1、 换热器课程设计换热器课程设计任务书设计题目：单级空气预热器设计设计任务：【一】设计说明书【1】绪论【2】空气平衡计算（计算单级空气预热器出口热空气过剩空气系数）【3】燃烧产物体积及焓的计算【4】单级空气预热器设计计算【5】单级空气预热器校核计算【二】设计图纸单级空气预热器设计主体图，1#图纸设计参数：【一】锅炉参数：（1）锅炉额定蒸发量 )/130(/72.9htskgD（2）过热蒸汽参数 压力： ；温度：MPapr. Ctgr450（3）汽包内饱和蒸汽压力 4（4）给水参数 压力： ；温度：gs8.tgs1（5）排污率 %2pw（6）预热空气温度 Ctrk（7）冷空气温度 l0（8）入口烟
2、温 iy35（9）锅炉效率 7.89（10）烟道宽度 ma【二】煤的收到基成分（1）燃料名称： 抚顺烟煤（2）煤的收到基成分碳 %9.56)(arC氢 4rH氧 1.)(arO氮 2rN换热器课程设计硫 %6.0)(arS水分 13rW灰分 .4)(arA（3 ）煤的收到基低位发热量 kgJQarVnet /2415.【三】空预器设计参数：h（4 ）单级空预器空气入口温度/预热温度/入口烟温/20 288 350换热器课程设计1.绪论 62.空气平衡计算 .72.1 空气平衡计算相关参数及公式的选取 .72.1.1 煤成分计算 72.1.2 空气平衡计算选用的公式 72.2 空气平衡计算结果汇
3、总 .82.2.1 空气平衡计算结果汇总表 83.单级空气预热器烟气特性计算 93.1 烟气的特性参数计算依据 93.1.1 空气过剩系数的选取 93.1.2 烟气特性参数计算依据 .93.2 烟气特性参数计算汇总 93.2.1 烟气特性参数计算汇总表 .103.3 烟气的温焓表计算 .103.3.1 烟气的温焓表 .104.热平衡及燃料消耗量计算 114.1 相关公式的选取 .114.2 相关计算参数的选取 .124.3 计算结果汇总 124.3.1 热平衡及燃料消耗计算结果汇总表 .125.单级空气预热器的设计计算 .135.1 相关结构参数的计算和选取 .146.单级空气预热器的传热热力
4、计算 .166.1 确定传热方式 166.2 计算传热系数 166.2.1 确定烟气对流放热系数 166.2.2 确定辐射放热系数 16换热器课程设计6.2.3 确定综合传热系 176.3 误差计算 .176.4 计算结果汇总表 .177.单级空气预热器校核计算 197.1 空气预热器校核计算汇总 197.1.1 空气预热器校核计算汇总表 .198.计算结果汇总 .218.1 计算结果汇总 218.1.1 计算结果汇总表 219.单级空气预热器设计总结 23参考文献 .24换热器课程设计51.绪论能源紧张是目前世界上普遍存在的严重问题， “节能“是缓和能源紧张不可缺少的措施之一。对燃烧用的空气
5、进行预热，可以节约大量能源，尤其是在现有的大量工业炉窑上安装空气预热器更能取得明显的节能效果，因此高温空气预热器广泛应用于工业生产的各个领域。空气预热器是通过对锅炉、加热炉以及废气催化焚烧炉等炉窑的高温烟气与燃烧所用冷空气换热，进行余热回收的一种重要装备，广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工等行业。空气预热器一方面可以提高进入炉膛助燃空气的温度，带入一部分物理显热，提高炉膛的辐射温度，保证炉膛内燃料稳定燃烧，并能强化燃烧，降低装置能耗，节约能源；另一方面，可减小炉内热损失，降低排烟温度，提高炉窑热效率。根据经验，当空气在预热器中温度升高 15时，排烟温度可降低 1。在炉窑烟道
