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18000Nm
3
h热管式余热回收系统设计

一、设计条件
空气进口温度
空气出口温度
空气流量

20℃
200℃
18000Nm
3
h
烟气进口温度
烟气出口温度

280℃
150℃

二、设计流程
（1）热管原件的基本选择
管壳选择：20号无缝钢管，钝化处理
翅片选择：10号钢，高频焊翅片管内工质：水
热管形式：重力热管
热管的几何尺寸：
光管外径 d
0
= 32 ㎜ ； 壁厚

0
= 3.5 ㎜ ；
翅片型式：螺旋式翅片，冷热流体侧的翅片几何、结构相同
翅片长度
l
f
= 15 ㎜ ； 翅片外径
d
f
= 62 ㎜ ；
翅片厚度

f
= 1.4㎜ ； 翅片间距 Y = 4 ㎜ ；
翅片节距

f

=

f
+ Y = 5.4 ㎜ ；
每米管长的翅片数
n
f
=
1000
1
=
158

片
m
；
5.4

f

热管换热器管子排列形式为等边三角形，如图：
横向管子中心距
S
T
81mm
；
S
L
S
T
81mm

（2）计算传热量Q

① 烟气的定性温度
t
h
f

h
f



t
t
1
h
t
2
h
=
2

=

250150
215
℃
2
查得定性温度下烟气的参数为：

h
定压比热容

C
p
=1.1008 kJ
kgc
；
3

密度


h
f
=0.7284 kgm；
导热系数

黏度

；

f
h
=4.1345
10
2
W(m
C）
6

h
f
=
25.057
10 kg(m

s)；
普朗特数
Pr= 0.667
h
② 空气侧定性温度及参数
c
定压比热容
C
p
=1.009 kJ
kgC
；
3

密度


c
=0.922 kgm；
f
导热系数

黏度

2
=3.275 W(m
C
)；
10

c
f
6

c
f
=
22 .35
10
kg(m

s)；
普朗特数
Pr= 0.687
c
③ 冷空气侧实际获得的热量Q
c
ccc
（20020）3600=1174.2kW


Q
c'
V
c

c
f
C
p
(t< br>2
t
1
)
180001.2931.009
（假设 标况下，

c
）
f
取为1.293kgm。
考虑冷侧3%的热损，故：
3
Q
c
=1174.2（13%）1210.49
kW

④ 烟气放出热量
Q
h

考虑冷侧3%的热损，故：

Q
h

1210.49(13%)=1248kW



⑤ 烟气的流量
V
h

Q
h
hh h

h
f
C
p
(t
1
t
2)

