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3.5氣-氣型熱管換熱器的設計

日期：2022-01-11 01:17:15點擊：207

3.5氣-氣型熱管換熱器的設計
35.1設計方法概述
氣-氣型熱管換熱器的熱流體和冷流體都是氣體，最典型的實例是煙氣加熱空氣的熱管空氣預熱器。氣-氣型熱管換熱器因兩側都是氣體換熱，幾乎毫不例外地都要應用
翅片管來增強傳熱。
氣-氣型熱管換熱器的設計有兩種方法:一種是標準的設計程序;另一種是驗算式的設計計算。下面重點介紹標準的設計程序。
該設計程序與一般翅片管換熱器的設計基本相同，主要區別是增加了熱管工質的選擇和長度比的選擇，在有露點腐蝕風險的情況下，長度比的選擇和計算顯得尤為重要，甚至影響著整個傳熱計算。此外，采用以加熱段光管外表面積作為基準傳熱面積，以此面積為基準計算各項熱阻和傳熱系數。
設計步驟如下：
(1) 已知條件:給出冷熱兩流體的流量，進出口溫度，并計算出熱員荷；
(2) 熱管工質的選擇；
(3) 加熱段和冷卻段長度比的選擇；
(4) 選擇冷熱流體的質量流速并確定冷熱流體的迎風面積；
(5) 選擇翅片管型號和參數；
(6) 管外換熱系數計算；
(7) 傳熱系數

的計算，包括各項熱阻的計算；
(8) 傳熱溫差的計算；
(9) 計算總傳熱面積、熱管數目及管排數；
(10) 阻力計算,包括熱流體側阻力計算和冷流體側阻力計算；
(11) 熱管極限傳熱能力的計算。
3.5.2設計舉例
試為一臺20 t/h采暖鍋爐設熱管空氣預熱器，設計步驟如下。
1已知條件和熱負荷計算
(1) 鍋爐型號和功率:

鍋爐燃煤:二類煙煤，熱值為

該鍋爐排煙的硫酸露點溫度為

。
(2) 空氣預熱器的煙氣進出口溫度：

；
實際排煙量：

_o
(3) 空氣預熱器的空氣進口溫度：

；
空預器的空氣流量：

。
(4) 熱負荷計算，煙氣側熱負荷：

(5) 空氣出口溫度

2.熱管工質的選擇
(1) 煙氣入口處的管內蒸汽溫度：

煙氣溫度為200℃，空氣出口溫度為82 ℃，管內蒸汽溫度

(2) 煙氣出口處熱管的管內蒸汽溫度：
煙氣溫度為150℃，空氣入口溫度為20 ℃管內蒸汽溫度為

(3) 根據管內溫度的計算結果和3. 3節的推薦，選用水作為熱管工質是合適的。
3.加熱段和冷卻段長度比的計算和調節
(1) 露點腐蝕的風險評估：因為在煙氣的出口處，管內溫度低于露點溫度，存在露點腐蝕的風險，需要按安全長度比計算。
(2) 取防止露點腐蝕的安全溫度

，高于露點溫度105℃。
(3) 煙氣出口處熱管的安全保證：
由式(3.4. 10),在假定兩側的傳熱系數相等的條件下：

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。該計算值說明，為了防止腐蝕，加熱段的長度應為冷卻段長度的2. 25倍。為了縮小這一比

值,可改變比值

，使

現設定加熱段的長度為冷卻段長度的1. 8倍，即

這說明，為了防止腐蝕,并滿足1.8的長度比,應保證

。
(4)在中點溫度處，煙氣的中點溫度為

，空氣的中點溫
度為

，在中點處的管內蒸汽溫度約為

，大于露點溫度105℃，因而是安全的。

(5) 為了調節兩側的傳熱系數，可行的方法是改變兩側的翅片結構，尤其是改變兩側的翅片節距。
為此，將熱管的冷卻段分為兩組:在中點溫度以上的熱管，冷卻段選用較小的翅片節距;在中點溫度以下的熱管，冷卻段選用較大的翅片節距。
(6) 長度比的選型效果見表3. 5. 2中的

值。
4.迎風面質量流速和迎風面積
(1) 選取煙氣側質量流速：

；
(2) 煙氣側迎風面積:

；
取加熱段長度

,管束寬度為1.42 m；
冷卻段長度

,長度比

；
熱管總長

。
(3)空氣側迎風面積：

空氣側迎面質量流速：

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：d_f = 62 mm；翅片厚度：

=1 mm。
(3) 翅片間距:加熱段(煙氣側)節距全部為7 mm；冷卻段(空氣側)節距:在非防腐區 (從煙氣入口至中點溫度)，節距取7 mm；在防腐區(從中點溫度至煙氣出口)，節距取 14 mm_o
(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：1 420/84=16.9,取17排。
6. 管外換熱系數的計算
(1) 最窄流通截面上的質量流速
煙氣側:最窄流通截面/迎風面=0. 568；
最窄流通截面上的質量流速

