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4.3.2設(shè)計例

日期：2022-01-07 09:06:44點擊：217

4.3.2設(shè)計例
例4.3.1設(shè)計一臺用于蒸汽冷凝冷卻的空冷器，已知飽和蒸汽的入口溫度為

= 130℃，對應(yīng)的飽和壓力為0.27 MPa,冷凝后的水出口溫度為

=40℃，入口蒸汽流量為 18 t/h(G=5. 0 kg/s) _o
根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，取空氣的設(shè)計入口溫度為

=16℃。
首先計算空冷器的熱負荷和所需空氣流量：
(1) 熱負荷計算。
飽和蒸汽的物性為:蒸汽入口焰值_：

；水出口焙值:

；總換熱量：

；130℃時飽和水的焰值：

；凝結(jié)段放出的熱量

占總熱負荷的85%；水冷卻放出的熱量：

,占總熱負荷的15%。

(2) 空氣流量的確定。
設(shè)空氣出口溫度

即溫升為20℃，需要的空氣流量為

(3) 初步設(shè)計
設(shè)計方案如圖4.3.3所示。空冷器由8臺3 m寬,6 m長的并列管束組成,共配置4 臺風(fēng)機，該方案的尺寸規(guī)格和初步選擇計算見表4. 3. 1₀

表4. 3. 1初步選擇設(shè)計

序號	參數(shù)	數(shù)值	備注
1	風(fēng)機臺數(shù)	4
2	風(fēng)機單臺迎風(fēng)面積/	6x6
3	總迎風(fēng)面積/	144
4	迎面質(zhì)量風(fēng)速/()	4.4	選定
5	單臺風(fēng)機所需風(fēng)量/()	475 200	風(fēng)機型號風(fēng)量：540 000
6	管束數(shù)目	8	選定
7	單管束迎風(fēng)面/(mxm)	3x6	選定
8	縱向管排數(shù)	4	選定
9	橫向管排數(shù)/管間距	48/56 mm	錯排
10	單管束翅片管數(shù)	192
11	翅片管總數(shù)	192x8 = 1 536
12	管程數(shù)	2	兩排為1管程
13	單管程管子數(shù)目	768
14	基管直徑/mm	（t）25x2.5
15	翅片管有效長度/mm	5 800
16	翅片高度/厚度/節(jié)距/mm	12. 5/0. 5/2. 3
17	翅化比	17. 52
18	單管傳熱面積/	0. 455 5	以基管外表面為基準
19	初步設(shè)計總傳熱面積	0. 455 5x1 536 «699. 6

(4)傳熱計算。
在上述初步設(shè)計的基礎(chǔ)上進行傳熱計算，求出需要的傳熱面積,并與初步設(shè)計結(jié)果進行比較，計算步驟見表4.3.2。
計算說明:①在按式(2. 7. 5)和式(2. 6.4)計算時，需要給定冷凝段和冷卻段的長度, 在計算中，初步假定兩段的長度相等;②冷卻段的流速很低，管內(nèi)Re數(shù)僅為1 168,小于 2 300,為層流，需用管內(nèi)層流的換熱式計算;③傳熱系數(shù)由式(2. 1.2)計算，其中，管內(nèi)污垢熱阻取

,管外污垢熱阻由式(2. 9. 1)換算為基管外表面的熱阻值*

,軋制翅片管的接觸熱阻為

。
表4. 3.2冷凝冷卻空冷器的分段計算

序號	參數(shù)	凝結(jié)段	冷卻段	備注
1	換熱量/kW	10 867	1 894
2	介質(zhì)溫度/℃
3	空氣溫度/℃
4	傳熱溫差/℃	102.3	56.8
5	管外換熱系數(shù) /()	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	基管外換熱系數(shù) /()	1 018	1 018	由式(2. 1.6)
8	管內(nèi)換熱系數(shù) /()	13 296[式(2. 7.5)]	146[式(2. 6.4)]	見說明
9	傳熱系數(shù)/(	667.5	100. 3	見說明
10	傳熱面積/	159. 14	332. 45
11	總傳熱面積/	461.9
12	傳熱面積之比			初步設(shè)計可取

(5)設(shè)計結(jié)論。
當(dāng)介質(zhì)的凝結(jié)和冷卻兩個過程同時匯集于一臺空冷器中，會出現(xiàn)兩個過程的傳熱量和傳熱面積不匹配的情況:凝結(jié)段的傳熱量很大，但需要的傳熱面積卻很小;冷卻段的傳熱量很小，但由于其流速過低，致使管內(nèi)換熱系數(shù)極低,需要很大的傳熱面積，這給設(shè)計帶來一定的難度和結(jié)構(gòu)的不合理,也影響設(shè)備的經(jīng)濟性，所以，應(yīng)盡量避免凝結(jié)和冷卻兩個過程同時存在的設(shè)計條件。
例4.3.2在某工程項目中，擬利用空冷器回收煙氣中的含水量。在接近大氣壓條件小,將含有大量水蒸氣的煙氣從80℃冷卻到50℃，由煙氣、水蒸氣和凝結(jié)水構(gòu)成的復(fù) 合介質(zhì)的總流量為60 000 Nm³/h(20℃下)，入口處水蒸氣和水的質(zhì)量占總質(zhì)量的39%。要求設(shè)計一臺空冷器用來冷卻這一復(fù)合介質(zhì)，同時將其中的水蒸氣盡可能多地凝結(jié)并回收。當(dāng)?shù)刈罡邭鉁貫?0 最低氣溫為-30℃。可重點計算空冷器的熱負荷和管內(nèi)對流換熱系數(shù)。
(1)熱負荷計算。
① 復(fù)合介質(zhì)的流量：

