热管空气预热器的工艺简易计算
晨怡热管
2009-11-16 18:12:53
中温热管空气预热器的最佳工作状态为：热烟气温度320～200℃，经热管空气预热器降温到150℃；空气出口温度为≤220℃。此工作状态对于小型氮肥厂吹风气回收最为适合。笔者对中温热管的工作状态、换热面积及结构的设计计算进行以下论述。 原始数据及参数：烟气量Vy＝29939m3／h，进预热器的烟气温度ty1＝273℃，空气量Vk＝ 10 065m3／h，进预热器空气温度tk1＝90℃，空气要求加热到tk2＝220℃。
1 热平衡计算
空气吸收热量：
Qz＝10 065×(1.309×220—1.3×90)
＝1 720 914kJ／h
烟气放出热量：0.98Qy＝Qz
烟气出口温度ty2：
0.98×29 939×(1.446 57×273－cy2ty2)＝1 720 914
cy2ty2＝336kJ／m3
采用估算法得：cy2＝1.44288kJ／(m3℃)
ty2＝232℃
2 热管的选取
取热管直径为D＝32mm，壁厚S＝3.0mm，热管有效长度L＝L1+L2＝2400mm，烟气侧与空气侧长度比L1/L2＝1.4:1，绝热段长度L3＝120mm，翅片外径D1＝62mm，翅片厚度δ＝1.0m，翅片高h＝15mm，翅片间距烟气侧为10mm，共140片，翅化比为βk＝6.6，空气侧翅片间距为6mm，共166片，翅化比βk＝8.3。热管采用正三角形叉排，横向中心距s1＝80mm，纵向中心距s2＝70mm，热管蒸发段相变传热系数αi1＝2 900w／(m2℃)，冷凝段相变传热系数αi2＝4060w／(m2℃)
3 烟气侧及空气侧对流换热系数αd
3.1 烟气侧
质量流速：Gy＝6.6kg／(m2s)
烟气平均温度：typ＝(273+232)÷2＝252.5
普朗特数：Pr＝0.66
导热系数：λ＝0.044 4W／(m·s)
动力粘度：μ＝26.658×10－6Pa·s
雷诺准数：Re1＝(DGy)÷μ ＝(0.032×6.6)÷(26.658×10－6)＝7 922
对流换热系数：D1÷D＝62÷32＝1.937 5，属于高翅片管束。
(αy)d＝0.137 8λRe10.718Pr1／3(y／h)0.296÷D
＝0.137 8×0.044 4×7 9220.718×0.661/3×(10／15)0.296÷0.032＝93W／(m2℃)
(αy)d'＝βη（αy）d＝6.6×0.95×93＝583W／(m2℃)
3.2 空气侧
空气侧质量流速：Gy＝4.2kg／(m2s)
空气平均温度：tkp＝(90＋220)÷2＝155
普朗特数：Pr＝0.689
导热系数：λ＝0.035 6W／(m·s)
动力粘度：μ＝24.1×10－6Pa·s
雷诺准数：Re2＝(DGy)÷μ
＝(0.032×4.2)÷(24.1×10—6)
＝5 576
对流换热系数：
(αk)d＝0.137 8λRe10.718Pr1／3(y／h)0.296÷D＝(0.1378×0.0356×55760.718×0.6891/3(6/15)0.296÷0.032＝50.4W/(m2℃)
(αy)d＇βη（αy）d＝8.3×0.95×50.4＝397W／(m2℃)
4 热管空气预热器工艺计算
4.1 传热系数K的计算
K’=1/[1/(αy)d＇+1/αi1+(1/(αk)d＇+αi2)] ×(L1/L2)=1/[1/583+1/2900+(1/397+1/4060)] ×(1400/1000) =168W／(m2℃)
4.2 对数温差的计算
ty1＝273℃；ty2＝232℃；tk1＝90℃；tk2＝90℃
△ts＝ty1－ty2＝273－232＝53
△tz＝ty1－ty2＝273－232＝53
△td＝(△ts－△tz)/ln(△ts/△tz)＝(53－142)/ ln(53/142)＝90.3℃
4.3 换热面积的计算
A’ ＝Q/(3.6K△td)＝1720914/(3.6273×98×90.3)＝54m2
取得1.2倍的余量，则：
A＝1.2 A’ ＝1.2×54＝64.8，取65
需要热管管数
N＝A/(π×D×L)＝65/(3.14×0.032×2.4)＝270(根)
则管子排列为24×6+23×6＝282根
4.4 阻力的计算
(1)烟气侧
f1=18.93Re－0.316(S1/d0) －0.927 (S2/S1)0.515＝18.93×7922－0.316×(80/32) ×(70/80) 0.515＝0.443
△P1＝f1 [(NG1)2/ρg)＝0.443×(12×6.62/9.8/0.6727) ＝0.343kPa
(2)空气侧
f1=18.93Re－0.316(S1/d0) －0.927 (S2/S1)0.515＝18.93×8888－0.316×(80/32) ×(70/80) 0.515＝0.495
