環(huán)縫式換熱器課程設計說明書

1、 換熱器課程設計 課程設計說明書課 題 環(huán)縫式（夾套式）換熱器設計 學 院 學生姓名 指導老師 專業(yè)班級 學 號 目錄1. 設計條件.32. 確定內外筒直徑.4（1） 內筒直徑.4（2） 環(huán)縫寬度.4（3） 外筒內徑.43.熱計算.5 （1）有效傳熱熱流量（指空氣所需的顯熱增量）.5（2）煙氣出口溫度計算.5（3）平均溫度差計算.6（4）空氣側傳熱系數.6（5）煙氣側傳熱系數.7（6）換熱器總傳熱系數K.11（7）傳熱表面積F.11（8）內筒高度.11（9）核算管段入口系數KL.114.換熱器驗算.12（1）空氣出口溫度.12（2）煙氣出口溫度.12（3）壁溫計算.125.流體壓降計算.13（

2、1）空氣側壓損.13（2）煙氣側壓損.146.總結.167.參考文獻.16附錄 換熱器總圖（1#）環(huán)縫式（夾套式)換熱器設計說明書1設計條件（1）進入換熱器的煙氣標況流量：=1.80（m3/s）； （2）換熱器煙氣進口溫度： =1150（）；（3）進入換熱器的空氣標況流量： =1.55（m3/s）（4）換熱器冷空氣進口溫度： =20（）；（5）換熱器熱空氣出口溫度： =430（）； （6）入換熱器煙氣成分（體積%）：成分CO2SO2H2OO2N216.00.4711.11.1371.30 （7）環(huán)縫內安置螺旋形導向片，螺旋節(jié) h=1.0（m）；- 3 - 換熱器課程設計 2確定內外筒直徑 環(huán)縫

3、式換熱器由兩個同心的內外圓筒組成，煙氣在直徑較大的內筒流動，可以增加高溫煙氣的輻射傳熱，而壓力較高的空氣在較小的環(huán)縫內流動可加強對流換熱。但其加熱面受容器壁面限制，傳熱系數不高.為提高傳熱系數且使釜內液體受熱均勻，可在釜內安裝攪拌器.若夾套中通入冷卻水或無相變的加熱劑時，也可在夾套中設置螺旋隔板或其它增加湍動的措施，以提高夾套一側的傳熱系數.為補充傳熱面的不足，亦可在釜內部安裝蛇管. 夾套式換熱器廣泛用于反應過程的加熱和冷卻。 經分析，采用螺旋順流結構。（1）內筒直徑取煙氣的標況流速h=0.8 m/s通道斷面為：= =2.250 (m2) （2-1）內筒直徑為=1.13=1.13=1.695

4、（m） （2-2） 取內筒壁厚=6mm，則內筒外徑 =+2=1.707 （m） （2-3）（2）環(huán)縫寬度取空氣在環(huán)縫螺旋通道內的標況=20.0 (m/s),則環(huán)縫斷面積為： （m2） （2-4）環(huán)縫寬度為： （m） （2-5）(3)外筒內徑 =1.707+2×0.076=1.859 （m） （2-6） 取外筒壁厚6mm，則外筒外徑=1.871（m）3.熱計算 （1）有效傳熱熱流量（指空氣所需的顯熱增量） = 1.55×（430×1360-20×1324） = 865396 （W） （3-1） （2）煙氣出口溫度的計算 根據熱平衡式，在不考慮熱損失的情況下

5、，空氣的吸熱等于煙氣的放熱， 因而可先計算出煙氣的出口溫度。按照煙氣成分求出煙氣的比熱容。表1 煙氣中成分各溫度下的比容表（單位：KJ/(m3)）溫度CO2SO2H2OO2N28002.0982.1811.6711.4491.3659002.1692.2151.6961.4561.37710002.2022.2361.7251.4781.39011002.2362.2611.7501.4911.40312002.2652.2781.7751.4151.415計算方法：如：800下，煙氣比熱 =0.16×2.098+0.0047×2.181+0.111×1.671+