6、中安装空气预热器后，如果能把空气预热 1 501 60，就可以降低排烟温度 11 o1 20，可将炉窑热效率提高 775，节约燃料 11一 12。空气预热器包括管式预热器和回转式预热器。管箱预热器工作原理：较为简单，烟气从管箱外部流经，空气从管箱内部通过，通过温差不同传热。与省煤器、过热器等原理相同。回转式预热器的工作原理：预热器转子部件由数以万计的传热元件组成，当空预器缓慢旋转，烟气和空气逆向交替流经空气预热器。蓄热原件在烟气侧吸热，在空气侧放热，从而达到降低锅炉排烟温度，提高热风温度的预热作用。空气预热器是火力发电厂中的一个重要设备，起到降低排烟温度，提高锅炉燃烧效率的目的，研究空气预热器
7、的热力性能具有十分重要的意义。换热器课程设计62.空气平衡计算2.1 空气平衡计算相关参数及公式的选取2.1.1 煤成分计算根据任务书我们选择煤种为抚顺烟煤，其煤的收到基成分如下所示：碳 %60.8)(arC氢 4rH氧 7.)(arO氮 1rN硫 %0.)(arS水分 6rW灰分 19.7)(arA煤的收到基低位发热量 kgJQarVnet /2430.2.1.2 空气平衡计算选用的公式 （1）上级空气预热器过量空气系数及各受热面的漏风系数选择如下所示。表 21 空预器中各受热面的漏风系数及过量空气系数过量空气系数烟道名称入口 出口 漏风系数 上级空气预热器 1.25 1.28 0.03炉膛
8、 1.2 0.1煤粉系统 0.04空气预热器出口热空气的过量空气系数为： 14.0.2811 fky其中 1、 f通过查表 21 得出。换热器课程设计7（2）燃烧产物体积及焓的计算 煤完全燃烧（ ）时理论空气量及燃烧产1物体积计算如下。理论空气量（标况下）为：)/(941.5 1.903.4265.0)375.0680.3kgmOHSCV arararar 理论体积为：2RO)/(06.10375.968.10375.86. 32 kgmSCVararRO 的理论体积：2N)/(73.41028.94.57108.79.2 kgNarN 的理论体积：OH2)/(745.091.06.13024
9、.1.0 32 kgmVWHVarar 2.2 空气平衡计算结果汇总2.2.1 空气平衡计算结果汇总表根据燃料的收到基成分及以上公式得到空气平衡计算的结果如表 21表 2-1 理论燃烧产物计算结果表序号 名称 公式及计算 结果1理论空气需要量/m 3/kg1.903.4265.0)375.096(8.0 arararar OHSCV )/(453kgm2RO2的理论体积/m3/kg106.7.86.10.86.12 ararROSV )/(03kg换热器课程设计83N2的理论体积/m3/kg 102.894.57018.79.02 arNV )/(73.4kgm4H2O 的理论体积/m3/kg
10、 941.506.13024.1.02 VWHararO )/(745.3kg3.单级空气预热器烟气特性计算根据空气平衡计算结果，选取相应的空气过剩系数，即可计算出烟气的成分，并根据烟气成分及其各个成分在不同温度下的焓值，计算出烟气的温焓表，为后续烟气放热系数及迭代计算做准备。3.1 烟气的特性参数计算依据3.1.1 空气过剩系数的选取根据烟道前部结构的漏风系数及取单级空气预热器的漏风系数 0.03，得到了单级空气预热器入口过量空气系数 =1.25 及出口空气过剩系数 =1.28，“具体如下表所示。表 31 空预器中各受热面的漏风系数及过量空气系数过量空气系数烟道名称入口 出口 漏风系数 上级