△P1＝f1 [(NG1)2/ρg)＝0.495×(12×4.22/9.8/0.6727) ＝0.156kPa
1 热平衡计算
空气吸收热量：
Qz＝10 065×(1.309×220—1.3×90)
＝1 720 914kJ／h
烟气放出热量：0.98Qy＝Qz
烟气出口温度ty2：
0.98×29 939×(1.446 57×273－cy2ty2)＝1 720 914
cy2ty2＝336kJ／m3
采用估算法得：cy2＝1.44288kJ／(m3℃)
ty2＝232℃
2 热管的选取
取热管直径为D＝32mm，壁厚S＝3.0mm，热管有效长度L＝L1+L2＝2400mm，烟气侧与空气侧长度比L1/L2＝1.4:1，绝热段长度L3＝120mm，翅片外径D1＝62mm，翅片厚度δ＝1.0m，翅片高h＝15mm，翅片间距烟气侧为10mm，共140片，翅化比为βk＝6.6，空气侧翅片间距为6mm，共166片，翅化比βk＝8.3。热管采用正三角形叉排，横向中心距s1＝80mm，纵向中心距s2＝70mm，热管蒸发段相变传热系数αi1＝2 900w／(m2℃)，冷凝段相变传热系数αi2＝4060w／(m2℃)
3 烟气侧及空气侧对流换热系数αd
3.1 烟气侧
质量流速：Gy＝6.6kg／(m2s)
烟气平均温度：typ＝(273+232)÷2＝252.5
普朗特数：Pr＝0.66
导热系数：λ＝0.044 4W／(m·s)
动力粘度：μ＝26.658×10－6Pa·s
雷诺准数：Re1＝(DGy)÷μ ＝(0.032×6.6)÷(26.658×10－6)＝7 922
对流换热系数：D1÷D＝62÷32＝1.937 5，属于高翅片管束。
(αy)d＝0.137 8λRe10.718Pr1／3(y／h)0.296÷D
＝0.137 8×0.044 4×7 9220.718×0.661/3×(10／15)0.296÷0.032＝93W／(m2℃)
(αy)d'＝βη（αy）d＝6.6×0.95×93＝583W／(m2℃)
3.2 空气侧
空气侧质量流速：Gy＝4.2kg／(m2s)
空气平均温度：tkp＝(90＋220)÷2＝155
普朗特数：Pr＝0.689
导热系数：λ＝0.035 6W／(m·s)
动力粘度：μ＝24.1×10－6Pa·s
雷诺准数：Re2＝(DGy)÷μ
＝(0.032×4.2)÷(24.1×10—6)
＝5 576
对流换热系数：
(αk)d＝0.137 8λRe10.718Pr1／3(y／h)0.296÷D＝(0.1378×0.0356×55760.718×0.6891/3(6/15)0.296÷0.032＝50.4W/(m2℃)
(αy)d＇βη（αy）d＝8.3×0.95×50.4＝397W／(m2℃)
4 热管空气预热器工艺计算
4.1 传热系数K的计算
K’=1/[1/(αy)d＇+1/αi1+(1/(αk)d＇+αi2)] ×(L1/L2)=1/[1/583+1/2900+(1/397+1/4060)] ×(1400/1000) =168W／(m2℃)
4.2 对数温差的计算
ty1＝273℃；ty2＝232℃；tk1＝90℃；tk2＝90℃
△ts＝ty1－ty2＝273－232＝53
△tz＝ty1－ty2＝273－232＝53
△td＝(△ts－△tz)/ln(△ts/△tz)＝(53－142)/ ln(53/142)＝90.3℃
4.3 换热面积的计算
A’ ＝Q/(3.6K△td)＝1720914/(3.6273×98×90.3)＝54m2
取得1.2倍的余量，则：
A＝1.2 A’ ＝1.2×54＝64.8，取65
需要热管管数
N＝A/(π×D×L)＝65/(3.14×0.032×2.4)＝270(根)
则管子排列为24×6+23×6＝282根
4.4 阻力的计算
(1)烟气侧
f1=18.93Re－0.316(S1/d0) －0.927 (S2/S1)0.515＝18.93×7922－0.316×(80/32) ×(70/80) 0.515＝0.443
△P1＝f1 [(NG1)2/ρg)＝0.443×(12×6.62/9.8/0.6727) ＝0.343kPa
(2)空气侧
f1=18.93Re－0.316(S1/d0) －0.927 (S2/S1)0.515＝18.93×8888－0.316×(80/32) ×(70/80) 0.515＝0.495
△P1＝f1 [(NG1)2/ρg)＝0.495×(12×4.22/9.8/0.6727) ＝0.156kPa
责任编辑: banye
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