6、0.0113×1.449+0.7130×1.365=1.521 (KJ/(m3)=1521 (J/(m3)其他溫度下計算方法相似，可計算得下表： 表2 煙氣比熱容 t/80090010001100120015211544156215801596 假設=870，其比熱容=1537 J/(m3·)，而煙氣入口溫度=1150時其比熱容為= 1588 J/(m3·) ，按熱平均計算得： =875 （3-2） 與假定的870幾乎相等，故可先按870的出口溫度進行下一步熱計算。 (3)設計采用煙氣與空氣順流流動，則換熱器進、出口流體溫度差為： （3-3） 由于，故取

7、對數平均溫度差 （3-4） （4）空氣側傳熱系數 空氣平均溫度為： =0.5（+）=0.5（20+430） =225 （3-5）螺旋通道當量直徑： （3-6）空氣流速，空氣的雷諾數為： （3-7）屬于湍流，系數確定如下： 設壁溫 = 650， = 273 + 650 = 923（K） （3-8） 則， =（225+273）/923）0.5 =0.73 （3-9） 螺旋半徑=（1.859+1.707）/4 =0.907 （3-10） 則: （3-11）由于內筒高度還未求出，先假定管段入口系數 ; (3-12) 空氣在環(huán)縫內的對流傳熱系數為： （3-13）（5）煙氣的傳熱系數煙氣的平均溫度為： =

8、0.5（+）=0.5（1150+870） （3-14） =1010由于煙氣在內筒內的流速很小，其對流傳熱系數可忽略不記，僅計算煙氣的輻射傳熱系數。根據輻射換熱器計算的特點，對于煙氣的輻射傳熱系數按進、出口分別計算。入口端煙氣的輻射傳熱系數 煙氣在內筒內的有效射線長度為： L=0.9=0.9×1.695=1.53（m） （3-15）煙氣的成分為：CO216.0%,SO20.47%,H2O11.1%煙氣入口處溫度為1150?？芍? （3-16）則煙氣的黑度為： =0.12+1.03×0.12+0.015 =0.259 （3-17）取內筒金屬璧的黑度為，按公式求得系統(tǒng)的輻射系數為

9、; （3-18）入口處環(huán)縫內空氣的側傳熱系數為：當入口空氣溫度tc.i=20，空氣標態(tài)流速，設璧溫tw=600溫度補正系數 （3-19）代入，則入口端空氣傳熱系數為： （3-20） （3-21） （3-22） 查表4-19得，則內壁溫度=To=0.72×1505=1084（K）,=1084-273=811。 （3-23）當煙氣溫度為=811時，查有關圖表得; （3-24）則煙氣黑度為： （3-25） 因此，入口處煙氣的輻射傳熱系數為 （3-26） 出口端煙氣的輻射傳熱系數出口端煙氣溫度為=870，查有關圖表得， （3-27）則煙氣的黑度為： =0.14+1.03×0.15+

10、0.02 =0.31 （3-28）取內筒金屬璧的黑度為，按公式求得系統(tǒng)的輻射系數為; （3-29）出口處環(huán)縫內空氣的側傳熱系數為：當出口空氣溫度=430，空氣標態(tài)流速，設璧溫=500溫度補正系數 （3-30）代入，則出口端空氣傳熱系數為： （3-31）=1000(K) (3-32) （3-33）查表得，則內壁溫度Tw.i=To=890（K）,=890-273=617。當煙氣溫度為=617時，查有關圖表得; （3-34）則煙氣黑度為： （3-35） 因此，出口處煙氣的輻射傳熱系數為煙氣平均輻射傳熱系數 （3-36）考慮進、出口集箱輻射的影響取輻射增量，則煙氣輻射傳熱系數為： （3-37）(6)

11、換熱器的傳熱系數K （3-38）（7） 傳熱表面積F （3-39） （8）內筒高度 （3-40） 取內筒高度H=6.2m，則換熱器傳熱表面積為; （3-41） （9）核算管段入口系數kL 螺旋節(jié)距h=1.0m，螺旋直徑為： （m） （3-42） 內同高度H=6.2m，螺旋圈n=H/h=6.2/1.0=6.2圈，螺旋長度(指空氣流程長度)為： （3-43） 在進行環(huán)縫通道內空氣傳熱系數計算時，環(huán)縫的當量直徑de=0.141m，則L/de=250>50，故計算空氣對流傳熱系數時假定kL=1.0是正確的，不需再算。4.換熱器的驗算 (1)空氣出口溫度 當空氣溫度為時，比熱容為：，其水當量為：

