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4.3.2设计例

日期：2022-01-07 09:06:44点击：420

4.3.2设计例
例4.3.1设计一台用于蒸汽冷凝冷却的空冷器，已知饱和蒸汽的入口温度为

= 130℃，对应的饱和压力为0.27 MPa,冷凝后的水出口温度为

=40℃，入口蒸汽流量为 18 t/h(G=5. 0 kg/s) _o
根据当地气象资料，取空气的设计入口温度为

=16℃。
首先计算空冷器的热负荷和所需空气流量：
(1) 热负荷计算。
饱和蒸汽的物性为:蒸汽入口焰值_：

；水出口焙值:

；总换热量：

；130℃时饱和水的焰值：

；凝结段放出的热量

占总热负荷的85%；水冷却放出的热量：

,占总热负荷的15%。

(2) 空气流量的确定。
设空气出口温度

即温升为20℃，需要的空气流量为

(3) 初步设计
设计方案如图4.3.3所示。空冷器由8台3 m宽,6 m长的并列管束组成,共配置4 台风机，该方案的尺寸规格和初步选择计算见表4. 3. 1₀

表4. 3. 1初步选择设计

序号	参数	数值	备注
1	风机台数	4
2	风机单台迎风面积/	6x6
3	总迎风面积/	144
4	迎面质量风速/()	4.4	选定
5	单台风机所需风量/()	475 200	风机型号风量：540 000
6	管束数目	8	选定
7	单管束迎风面/(mxm)	3x6	选定
8	纵向管排数	4	选定
9	横向管排数/管间距	48/56 mm	错排
10	单管束翅片管数	192
11	翅片管总数	192x8 = 1 536
12	管程数	2	两排为1管程
13	单管程管子数目	768
14	基管直径/mm	（t）25x2.5
15	翅片管有效长度/mm	5 800
16	翅片高度/厚度/节距/mm	12. 5/0. 5/2. 3
17	翅化比	17. 52
18	单管传热面积/	0. 455 5	以基管外表面为基准
19	初步设计总传热面积	0. 455 5x1 536 «699. 6

(4)传热计算。
在上述初步设计的基础上进行传热计算，求出需要的传热面积,并与初步设计结果进行比较，计算步骤见表4.3.2。
计算说明:①在按式(2. 7. 5)和式(2. 6.4)计算时，需要给定冷凝段和冷却段的长度, 在计算中，初步假定两段的长度相等;②冷却段的流速很低，管内Re数仅为1 168,小于 2 300,为层流，需用管内层流的换热式计算;③传热系数由式(2. 1.2)计算，其中，管内污垢热阻取

,管外污垢热阻由式(2. 9. 1)换算为基管外表面的热阻值*

,轧制翅片管的接触热阻为

。
表4. 3.2冷凝冷却空冷器的分段计算

序号	参数	凝结段	冷却段	备注
1	换热量/kW	10 867	1 894
2	介质温度/℃
3	空气温度/℃
4	传热温差/℃	102.3	56.8
5	管外换热系数 /()	64. 1	64. 1	由式(2. 2.6)
6	翅片效率	0.91	0.91	由式(2. 4.7), 式(2. 4.9)
7	基管外换热系数 /()	1 018	1 018	由式(2. 1.6)
8	管内换热系数 /()	13 296[式(2. 7.5)]	146[式(2. 6.4)]	见说明
9	传热系数/(	667.5	100. 3	见说明
10	传热面积/	159. 14	332. 45
11	总传热面积/	461.9
12	传热面积之比			初步设计可取

(5)设计结论。
当介质的凝结和冷却两个过程同时汇集于一台空冷器中，会出现两个过程的传热量和传热面积不匹配的情况:凝结段的传热量很大，但需要的传热面积却很小;冷却段的传热量很小，但由于其流速过低，致使管内换热系数极低,需要很大的传热面积，这给设计带来一定的难度和结构的不合理,也影响设备的经济性，所以，应尽量避免凝结和冷却两个过程同时存在的设计条件。
例4.3.2在某工程项目中，拟利用空冷器回收烟气中的含水量。在接近大气压条件小,将含有大量水蒸气的烟气从80℃冷却到50℃，由烟气、水蒸气和凝结水构成的复合介质的总流量为60 000 Nm³/h(20℃下)，入口处水蒸气和水的质量占总质量的39%。要求设计一台空冷器用来冷却这一复合介质，同时将其中的水蒸气尽可能多地凝结并回收。当地最高气温为30 最低气温为-30℃。可重点计算空冷器的热负荷和管内对流换热系数。
(1)热负荷计算。
① 复合介质的流量：