；
空氣側：防腐區最窄流通截面/迎風面=0. 595 ；
防腐區最窄流通截面上的質量流速

；
非防腐區最窄流通截面/迎風面=0. 568；
非防腐區最窄流通截面上的質量流速

_o
(2) 物性值在表3.5. 1中查取。
表3. 5 1各種情況下的物性值

位置	介質	溫度&	密度 /(kg • m³)	導熱系數人 /	比熱		普朗特數
出口	煙氣	150	0. 85	0. 0357	1.083	22.5	0. 68
出口	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
中間	空氣	51	1.003	0. 0283	1.005	19.6	0.698
進口	煙氣	200	0. 748	0. 0401	1.097	24.5	0. 67
進口	空氣	82	1.00	0. 0305	1.009	21. 1	0. 692

(3) 對流換熱系數計算：以翅片管外表面為基準的換熱系數農由式(2. 2. 6)計算。
(4) 翅片效率

由式(2.4.7) -(2.4. 9)計算。
(5) 翅化比

由式(2. 1.9)計算。
(6) 以基管外表面為基準的換熱系數么由式(2. 1.6)或(2. 1.8)計算。
(7) 計算結果見表3.5.2。
表3. 5.2管外換熱系數的計算結果

位置	介質			mL值	翅片效率	翅化比	基管換熱系數		安全性評估
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	112.3	安全
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	127.2	安全
煙氣	煙氣	7. 92	87.9	1. 205	0.693	7. 43	452.6	154.5	安全
進口	空氣	12. 46	104.2	1. 312	0. 66	7.43	511.0	154.5	安全

注:式(3. 4.9')中的局部傳熱系數由管外換熱系數h„替代。
(8)設計選用的換熱系數。
加熱段換熱系數平均值:選取中點溫度下的換熱系數值

冷卻段換熱系數平均值:選取中點和出口處的平均值

7.傳熱熱阻和傳熱系數
(1) 煙氣側對流換熱熱阻

(2) 煙氣側壁面導熱熱阻

(3) 管內蒸發熱阻

式中，

為選取值。

(4)管內凝結熱阻

(5)空氣側壁面導熱熱阻

(6)空氣側對流換熱熱阻

(7)污垢(積灰)熱阻
由表2. 9. 2-2. 9.4及式(2.9. 1),煙氣側污垢熱阻

空氣側污垢熱阻

總污垢熱阻

(8) 總傳熱熱阻

(9) 傳熱系數

說明：由于沿流體的流動方向上傳熱系數發生變化，對數平均溫差的計算會產生一定的偏差。
9.傳熱面積和熱管數目
(1)以加熱段基管外表面為基準的傳熱面積

取20%設計余量，則

(2)熱管數目

(3)縱向管排數：

。
實取熱管數

實取加熱段傳熱面積

實取加熱段和冷卻段的總傳熱面積

10.流動阻力計算
(1) 依據公式:式(2. 2. 10)和式(2.2.9)。
(2) 煙氣流動阻力

(3)空氣流動阻力

(4)說明：煙氣和空氣的流動阻力較大，其主要原因是：為了防止煙氣側的露點腐蝕, 選取了較高的質量流速;此外，為了防止露點腐蝕，選取了較大的長度比所致。
11.熱管極限傳熱能力
單管傳熱量

熱管極限傳熱能力的計算略，因單管換熱量較小，不會超過熱管的傳熱極限。
附:一個通過改變翅片結構而防止露點腐蝕的工程實例⑶］。
有一臺220 t/h燃燒渣油的蒸汽鍋爐，其露點溫度為

在其尾部煙道安裝一臺熱管空氣預熱器。為了防止露點腐蝕，在熱管的冷卻段采用了不同的翅片結構，共36排, 從空氣入口計算排列：
第1 ~15排:直接采用光管，不加翅片；
第16-23排：環形翅片，翅片節距為40 mm；
第24 -36排:環形翅片，翅片節距為16 mm。
設計和運行結果見表3.5.3₀
計算和試驗表明,所采取的技術方案是可行的，可以起到提高壁面溫度，防止露點腐蝕的作用。當空氣進口溫度進一步降低時，尚需補充其他的技術方案。
表3. 5.3工程實例的設計和運行結果

		設計值	實測值	1年后實測值
鍋爐負荷/		220	224.3	213.9
熱管空預器參數	煙氣進口溫度/	190. 8	181.3	187. 9
	煙氣出口溫度/	149.4	142. 1	145.6
	空氣進口溫度/	65	69. 05	71.5
	空氣出口溫度/	113.4	113.6	123.4
	煙氣流動阻力/Pa	553	554.5	500
	空氣流動阻力/Pa	453	363	374
	末排管壁溫度/	124	119. 1	118. 8
	換熱負荷/kW	2 882	2 592	3 014

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