
,空氣入口溫度為20 管內(nèi)蒸汽溫度為
(3) 根據(jù)管內(nèi)溫度的計(jì)算結(jié)果和3. 3節(jié)的推薦,選用水作為熱管工質(zhì)是合適的。
3.加熱段和冷卻段長(zhǎng)度比的計(jì)算和調(diào)節(jié)
(1) 露點(diǎn)腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估:因?yàn)樵跓煔獾某隹谔?,管?nèi)溫度低于露點(diǎn)溫度,存在露點(diǎn) 腐蝕的風(fēng)險(xiǎn),需要按安全長(zhǎng)度比計(jì)算。
(2) 取防止露點(diǎn)腐蝕的安全溫度
,高于露點(diǎn)溫度105。
(3) 煙氣出口處熱管的安全保證:
由式(3.4. 10),在假定兩側(cè)的傳熱系數(shù)相等的條件下:
式中,代表煙氣溫度;代表空氣溫度分別為加熱段和冷卻段的傳熱系數(shù)。該 計(jì)算值說(shuō)明,為了防止腐蝕,加熱段的長(zhǎng)度應(yīng)為冷卻段長(zhǎng)度的2. 25倍。為了縮小這一比
值,可改變比值,使現(xiàn)設(shè)定加熱段的長(zhǎng)度為冷卻段長(zhǎng)度的1. 8倍,即

這說(shuō)明,為了防止腐蝕,并滿足1.8的長(zhǎng)度比,應(yīng)保證
(4)在中點(diǎn)溫度處,煙氣的中點(diǎn)溫度為
,空氣的中點(diǎn)溫
度為
,在中點(diǎn)處的管內(nèi)蒸汽溫度約為,大于露點(diǎn)溫度105,因而是安全的。
(5) 為了調(diào)節(jié)兩側(cè)的傳熱系數(shù),可行的方法是改變兩側(cè)的翅片結(jié)構(gòu),尤其是改變兩側(cè) 的翅片節(jié)距。
為此,將熱管的冷卻段分為兩組:在中點(diǎn)溫度以上的熱管,冷卻段選用較小的翅片節(jié) 距;在中點(diǎn)溫度以下的熱管,冷卻段選用較大的翅片節(jié)距。
(6) 長(zhǎng)度比的選型效果見(jiàn)表3. 5. 2中的
值。
4.迎風(fēng)面質(zhì)量流速和迎風(fēng)面積
(1) 選取煙氣側(cè)質(zhì)量流速:

(2) 煙氣側(cè)迎風(fēng)面積:
;
取加熱段長(zhǎng)度
,管束寬度為1.42 m
冷卻段長(zhǎng)度
,長(zhǎng)度比;
熱管總長(zhǎng)

(3)空氣側(cè)迎風(fēng)面積:
空氣側(cè)迎面質(zhì)量流速:
5. 翅片管選型
(1) 翅片管選型:高頻焊碳鋼螺旋翅片管;
(2) 基管直徑:
=32 mmx3. 5 mm,翅片外徑:df = 62 mm;翅片厚度=1 mm。
(3) 翅片間距:加熱段(煙氣側(cè))節(jié)距全部為7 mm;冷卻段(空氣側(cè))節(jié)距:在非防腐區(qū) (從煙氣入口至中點(diǎn)溫度),節(jié)距取7 mm;在防腐區(qū)(從中點(diǎn)溫度至煙氣出口),節(jié)距取 14 mmo
(4) 翅片管橫向管間距84 mm,排列方式:等邊三角形排列。
(5) 橫向熱管排數(shù)1 420/84=16.9,17排。
6. 管外換熱系數(shù)的計(jì)算
(1) 最窄流通截面上的質(zhì)量流速
煙氣側(cè):最窄流通截面/迎風(fēng)面=0. 568;
最窄流通截面上的質(zhì)量流速;
空氣側(cè):防腐區(qū)最窄流通截面/迎風(fēng)面=0. 595 ;
防腐區(qū)最窄流通截面上的質(zhì)量流速;
非防腐區(qū)最窄流通截面/迎風(fēng)面=0. 568;
非防腐區(qū)最窄流通截面上的質(zhì)量流速o
(2) 物性值在表3.5. 1中查取。
3. 5 1各種情況下的物性值
位置 介質(zhì) 溫度& 密度 /(kg • m3) 導(dǎo)熱系數(shù)人
/
比熱 普朗特?cái)?shù)
出口 煙氣 150 0. 85 0. 0357 1.083 22.5 0. 68
空氣 20 1.205 0. 0259 1.005 18. 1 0. 703
中間 煙氣 175 0. 80 0. 0379 1.09 23.5 0. 675
空氣 51 1.003 0. 0283 1.005 19.6 0.698
進(jìn)口 煙氣 200 0. 748 0. 0401 1.097 24.5 0. 67
空氣 82 1.00 0. 0305 1.009 21. 1 0. 692
 