其中，取標準狀況下的密度為

。
② 水和水蒸氣含量：

干煙氣含量：

③ 入口和出口狀態(tài)的確定：因煙氣物性與空氣接近，可借助濕空氣物性表選取煙氣進出口狀態(tài)和焙值
在進口溫度為80℃時,飽和煙氣的含濕量為545 g/kg（干煙氣）=0. 545 kg/kg（干煙氣）；水蒸氣含量為

,小于水和水蒸氣的總含量（7. 8 kg/s）, 說明進口處存在一定的水量，其值為

在出口溫度為50 丁時,飽和水蒸氣的含量為0. 086 2 kg/kg（干煙氣），水蒸氣的含量為 0.086 2 kg/kgxl2.2 kg/s= 1.051 64 kg/s；在出口處的水量為：7. 8 kg/s-1.051 64 kg/s = 6. 748 36 kg/s,每小時的出水量為24 294 kg/h,即每小時可以回收24 t水。
由此可見，在進口和出口處,均含有三種成分:水，水蒸氣和干煙氣，其中，干煙氣含量進出口不變，水含量進口很少，出口多,而蒸汽含量則相反。
④ 各成分進出口的質(zhì)量，焙值，換熱量計算見表4. 3. 3₀
表4. 3.3各成分進出口的質(zhì)量，焙值，換熱量

進口溫度	80 °C
進口蒸汽量	0. 545x12. 2 kg/s = 6. 649 kg/s	焓：2 643.5 kj/kg	熱值：17 576.6 kW
進口水量	7. 8 kg/s—6. 649 kg/s = 1. 151 kg/s	焓：335.0 kj/kg	熱值：386. 9 kW
進口干煙氣量	20 kg/s—7. 8 kg/s= 12. 2 kg/s	焓：88 kj/kg	熱值：1 073.6 kW
進口總熱值			Q_{ = 19 037 kW
出口溫度	50 r
出口含汽量	12.2 kg/sxO. 086 2 = 1.051 64 kg/s	焓：2 593.0 kj/kg	熱值：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	熱值：1 412.4 kW
出口干煙氣量	20 kg/s—7. 8 kg/s= 12. 2 kg/s	焓：55 kj/kg	熱值：671 kW
出口總熱值			。2=4 582.6 kW
傳熱量（熱負荷）			0 = 0-02 = 14 454.4 kW

①計算式：由式(4.3.2)

計算中，煙氣的物性可以取自空氣的物性，因二者接近。
②計算過程。
在中點溫度為

下的飽和水蒸氣含量為0. 204 kg/kg干煙氣,
蒸汽總含量為

,凝液流量為

凝液質(zhì)量流速

氣相質(zhì)量流速

將上述各量代入（4.3.2）中：

(4)傳熱系數(shù)和傳熱面積的計算結(jié)果。
① 當(dāng)空冷器的迎風(fēng)面質(zhì)量流速為3.5 kg/(m² . s)時，根據(jù)式(2. 2. 6),(2. 4. 7), (2. 1.6),基管外表面換熱系數(shù)為

② 傳熱系數(shù)。
由式(2. 1.2)得

其中，管內(nèi)污垢熱阻珞，按第2. 9節(jié)取值

；管外污垢熱阻

取值0.0001 76 (m² .℃)/W,按式(2.9. 1)計算后為0.000 0109；由表2. 10. 2選取接觸熱阻

為

此外，考慮基管材質(zhì)為ND鋼,導(dǎo)熱系數(shù)較低，取20 W/ (m •℃)。

③ 傳熱平均溫差計算。
對數(shù)平均溫差

，傳熱溫差為

④ 傳熱面積

初步計算值

為計算面積的1.56倍，故初步計算值是安全的。
(5)管束和風(fēng)機的平面布置如圖4.3.4所示。
介質(zhì)

圖4. 3.4管束和風(fēng)機的平面布置

(6)說明。
① 因設(shè)計余量較大,可改變初步設(shè)計，重新計算,改變建議為：管束數(shù)目為6,管束尺寸為12 mx3 m,總迎風(fēng)面積為6x(12 mx3 m)=216 ㎡,風(fēng)機數(shù)目為6臺。
② 有必要進行變工況計算，計算在最高氣溫30℃時的傳熱性能，并計算在最冷天 -30℃時能否產(chǎn)生管內(nèi)介質(zhì)的凍結(jié)。

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