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3.5气-气型热管换热器的设计

日期：2021-10-12 01:44:38点击：351

3.5气-气型热管换热器的设计
35.1设计方法概述
气-气型热管换热器的热流体和冷流体都是气体，最典型的实例是烟气加热空气的热管空气预热器。气-气型热管换热器因两侧都是气体换热，几乎毫不例外地都要应用
翅片管来增强传热。
气-气型热管换热器的设计有两种方法:一种是标准的设计程序;另一种是验算式的设计计算。下面重点介绍标准的设计程序。
该设计程序与一般翅片管换热器的设计基本相同，主要区别是增加了热管工质的选择和长度比的选择，在有露点腐蚀风险的情况下，长度比的选择和计算显得尤为重要，甚至影响着整个传热计算。此外，采用以加热段光管外表面积作为基准传热面积，以此面积为基准计算各项热阻和传热系数。
设计步骤如下：
(1) 已知条件:给出冷热两流体的流量，进出口温度，并计算出热员荷；
(2) 热管工质的选择；
(3) 加热段和冷却段长度比的选择；
(4) 选择冷热流体的质量流速并确定冷热流体的迎风面积；
(5) 选择翅片管型号和参数；
(6) 管外换热系数计算；
(7) 传热系数

的计算，包括各项热阻的计算；
(8) 传热温差的计算；
(9) 计算总传热面积、热管数目及管排数；
(10) 阻力计算,包括热流体侧阻力计算和冷流体侧阻力计算；
(11) 热管极限传热能力的计算。
3.5.2设计举例
试为一台20 t/h采暖锅炉设热管空气预热器，设计步骤如下。
1已知条件和热负荷计算
(1) 锅炉型号和功率:

锅炉燃煤:二类烟煤，热值为

该锅炉排烟的硫酸露点温度为

。
(2) 空气预热器的烟气进出口温度：

；
实际排烟量：

_o
(3) 空气预热器的空气进口温度：

；
空预器的空气流量：

。
(4) 热负荷计算，烟气侧热负荷：

(5) 空气出口温度

2.热管工质的选择
(1) 烟气入口处的管内蒸汽温度：

烟气温度为200℃，空气出口温度为82 ℃，管内蒸汽温度

(2) 烟气出口处热管的管内蒸汽温度：
烟气温度为150℃，空气入口温度为20 ℃管内蒸汽温度为

(3) 根据管内温度的计算结果和3. 3节的推荐，选用水作为热管工质是合适的。
3.加热段和冷却段长度比的计算和调节
(1) 露点腐蚀的风险评估：因为在烟气的出口处，管内温度低于露点温度，存在露点腐蚀的风险，需要按安全长度比计算。
(2) 取防止露点腐蚀的安全温度

，高于露点温度105℃。
(3) 烟气出口处热管的安全保证：
由式(3.4. 10),在假定两侧的传热系数相等的条件下：

式中，

代表烟气温度；

代表空气温度

分别为加热段和冷却段的传热系数。该计算值说明，为了防止腐蚀，加热段的长度应为冷却段长度的2. 25倍。为了缩小这一比

值,可改变比值

，使

现设定加热段的长度为冷却段长度的1. 8倍，即

这说明，为了防止腐蚀,并满足1.8的长度比,应保证

。
(4)在中点温度处，烟气的中点温度为

，空气的中点温
度为

，在中点处的管内蒸汽温度约为

，大于露点温度105℃，因而是安全的。

(5) 为了调节两侧的传热系数，可行的方法是改变两侧的翅片结构，尤其是改变两侧的翅片节距。
为此，将热管的冷却段分为两组:在中点温度以上的热管，冷却段选用较小的翅片节距;在中点温度以下的热管，冷却段选用较大的翅片节距。
(6) 长度比的选型效果见表3. 5. 2中的

值。
4.迎风面质量流速和迎风面积
(1) 选取烟气侧质量流速：

；
(2) 烟气侧迎风面积:

；
取加热段长度

,管束宽度为1.42 m；
冷却段长度

,长度比

；
热管总长

。
(3)空气侧迎风面积：

空气侧迎面质量流速：

5. 翅片管选型
(1) 翅片管选型:高频焊碳钢螺旋翅片管；
(2) 基管直径:

=32 mmx3. 5 mm,翅片外径：d_f = 62 mm；翅片厚度：

=1 mm。
(3) 翅片间距:加热段(烟气侧)节距全部为7 mm；冷却段(空气侧)节距:在非防腐区 (从烟气入口至中点温度)，节距取7 mm；在防腐区(从中点温度至烟气出口)，节距取 14 mm_o
(4) 翅片管横向管间距：84 mm,排列方式:等边三角形排列。
(5) 横向热管排数：1 420/84=16.9,取17排。
6. 管外换热系数的计算
(1) 最窄流通截面上的质量流速
烟气侧:最窄流通截面/迎风面=0. 568；
最窄流通截面上的质量流速