其中，取标准状况下的密度为

。
② 水和水蒸气含量：

干烟气含量：

③ 入口和出口状态的确定：因烟气物性与空气接近，可借助湿空气物性表选取烟气进出口状态和焙值
在进口温度为80℃时,饱和烟气的含湿量为545 g/kg（干烟气）=0. 545 kg/kg（干烟气）；水蒸气含量为

,小于水和水蒸气的总含量（7. 8 kg/s）, 说明进口处存在一定的水量，其值为

在出口温度为50 丁时,饱和水蒸气的含量为0. 086 2 kg/kg（干烟气），水蒸气的含量为 0.086 2 kg/kgxl2.2 kg/s= 1.051 64 kg/s；在出口处的水量为：7. 8 kg/s-1.051 64 kg/s = 6. 748 36 kg/s,每小时的出水量为24 294 kg/h,即每小时可以回收24 t水。
由此可见，在进口和出口处,均含有三种成分:水，水蒸气和干烟气，其中，干烟气含量进出口不变，水含量进口很少，出口多,而蒸汽含量则相反。
④ 各成分进出口的质量，焙值，换热量计算见表4. 3. 3₀
表4. 3.3各成分进出口的质量，焙值，换热量

进口温度	80 °C
进口蒸汽量	0. 545x12. 2 kg/s = 6. 649 kg/s	焓：2 643.5 kj/kg	热值：17 576.6 kW
进口水量	7. 8 kg/s—6. 649 kg/s = 1. 151 kg/s	焓：335.0 kj/kg	热值：386. 9 kW
进口干烟气量	20 kg/s—7. 8 kg/s= 12. 2 kg/s	焓：88 kj/kg	热值：1 073.6 kW
进口总热值			Q_{ = 19 037 kW
出口温度	50 r
出口含汽量	12.2 kg/sxO. 086 2 = 1.051 64 kg/s	焓：2 593.0 kj/kg	热值：2 499. 1 kW
出口水含量	7. 8 kg/s-1. 051 64 kg/s=6. 748 kg/s	焓：209.3 kj/kg	热值：1 412.4 kW
出口干烟气量	20 kg/s—7. 8 kg/s= 12. 2 kg/s	焓：55 kj/kg	热值：671 kW
出口总热值			。2=4 582.6 kW
传热量（热负荷）			0 = 0-02 = 14 454.4 kW

①计算式：由式(4.3.2)

计算中，烟气的物性可以取自空气的物性，因二者接近。
②计算过程。
在中点温度为

下的饱和水蒸气含量为0. 204 kg/kg干烟气,
蒸汽总含量为

,凝液流量为

凝液质量流速

气相质量流速

将上述各量代入（4.3.2）中：

(4)传热系数和传热面积的计算结果。
① 当空冷器的迎风面质量流速为3.5 kg/(m² . s)时，根据式(2. 2. 6),(2. 4. 7), (2. 1.6),基管外表面换热系数为

② 传热系数。
由式(2. 1.2)得

其中，管内污垢热阻珞，按第2. 9节取值

；管外污垢热阻

取值0.0001 76 (m² .℃)/W,按式(2.9. 1)计算后为0.000 0109；由表2. 10. 2选取接触热阻

为

此外，考虑基管材质为ND钢,导热系数较低，取20 W/ (m •℃)。

③ 传热平均温差计算。
对数平均温差

，传热温差为

④ 传热面积

初步计算值

为计算面积的1.56倍，故初步计算值是安全的。
(5)管束和风机的平面布置如图4.3.4所示。
介质

图4. 3.4管束和风机的平面布置

(6)说明。
① 因设计余量较大,可改变初步设计，重新计算,改变建议为：管束数目为6,管束尺寸为12 mx3 m,总迎风面积为6x(12 mx3 m)=216 ㎡,风机数目为6台。
② 有必要进行变工况计算，计算在最高气温30℃时的传热性能，并计算在最冷天 -30℃时能否产生管内介质的冻结。

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