11、空气预热器 1.25 1.28 0.033.1.2 烟气特性参数计算依据根据入口空气过剩系数、出口空气过剩系数及理论燃烧产物得到了烟气相关特性参数见表 32。3.2 烟气特性参数计算汇总换热器课程设计9表 32 烟气特性名称及公式 上级空气预热器出口处过量空气系数 1.28平均过量空气系数 )(5.0pj 1.265过剩空气量 /)1(3kgmVj1.574体积OH2)/()(06. 322VPJOH0.77烟气总体积 )/()1(322 kgmVpjORNy 8.113体积份额2 yRr/220.131体积份额HOH22 0.0918三原子气体总体积份额 Rr20.2228烟气质量 )/(3
12、06.1kgVAGpjary 10.669灰分浓度 )/(烟Gyfharfh 0.01233.3 烟气的温焓表计算3.3.1 烟气的温焓表根据烟气的成分计算不同温度下烟气的焓值汇总如下表：表 33 烟气温焓表烟气温度 C/kgmVoRO/06.132kgVN/70.432 kgmVoOH/745.032kgAfh/13.0换热器课程设计10)/(32mkJco/22gVICOR)/(32kJcN/(22gVI)/(32mkJcOH)/(22gVIN)/(3mkJcfh10gAIfhffC350665.5 709.4 459.5 2161.0 544.5 405.6 312 40.8kyII)1
13、(thOHNoRyII22 kgmVo/941.5328.1ky烟气温度 C/)/(kgJ)/(3mJck)/kgcVIkC3503316.8 472.5 2807.1 4102.84.热平衡及燃料消耗量计算锅炉的热平衡计算是指根据送入锅炉机组的热量与锅炉机组有效利用的热量及各项损失之间的平衡。根据任务书给定的参数及前述计算，以 1kg 燃料为计算基础，计算出锅炉的有效利用热，根据给水参数及吸热后蒸汽参数及锅炉容量，计算出燃料消耗量。4.1 相关公式的选取1) 锅炉有效利用热：换热器课程设计11(4-1)(02.)(gsbhgsr iDi2) 燃料消耗量：(4-2)arvneyglQB.13）
14、计算燃料消耗量：Bj= (4-3)410()q4.2 相关计算参数的选取1）给水焓及过热蒸汽焓：查水和水蒸气热力性质图表得到任务书给定压力下的过热蒸汽焓和给水焓，具体数值见表 5。2）固体不完全燃烧损失：查实用锅炉手册表 2-71 得 。4%q4.3 计算结果汇总4.3.1 热平衡及燃料消耗计算结果汇总表根据以上参数、公式及任务书给定条件，得到以下计算结果汇总如下表：表 41 热平衡及燃料消耗计算序号 名称 公式及计算 结果1燃料拥有热量 )/(kgJQgj 任务书给定 22415（收到基低位发热量）2 排烟温度 Cpy/任务书给定 226.893排烟焓 )/(/kgJIpy 查表 143.p
15、y2258.654 冷空气温度 Ctlk/任务书给定 20换热器课程设计125冷空气焓 )/(kgJIHlk 见表 33128.66 锅炉效率 %l任务书给定 89.77过热蒸汽出口焓 )/(kgJigr CtMPap450,9.3查水蒸气热力表3333.58 饱和水焓 )/(ibh，查水蒸.气性质表 1113.59给水焓 )/(kgJigs CtPap145,8.，查水蒸气性质表 720.010 排污率 %pw任务书给定 211锅炉总吸热量 )/(skJQgl )(02.(gs bhsriiD25479.712燃料消耗量)/(skBarvneyglQ.101.26713计算燃烧消耗量 )/(
16、sgj )10(4qB1.14314 保热系数 75.189613kyglq0.995.单级空气预热器的设计计算5.1 单级空预器的结构计算换热器课程设计13采用钢管式预热器，高温（上级）空气预热器有一个管组，由四个并列管箱组成。管式空气预热器常用于中、小型锅炉，它是直径 30mm40mm，壁1.2mm1.5mm 的有缝薄钢直管与错列开孔的上下板焊接而成，形成立体管箱。对燃煤锅炉，为了减轻积灰，采用立式布置，烟气在管内纵向流动。在我国管式空气预热器近年来都采用 401.5mm 的有缝管焊接在两端较厚的管板上制成(有时管板间还有把气流隔成几个流程的管板），外部有时还焊一些钢架以增强其钢度。管子的