(3) 對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算:以翅片管外表面為基準(zhǔn)的換熱系數(shù)農(nóng)由式(2. 2. 6)計(jì)算。
(4) 翅片效率
由式(2.4.7) -(2.4. 9)計(jì)算。
(5) 翅化比
由式(2. 1.9)計(jì)算。
(6) 以基管外表面為基準(zhǔn)的換熱系數(shù)么由式(2. 1.6)(2. 1.8)計(jì)算。
(7) 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3.5.2。
3. 5.2管外換熱系數(shù)的計(jì)算結(jié)果

位置 介質(zhì) mL 翅片效率
翅化比 基管換熱 系數(shù) 安全性 評(píng)估
煙氣 煙氣 7. 92 83.6 1. 175 3 0. 703 7. 43 436.7 112.3 安全
出口 空氣 11.9 120. 8 1.412 8 0. 63 4. 21 320.4
煙氣 煙氣 7. 92 85.8 1. 190 7 0. 698 7. 43 445.0 127.2 安全
中間 空氣 12. 46 102.2 1.299 0. 663 7. 43 503.4
煙氣 煙氣 7. 92 87.9 1. 205 0.693 7. 43 452.6 154.5 安全
進(jìn)口 空氣 12. 46 104.2 1. 312 0. 66 7.43 511.0
 
 
注:式(3. 4.9')中的局部傳熱系數(shù)由管外換熱系數(shù)h„替代。
(8)設(shè)計(jì)選用的換熱系數(shù)。
加熱段換熱系數(shù)平均值:選取中點(diǎn)溫度下的換熱系數(shù)值
冷卻段換熱系數(shù)平均值:選取中點(diǎn)和出口處的平均值
7.傳熱熱阻和傳熱系數(shù)
(1) 煙氣側(cè)對(duì)流換熱熱阻
(2) 煙氣側(cè)壁面導(dǎo)熱熱阻
(3) 管內(nèi)蒸發(fā)熱阻
式中,為選取值。

(4)管內(nèi)凝結(jié)熱阻
(5)空氣側(cè)壁面導(dǎo)熱熱阻
(6)空氣側(cè)對(duì)流換熱熱阻
(7)污垢(積灰)熱阻
由表2. 9. 2-2. 9.4及式(2.9. 1),煙氣側(cè)污垢熱阻
空氣側(cè)污垢熱阻
總污垢熱阻
(8) 總傳熱熱阻
(9) 傳熱系數(shù)

說(shuō)明:由于沿流體的流動(dòng)方向上傳熱系數(shù)發(fā)生變化,對(duì)數(shù)平均溫差的計(jì)算會(huì)產(chǎn)生一定 的偏差。
9.傳熱面積和熱管數(shù)目
(1)以加熱段基管外表面為基準(zhǔn)的傳熱面積
20%設(shè)計(jì)余量,則
(2)熱管數(shù)目
(3)縱向管排數(shù):

實(shí)取熱管數(shù)
實(shí)取加熱段傳熱面積
實(shí)取加熱段和冷卻段的總傳熱面積
 

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