12483600
24246Nm
3
h

1.2951.1008(280150)
⑥ 对数平均温差

t
m




t
m
=
t
1
t
2

15020



280200

= 103℃



t
1


1502 0

ln

ln




t< br>2


280200


（3）确定迎风面积
A
ex
及迎风面管排数B

选取烟气侧和空气侧迎面风速为2.5ms（在2-3ms之间选取）。
h1c1
① 烟气侧迎风面积
A
ex
以及
空气侧迎风面积
A
ex

V
h
24246

A
2.694m
2

h

2.53600
w
N
h1
ex
V
c
18000

A
2m
2

c

2.53600
w
N
c1
ex
② 迎风面宽度E
取热侧长l
h
=1.8m

h
A
ex
则
E


h

2.6941.81.4 966m

l
c
A
ex

21.49661.33m
可得 冷侧长
l
E

c
迎风面管排数
B
取B为19根
E

1.4966

18.47

S
T
0.081
实际迎风面宽度
EBS
190.081
T

1.5

39
③ 两侧实际迎风面积
hh
91.8

A
ex
El
1.53
cc
91.33

A
ex
El
1.53
2.
2
7

7m
2.
2
0

67m
④ 两侧实际迎面风速
24246
V
h
2.43ms

w
h

A
ex
2.773600
h
N
18000
V< br>c
2.44ms

w
c

2.0673600
A
ex
c
N
中间隔板厚
l
a
= 30 mm，预留安装段
l
s
= 35 mm
热管元件总长度
l

l
h
+
l
c
+
l
a
+ 2
l
s
= 3.23m

（4）求总传热系数
U
H

①、管束最小流通截面积NFA
h

NFA
h
= < br>
S
T
d
0

2

l
f


f
n
f


Bl



2
=



0.080.032



20.0150.0014185


191.81.41m

c

NFA
c
=

S
T
d
0

2

l
f


f
n
f

Bl



2

0.080.03220.0150.0014185191.331.042m
 





②、流体最大质量流速 G
max

热侧 ：
G
h
max

V
f
h


h
f
NFA
h

242461.295


22267.4kg（m
2h）
1.41
cc
180001.293
2
V

ff


c

22338.4kg（mh）
冷侧 ：
G
max


c
1.042
NFA
③、求Re
f
热侧 ：
Re
h
f
h
G
max
d
0< br>
h
f

22267.40.032
7899

6
25.057103600
c
G
max
d
0

22338.40.032
8884

6
冷侧 ：
Re
c
22.35103600

c
ff

④、求流体的换热系数
h
f

0.6338
f
由
Nu
f
0.137Re
热侧：
h0.137
h
f
Pr
计算换热系数

h
f
0.6338
1
3

f
h
d
0

Re

2

Pr

1
h3
1
4.134510
2
0.6338
0.1377 8990.667
3

0.032
mC）
= 45.67
W（

冷侧：
h0.137
cf

f
c
d
0


Re
2< br>c
0.6338
f

Pr

1
c
3
1
3.27510
2
0.6338
0.1378884 0.687
3

0.032
= 32.53
W(mC)

⑤、求翅片效率

f


r
f
r
f
1615
1.94
，故取
2

r
0
r
0
16

热侧：
l
h
2h
h
f
 45.67
f



0.015
2
w


f
480.0014
0.55

冷侧：< br>l
c
2h
c
f
239.3
f


0.015
w



f
500.00140.50

由图3—71 查得，

h

c
f
= 083，

f
= 0.84
⑥、求每米长热管管外总表面积
A
h

每米长热管的翅片表面积
A
f
为：

A

f



2
4


d< br>22
f
d
0



d

f


f


n
f






22

2< br>
2
4
(0.0620.032)

0.062 0.0012


1850.8695m
每米长翅片间管表面积
A
r
为：

A
r


d
0


1n
f


f


3.140.032(11850.
0.
0
0745
2
m
；
每米热管管外总表面积
A
h
为：

A
h
A
r
A
f
0.86950.07450.
2

944m
单根热管两侧总面积
热侧：
A
h
h
A
h
l
h
0.9441.81.699m
2< br>
冷侧：
A
c
h
A
h
l
c0.9441.331.255m
2