17、排列从空气侧来说采用错列，常用的管距如下75.11dS 25.12dS在选用 S1、 S2时应注意使两管间的斜向距离 的数值不得小于 10mm，如值太大或太小，管板会在管子焊接时发生过大的变形。如果在决定 S1、 S2时预先考虑是横向管间间隙 S1-d 为斜向管间间隙 之二倍，则空气气流在管簇中流动时没有过多的压缩、膨胀，因而流阻较小，根据计算，以下的一些 S1、 S2的配合是比较合适的。表 5-1 适合值表12SS1 60 64 68 72 77 82S2 40 41 42 43 44 45换热器课程设计14在空气预热器中烟气流速 wy一般在 10m/s14m/s 的范围里选取、烟气流速过高
18、则磨损大，烟气过低则堵灰，设计中一般取空气流速比烟气流速低，为烟气流速 45%55%。高温空气预热器中烟气与空气流动的方向互相垂直，为交叉流动，总的流动方向是逆流。初选烟气流速为 14m/s，空气流速为 7m/s，则可算得管子的根数： 194)273.(14037.96827142y2nj wdVB其中， 可从后面的表 4-3 取。高温（上级）空气预热器结构计算见表 5-2。表 5-2 高温（上级）空气预热器结构计算序号 名称 符号 单位 公式及计算 结果dm_ 401 管子规格 _ 1.52 横向节距 1s_ 603 纵向节距 2 _ 404 横向相对 截距 1 ds11.755 纵向相对
19、截距 2 21.06 横向管数 1z个 637 沿空气流 2排 26换热器课程设计15相管排数8 烟道宽度 am给定 3.89 烟道深度 b比管道高度高6.910 管子根数 n根 21z163811 管子高度 l 6.312 总受热面 H2mnldpj1247.413 空气流通截面 kFza08.312.184 14 烟气流通截面 y2 25)(4dn1.766.单级空气预热器的传热热力计算热力计算是确定烟气运行过程中各种锅炉受热面吸收烟气热量的比例关系，通过热量平衡，计算锅炉各受热面的结构尺寸，确保锅炉达到额定的出力和参数。此部分计算分为设计计算和校核计算，设计计算是在给定水温和燃料特性的前
20、提下，为达到额定的参数和出力，选定的计锅炉各个受热面的结构尺寸，并为选配辅助设备和进行锅炉类型计算提供原始资料。设计计算是一个从无到有的过程；校核计算是根据已有的锅炉各受热面结构参数和锅炉参数，燃料种类或局部受热面发生变化时，通过计算确定各受热面各节点水温，蒸汽温度湿度，确定锅炉热效率和燃料消耗量等。限于篇幅，本设计仅将最终计算结果汇总与下表中。6.1 确定传热方式单级空气预热器布置在烟道中，主要为烟气通过管道与水进行换热，其换热方式主要为对流放热与辐射换热。在换热过程中对流放热占据主导地位，故将辐射换热折合成对流换热来计算。6.2 计算传热系数换热器课程设计166.2.1 确定烟气对流放热系
21、数根据管径 d=32mm，相对横向节距为 2.8，相对纵向节距为 1.7，烟气流速为 11.2m/s 及 n=16,查实用锅炉手册图 10-32 得 ， ， 及 的值并根sczwH据以下公式计算出烟气对流放热系数的值：(6-1)291./()dHzwscWmKA6.2.2 确定辐射放热系数炉膛中产生的高温烟气流经对流受热面时，主要以对流方式将热量传递给管道中的工质。但是烟气中的三原子气体，以及随烟气流动的灰粒均具有一定的辐射能力因此锅炉受热面的换热系数由对流换热系数与辐射换热系数组成。为了简化计算，在辐射换热系数的计算中，只考虑管壁与烟气的一次辐射吸收能，被忽略的多次反射与吸收部分用增加管壁黑