12、（4-1） 當煙氣溫度為時，比熱容,其水當量為： （4-2） 水當量之比為： （4-3） 換熱器空氣側的熱傳遞單元為： （4-4）換熱器空氣側的熱傳有效度(順流式)為： （4-5）則，空氣出口溫度為： （4-6） 經驗算空氣出口溫度誤差為0.5%能滿足430的要求。（2） 煙氣出口溫度 （4-7） 與假定中的870低25，誤差為2.9%<4.0%，滿足出口溫度870的要求 驗算結果表明，空氣出口溫度432.45和煙氣出口溫度845與熱計算中的條件基本相符，傳熱表面積F=33可滿足要求。（3） 壁溫計算平均壁溫為： （4-8）煙氣入口處壁溫 （4-9）煙氣出口處壁溫 （4-10）根據最高壁

13、溫，換熱管材質選1Cr18Ni9。5. 流體壓降計算 （1）空氣側壓損摩擦壓損由熱計算知空氣在環(huán)縫通道內的雷諾數為21517，屬于湍流狀態(tài)?？赏频媚Σ磷枇ο禂禐椋?（5-1）按公式計算摩擦阻力損失為： （5-2） 形阻（局部）壓損取進、出口環(huán)形集管阻力系數，溫度補正系數： （5-3）按公式求得形阻損失為： （5-4）空氣側壓總損 （5-5） ，符合設計要求 （2）煙氣側壓損 煙氣側壓力損失包括煙氣進、出口的形阻損失和內筒內的摩擦阻力損失，由于換熱器為立式安裝，煙氣的浮力忽略不計。 煙氣在內筒內標況流速為： （5-6）煙氣雷諾數為： (5-7） 摩擦阻力損失 摩擦系數： （5-8）摩擦阻力損失為

14、： （5-9） 形阻損失 取換熱器煙氣進、出口總阻力系數為，而溫度補正系數為： （5-10） 形阻損失為： （5-11） 煙氣側總阻力損失 （5-12）符合設計要求。表3 環(huán)縫式輻射換熱器的技術性能表 序 號 名 稱 數 值 1 傳熱面積/ 33 2 流動方式 螺旋順流式 3 空氣入口溫度/ 20 4 空氣出口溫度/ 430 5 空氣標況流量/ 1.55 6 煙氣入口溫度/ 1150 7 煙氣出口溫度/ 845 8 煙氣標況流量/ 1.80 9 空氣標況流速/ 20.0 10 煙氣標況流速/ 0.8 11 總傳熱系數 39 12 內筒直徑/mm 1695 13 內筒壁厚/mm 6 14 內筒材

15、質 1Cr18Ni9 15 外筒內徑/mm 1859 16 外筒材質/g 20 17 空氣側壓降/Pa 6800 18 煙氣側壓降/Pa 9.43 6. 總結 通過本次課程設計，我對換熱器的結構、性能都有了一定的了解，知道了不同換熱器之間的共同點和區(qū)別，同時，在設計過程中，也掌握了一定的工藝計算方法。換熱器是工業(yè)生產中重要的設備之一，而且種類繁多，特點不一，因此，選擇合適的換熱器是相當重要的。在本次設計中，我們不需要對換熱器進行選擇,直接用給定的換熱器來解決相應問題。在計算過程中，通過查圖表的方式得到相關數據。主要是各種氣體不同溫度下的體積比熱，以及煙氣中二氧化碳和水蒸氣的黑度。前者查的是表，所得數據精確度較高，后者查的是圖，存在一定的誤差。不能直接查閱的數據，用插值法進行處理。本次設計中，假設煙道壁溫是較為繁瑣的一步，需要反復計算來減小偏差。最后對傳熱計算有一個誤差值，我的誤差值在合適的范圍內，故熱計算是合理的。繪圖的過程中，由于沒有大尺子，畫線時存在一定的誤差，但總體布局還是可以的，采用的比例也適合，但或多或少存在一些細節(jié)性的問題，會在以后的學習中予以改正。然而在本次設計中由于經驗不足，知識有限，還是存在著很多問題。比如在設計中未考慮對成本進行核算，僅在滿足操作要求下進行設計，在經濟上是否合理還有待分析?？傊ㄟ^本次設計，