中径传热面积
热侧：
A
h
w


d
w
l
h
3.140.02851.80.161m
2

冷侧：
A< br>c
w


d
w
l
c
3.14 0.02851.330.119m
2

内径传热面积
热侧 ：
A
h
i


d
i
l
h3.140.0251.80.141m
2

冷侧：
A
c
i


d
i
l
c
3.140. 0251.330.104m
2


⑦、求管外有效换热系数
h
fe


；

热侧：h
h
fe
hhh
h
h
f
(A< br>r


f
A
f
)
h
A
h
ccc
h
c
f
(A
r


fA
f
)
c
A
h
45.67

0. 07450.830.8695

38.5
W(m
2
C)
；


0.944

39.3

0. 07450.840.8695

33.5
W(m
2
C)

0.944
冷侧：h
c
fe

⑧
、求污垢热阻r
y
及管壁热阻r
w

查《换热器原理与设计》附录
2
D，取值
h
m
7
CW

热侧：r
y
0.0001

c
86
CW

冷侧：r
y
0.0000
m

2
金属管壁热阻：
h

r
w


w
0.0035

0.0000875
m
2
CW

h

w
48

w
0.0035
2< br>
mCW

0.00007

c

w
50
c

r
w

h
U
⑨
H
、求总传热系数
hc
2

h
HP
h
HP
5810
WmC,


hhh
A
h
11
h
A
h
h
A
h

h
r
w

h
r
y
h

hhh
U
H
h
fe
A
w
A
y
h
HP
A
i


11.6 991.699
0.00008750.00017
38.50.16158100 .141

ccc
A
h
11
c
A
h
c
A
h

c
r
w

c
r< br>y

c

ccc
U
H
h
fe
A
w
A
y
h
HP
A
i



可得
h
U
H

11.416 1.416
0.000070.000086
33.50.13458100.11 8

34.34Wm


2


1
c

30.59W

m
2
C

,C,
U
H

U
H

1
11

hc
U
H
U
H

11

34.3430.59

16.18m
2
CW

（5）求放热侧总传热面积
A
H
cH
h


Q
c
1210.4910 00
A
726.7m
2
U
H
t
m
16.18103

（6）求所需热管数n、
c
A
H
726.7
n
c
579根
A
h
1.255

（7）求换热器纵深排数m
m

n579
30.4排，取m32排
B19

排列 方式：19
18
19
18
19
18
19
18
19
18
19
18
19
18
19
18
1 9
18
19
18
19
18
19
18
19< br>18
19
18
19
18
19
18