；
空气侧：防腐区最窄流通截面/迎风面=0. 595 ；
防腐区最窄流通截面上的质量流速

；
非防腐区最窄流通截面/迎风面=0. 568；
非防腐区最窄流通截面上的质量流速

_o
(2) 物性值在表3.5. 1中查取。
表3. 5 1各种情况下的物性值

位置	介质	温度&	密度 /(kg • m³)	导热系数人 /	比热		普朗特数
出口	烟气	150	0. 85	0. 0357	1.083	22.5	0. 68
出口	空气	20	1.205	0. 0259	1.005	18. 1	0. 703
中间	烟气	175	0. 80	0. 0379	1.09	23.5	0. 675
中间	空气	51	1.003	0. 0283	1.005	19.6	0.698
进口	烟气	200	0. 748	0. 0401	1.097	24.5	0. 67
进口	空气	82	1.00	0. 0305	1.009	21. 1	0. 692

(3) 对流换热系数计算：以翅片管外表面为基准的换热系数农由式(2. 2. 6)计算。
(4) 翅片效率

由式(2.4.7) -(2.4. 9)计算。
(5) 翅化比

由式(2. 1.9)计算。
(6) 以基管外表面为基准的换热系数么由式(2. 1.6)或(2. 1.8)计算。
(7) 计算结果见表3.5.2。
表3. 5.2管外换热系数的计算结果

位置	介质			mL值	翅片效率	翅化比	基管换热系数		安全性评估
烟气	烟气	7. 92	83.6	1. 175 3	0. 703	7. 43	436.7	112.3	安全
出口	空气	11.9	120. 8	1.412 8	0. 63	4. 21	320.4	112.3	安全
烟气	烟气	7. 92	85.8	1. 190 7	0. 698	7. 43	445.0	127.2	安全
中间	空气	12. 46	102.2	1.299	0. 663	7. 43	503.4	127.2	安全
烟气	烟气	7. 92	87.9	1. 205	0.693	7. 43	452.6	154.5	安全
进口	空气	12. 46	104.2	1. 312	0. 66	7.43	511.0	154.5	安全

注:式(3. 4.9')中的局部传热系数由管外换热系数h„替代。
(8)设计选用的换热系数。
加热段换热系数平均值:选取中点温度下的换热系数值

冷却段换热系数平均值:选取中点和出口处的平均值

7.传热热阻和传热系数
(1) 烟气侧对流换热热阻

(2) 烟气侧壁面导热热阻

(3) 管内蒸发热阻

式中，

为选取值。

(4)管内凝结热阻

(5)空气侧壁面导热热阻

(6)空气侧对流换热热阻

(7)污垢(积灰)热阻
由表2. 9. 2-2. 9.4及式(2.9. 1),烟气侧污垢热阻

空气侧污垢热阻

总污垢热阻

(8) 总传热热阻

(9) 传热系数

说明：由于沿流体的流动方向上传热系数发生变化，对数平均温差的计算会产生一定的偏差。
9.传热面积和热管数目
(1)以加热段基管外表面为基准的传热面积

取20%设计余量，则

(2)热管数目

(3)纵向管排数：

。
实取热管数

实取加热段传热面积

实取加热段和冷却段的总传热面积

10.流动阻力计算
(1) 依据公式:式(2. 2. 10)和式(2.2.9)。
(2) 烟气流动阻力

(3)空气流动阻力

(4)说明：烟气和空气的流动阻力较大，其主要原因是：为了防止烟气侧的露点腐蚀, 选取了较高的质量流速;此外，为了防止露点腐蚀，选取了较大的长度比所致。
11.热管极限传热能力
单管传热量

热管极限传热能力的计算略，因单管换热量较小，不会超过热管的传热极限。
附:一个通过改变翅片结构而防止露点腐蚀的工程实例⑶］。
有一台220 t/h燃烧渣油的蒸汽锅炉，其露点温度为

在其尾部烟道安装一台热管空气预热器。为了防止露点腐蚀，在热管的冷却段采用了不同的翅片结构，共36排, 从空气入口计算排列：
第1 ~15排:直接采用光管，不加翅片；
第16-23排：环形翅片，翅片节距为40 mm；
第24 -36排:环形翅片，翅片节距为16 mm。
设计和运行结果见表3.5.3₀
计算和试验表明,所采取的技术方案是可行的，可以起到提高壁面温度，防止露点腐蚀的作用。当空气进口温度进一步降低时，尚需补充其他的技术方案。
表3. 5.3工程实例的设计和运行结果

		设计值	实测值	1年后实测值
锅炉负荷/		220	224.3	213.9
热管空预器参数	烟气进口温度/	190. 8	181.3	187. 9
	烟气出口温度/	149.4	142. 1	145.6
	空气进口温度/	65	69. 05	71.5
	空气出口温度/	113.4	113.6	123.4
	烟气流动阻力/Pa	553	554.5	500
	空气流动阻力/Pa	453	363	374
	末排管壁温度/	124	119. 1	118. 8
	换热负荷/kW	2 882	2 592	3 014

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