22、度的方法进行校正。计算黑度时只考虑三原子气体和灰粒，也就是把烟气和管束间的辐射换热看成黑体间的换热。计算过程见表四。6.2.3 确定综合传热系确定辐射换热系数与对流放热系数后根据以下公式便可以确定综合传热系数：(6-2)1()dfK6.3 误差计算根据传热方程计算出传热量后，再由表四中公式即可以求出传热误差，最后通过迭代法将误差确定在 2 以下即可。6.4 计算结果汇总表表 61 单级空气预热器传热热力计算表序号 名称 公式及计算 结果1 烟气入口温度 Ciy/见表 24 C3502 烟气入口焓 )(kgJI 由表 33 推出 4102.83 空气入口温度 t/任务书给定 204 空气入口焓
23、)(i 查表 3-3 128.6换热器课程设计175 空气出口温度 Ct/任务书给定 2886 空气出口焓 )(kgJi 由表 33 推出 1863.367 平均空气温度 t/ )280(1)(2t1548 平均空气焓 )/(kgJi )36.18.1(i995.989 出口过量空气系数 进炉膛的热空气份额，查表 1-1 1.1410空气吸热量 )/(kgJQk )6.1283.(40(i3087.8711 烟气出口焓 )/(I iQIk2258.6512 烟气出口温度 C328.1查 表226.8913 平均烟温 / )(288.4514烟气体积（标准状况） )/(3kgmVy 查表 328
24、.18.11315 烟气流速 /(sy 7/yjFVB11.2516 相对管长 dl/ 157.517 水蒸气体积份额 OHr2 0.091818烟气侧放热系数 )/(2CmWy38.0919 空气流速 )/(svk )273/()(kjFiBV5.6520 空气侧放热系数 61.28换热器课程设计18)/(2CmWk21 污染系数 单行程，选用 0.8522 传热系数 K2/ ky19.9623 入口温压 Ctx/ t6224 出口温压 d 206.8725 逆流温压 tnl/ xdxdttln/155.4426 大温降 Cd/t26827 小温降 x 123.1128 参数 P )/(tx
25、0.37329 参数 R d2.17730 温压修正系数 查实用锅炉手册 0.931 温压 Ct/ hlt139.8932 传热量 )/(kgJQjBHK10305033 误差 %/e87.350.0127.单级空气预热器校核计算为了使单级空气预热器的压力满足要求，即单级空气预热器中水阻力在中压时不大于锅炉压力的 8%，本小节内容对阻力进行校核。7.1 空气预热器校核计算汇总7.1.1 空气预热器校核计算汇总表表 7-1 单级空气预热器校核计算表换热器课程设计19序号 名称 符号 单位 公式及计算 结果1 烟气入口温度 C给定 3502 烟气入口焓 IkgJ/查焓温表（未示出） 4102.83
26、 烟气出口温度 假定后复校 226.894 烟气出口焓 IkJ/查焓温表 2258.655 平均烟气温度 C 21288.456 热平衡传热量 phQkgJ/()(lfII为漏风焓，H预先假定为1943)30507 空气出口温度 tC给定 2888 空气出口焓 kIkgJ/查焓温表 1863.369 空气入口焓 k /21phkQI128.610 空气入口温度 t C查焓温表 2011 漏风焓 lfI kJ/kg kI21995.9512 平均空气温度 tt15413 烟气流速 ysm/2731FVByj11.2514 烟气测放热系数 1)/(2CWfd38.0915 空气流速 ks/ )27