管子总数n19161816根592

（8)求通过热管换热管的压力降
①
求换热器的净自由容积NFV

ππ
2
NFV0.866S
L
S
T
d0
2
d
2
d
f0


f
n
f
44


0.8660.081
2
 0.032
2


0.062
2
0.032
2

0.00141854.310
3
m
3
m< br>44


②
求当量直径D
ev



h
热侧：D
ev


4NFV44.310 ^(3)
20.0510
3
m
A
h
0.944< br>
cc
冷侧：D
ev
D
ev
0.0182
m

③
求Re
'
f


< br>h
f
hh
D
ev
G
m
0.018222 267.44
ax
热侧：Re'4502.9
h6

f25.057103600

cc
D
ev
Gm
0.018222338.4
ax
冷侧：Re'5064.3
c6

20.35103600

f

c
f
④
求摩擦系数f

h
热侧：f
h
1.9

2Re'
f

 0.145
0.567


c
冷侧：f
c
1.9

2Re'
f

0.145
0.55 7

⑤
求平均管壁温度
t
w

3
Q< br>h
124810
hh
热侧：t
w
t
f

hh
215182.8
C
h
fe
A
h< br>n38.51.699592

Q
c
1210.49
3
10
冷侧：tt
f

cc
110158 .5
C
hAn33.51.255592
feh

c
w
c
⑥
求壁温下的流体黏度

w
< br>h6
热侧：

w
23.48

10
kg 

s

m



c6冷侧：

w
24.63

10
kg
< br>s

m

⑦
求通过换热器的压降P
L


h


f
f
h
热侧：Phh



h


2gD
cevf

w


h
2
h
max

G

0.14
h

D
ev

S
L


S

T

S
T


0.14
0.40.6
0.55625384.9
2
0.0810.86632

25.0565



21.310
7
0.01820.7284

22.45


0.0182



0.081

0.6
0.4
997Pa

L


f
c

f
c
冷侧：P

c

c
2g
cD
ev


f
c


w

c
G


2
c
max
0.14

D
c

S
L

ev


S
T

S
T


0.14
0.4
0.57118816.4
2
0.0810.86632
< br>20.35



21.310
7
0.0 1820.922

24.1

(9)求热管的第一排的管内流体温度t< br>v
第一排烟气温度
t
1
=280℃
3

密度


h
f1
=0.6432 kgm；
h< br>
0.0182




0.081
< br>0.4
797Pa

导热系数

黏度


f
h
1
=4.674
10
2
W(m
C
)；
6
10
=
27.468 kg(m

s)；

h
f1
普朗特数
Pr= 0.654
h1

第一排空气温度
t
2
=160℃
3

密度


c
f2
=0.815 kgm；
c
导热系数

黏度

2
；

c
f2
=3.64
10
W(m
C）6

c
f2
=
24.5
10
kg(m

s)；
普朗特数
Pr= 0.682
c2

①
求Re
f



冷侧：Re
c
f2

热侧：Re
h
f1
h
G
max
d
0

h
f1
c
G
max
d
0

22267.440.032
7206

-6
27.468103600
22338.40.032
8104

24.510
-6
3600


c
f2

②
求h
f

热侧：h0.13 7
h
f1

f
h
1
d
0

Re
2
h
0.6338
f1



Pr
1
h1
3

1
4.67410
2
0.6338
0.13772060.654
3

0.032
mC）

50.2W（

冷侧：h0.137
c
f2

c
f2
d
0


Re
2
0.6338
c
f2
< br>

Pr
1
c2
3

1
3.64 10
2
0.6338
0.13781040.682
3

0.032
mC）

42.7W（

③
求

f


热侧：
h
f1
0.82
冷侧：

c
f2
0.84

④
求h
fe

热侧：h
h
fe1

h
h
h
f1
(A
r


f1
A
f
)
A
h

50.2 

0.07450.820.8695

2
mC）
41.87
W（
0.944

冷侧：h
c
fe 2

c
h
c
f2
(A
r

f2
A
f
)
A
h
42.7

0. 07450.840.869

2
mC）
36.4
W（
0.944

⑤
求U
H

hhh
A
h
11
h
A
h
c
Ah
热侧：
h

h
r
w

h
r
y

h

h
0.03037
h
U< br>H1
h
fe1
A
w
A
y
h
HPA
i


h
U
H
36.97
W（m
2
C）

cc
A
h
11
c
A
c
A
h
冷侧：
c

c
r
w
r
y

c

c
0.03037
c
U
H2
h
fe2
AA
y
h
HP
A
i
c
2
U
H
32.9W(mC)

c
h
c
w


⑥求热导S
hh< br>热侧：S
1
h
U
H1
A
h
36.97 1.69962.81
WC

ccc

冷侧：S< br>2
U
H2
A
h
32.91.25541.29WC

⑦求t
v
Q
x
=S
h
( t
h
t
v
)S
c
(t
v
t
c
)

由上式可以得
h
t
1
h
S1
t
c
2
S
t
v

S
1
h
S
2
c
c
2


280 62.8116041.29
232.4
C
62.8141.29

（11）、求蒸发段热管的最后一排管壁温度t
w
h
最后一排烟气温度
t
2
=150℃
3

密度


h
f2
=0.849 kgm
h
导热系数

黏度



f
h
2
=3.57
10
2
W(m
C）
6
10
=
2.245 kgm

s

h
f2
普朗特数
Pr= 0.68；
最后一排空气温度
t
1
=20℃
3

密度


c
=1.205 kgm
f1
c
h2
导热系数

2


c
f1
=2.59
10
W(m
C）

黏度

6
=
1.81 kgm

s
10

c
f1
普朗特数
Pr= 0.703；

c1
①
求Re
f



冷侧：Re
c
f1

热侧：Re
h
f2

h
G
max
d
0

h< br>f2
c
G
max
d
0

22267.44 0.032
8816.6

-6
22.45103600
2 2338.40.032
10970.4

18.110
-6
3600


c
f1

②
求h
f

热侧：h0.137
h
f2

fh
2
d
0


Re
2
0.6338< br>h
f2



Pr
1
h2
3

1
0.0357
0.6338
0.1378816.60.68
3

0.032
mC）

42.6W（

冷侧：h0.137
c
f1

c
f1
d
0


Re
2
0.6338< br>c
f1



Pr
1
c1
3

1
0.0259
0.6338
0.13710970.40.7 03
3

0.032
mC）

35.9W（

③
求

f


热侧：

h
f1
0.84
冷侧：

c< br>f2
0.85

④
求h
fe

热侧：h
h
fe2


h
h
h< br>(A

f2rf2
A
f
)
A
h

42.6

0.07450.840.8695

2
mC）
35.9
W（
0.944

冷侧：h
cfe1

c
h
c
f1
(A
r


f1
A
f
)
A
h

35.9
0.07450.850.869

2
mC）
30 .9
W（
0.944

⑤
求U
H

hhh
A
h
11
h
A
h
c
A
h
热侧：
h

h
r
w
h
r
y

h

h
0.0307
h
U
H2
h
fe2
A
w
A
y
hHP
A
i


h
U
H
32.56
Wm
2
C
ccc
A
h
11
c
A
h
c
A
h
冷侧：
c

c
r
w

c
r
y

c

c
0.03518
U
H1< br>h
fe1
A
w
A
y
h
HP
Ai
c
c
2
U
H
28.4
W（mC）

⑥求热导S
hhh
热侧：S
2
U
H2
A
h
32.561.69955.32
WC< br>
ccc

冷侧：S
1
U
H1
A
h
28.41.25535.6
WC

⑦求t
w
h
t
2
S
2
h
t
1
c
S
1
c
15055.322035.6
tw
99
C
S
2
h
S
1
c< br>55.3235.6