27、31()(fBVj5.6516 空气侧放热系数 2)/(2CmW查实用锅炉 手册 61.28换热器课程设计2017 传热系数 k)/(2CmW2119.9618 逆流温压 nltttnl)(155.4419 大温降 dCt26820 小温降 x 123.1121 参数 P_ )/(tx0.37322 参数 R_ xd/2.17723 交叉流温压改正系数 _ 0.925 交叉流温压 tC139.8926 传过热量 chQkgJ/jBtHK10305027 误差 e%87.350.0128.计算结果汇总通过以上设计和计算，得出了该单级空气预热器的主要结构参数，本小节内容将上述计算的重要参数汇总如下
28、表。8.1 计算结果汇总8.1.1 计算结果汇总表根据以上计算，将主要计算结果汇总如下表：表 8-1 计算结果汇总表换热器课程设计21序号 名称及单位 计算结果 序号 名称及单位 计算结果1 烟气总体积 Vy/m3/kg7.653 10 烟道深度 /m6.92 烟气质量 G/kg/s 10.8 11 有效受热面积 2/H1247.43 计算燃料消耗 量 Bj/kg/s2.34 12 烟气流通截面 积 2/F1.76 4 管子规格 /dm5.14013 出口烟温 /226.895 横向截距 1/S1.75 14传热系数 K/）2/(WmA19.966 纵向截距 2/1.0 15 平均温差 /t1
29、39.897 横向排数/纵向 排数 Z1/Z26/316 误差 /%e0.0128 有效受热面管 长 /lm6300 17 烟气平均流速 Vy/ms11.259 烟道宽度 3.8换热器课程设计229.单级空气预热器设计总结本设计按照任务书给定的参数，给出了单级空气预热器设计的详细步骤。首先,根据燃料的收到基成分计算出了理论空气需要量和理论燃烧产物，再通过设计要求选定空气消耗系数求出了烟气成分，并得到了烟气的特性参数和烟气的温焓表。其次，根据煤的低位发热量和锅炉容量等参数进行了热平衡及燃料消耗计算。再次，根据入口水焓，出口水焓，入口烟气焓对有效换热面积进行了估算，得出了横向排数为、纵向管排数、并
30、联管数的初始值，从而对单级空气预热器的结构做了初步设计。再次，根据初步设计的结构及相关计算参数对单级空气预热器做了热力计算，进一步校核和改进了单级空气预热器的结构，使误差小于 2%。最后，对单级空气预热器进行了阻力校核计算，算出了烟气在单级空气预热器中所受到的阻力。针对设计任务的单级空气预热器，本课程设计依次进行了空气平衡计算、烟气特性计算、热平衡及燃料消耗量计算、单级空气预热器的设计计算、单级空气预热器的传热热力计算及阻力校核计算。设计中，烟道宽度为 5.2m，烟道深度为 1.7m，采用沸腾式的钢管单级空气预热器，管子规格为 ，烟气流32速为 11.2m/s，横向管排数为 16，纵向管排数为
31、 15，并联管数为 16，考虑因防磨板的存在对有效换热面积的影响，得到有效换热面积为 132.4m2，烟气流通截面积为 4.94m2，辐射层有效厚为 0.146m。根据结构的设计参数及烟气参数，计算出了传热系数为 74.23，,根据传热系数、入口水焓、出口水焓、烟气的入口焓及烟气的温焓表，运用迭代法计算出了烟气出口温度为 528，传热量为1509kJ/kg。通过阻力校核计算得到单级空气预热器对烟气的阻力为 99.9Pa。由上述结果可知烟气的流速为 11.2m/s，在 713m/s 范围内，符合设计要求。传热量与水吸收的热量误差为 1.6%，小于 2%，亦符合设计要求。最后单级空气预热器对烟气的阻力也小于规定值，同样符合设计要求。本设计严格按照换热器设计要求，步骤合理，计算所需参数均由标准手册查得，设计结果准确、可靠。换热器课程设计23参考文献1 林宗虎 徐通模 实用锅炉手册 化学工业出版社 20092 严家騄 徐晓福 王永青 水和水蒸气热力性质图表 高等教育出版社 20043 杨世铭 陶文铨 传热学 高等教育出版社 2008
