热管型空气预热器设计说明书(结构设计)
热管型空气预热器设计说明书(结构设计)
热管空气预热器
设计说明书
班级： XX1
姓名： XXX 学号： 0 X
目录
热管空气预热器设计任务书 (2)
热管空气预热器热力计算 (3)
热管空气预热器结构设计计算 (10)
热管空气预热器设计任务书
设计题目：热管空气预热器的设计
设计要求：烟气、空气为清洁气体，不含任何杂质，烟气成分按标准烟气进行计算
设计参数：烟气进口温度 t 1h = 280℃ ； 烟气出口温度 t 2h = 180℃ ； 空气进口温度 t 1c = 20℃ ；
烟气流量（标准状况） G h =8000 Nm 3/h ；
空气流量（标准状况） G c =6400 Nm 3/h;
烟气标况下的密度 错误！未找到引用源。
f h =1.295kg/m 3；
空气标况下的密度 错误！未找到引用源。
f c =1.293 kg/m 3
选用水为热管工质，管壳材料为20号锅炉无缝钢管，翅片材料为低碳钢，翅片与管壳连接方式为高频焊接。
这种热管的参数为:
光管外径d o =0.032m ；热管内径d i =0.026m ；
翅片高度l f =0.015m ；翅片厚度f =0.0012m ；翅片间距 s f =4mm ； 翅片节距s
f ’= s f + f=5.2mm ；
每米热管长的翅片数n f =错误！未找到引用源。
热管换热器管子排列形式为等边三角形排列，如图，横向管子中心距S T =0.081m ；S L =S T =0.081m 。
其热力设计计算和结构设计计算如下：
差
数
........忽略此处.......。
前置式热管式空气预热器的优化设计
前置式热管式空气预热器的优化设计摘要:近年来，随着热管技术的逐渐成熟、生产成本的降低，热管换热器在工程上的节能应用已经成为热管技术发展的一个重要方面。
尤其是在回收低温排气的余热中，气-气换热、重力式碳钢-水热管换热器表现出优异的传热特性和一系列独特的优点。
本文通过一台前置式热管式空气预热器的设计，主要阐述了热管的组成、工作原理、优点。
在安装热管的面积一定状况下对碳钢-水重力式热管换热器的结构进行了优化。
得到了较为理想的优化结果，为热管换热器的设计提供了理论依据。
说明了前置式热管式空气预热器可以有效减轻锅炉的低温腐蚀，降低排烟温度，提高锅炉效率。
在降低了企业的能耗同时,也可以保护环境,取得良好的经济效益和社会效益。
关键词：热管，空气预热器，前置，结构优化前言碳钢-水重力式热管是众多热管形式的一种,它是通过管内工作介质的相变,依靠潜热来传递热量,因此传热效率非常高。
重力式热管的基本工作原理如图1所示。
典型的热管由管壳外部扩展受热面、端盖组成，将管内抽成1.3×（10 -1～10－4）Pa的负压后充入适量的工作液体（如水）,然后加以密封。
当热管的蒸发段受热时热管内的工质蒸发汽化，蒸汽在微小压差下流向冷凝段放出热量凝结成液体，在重力的作用下流回蒸发段。
如此循环不已，热量就由一端传到了另一端[1]。
1.热管换热器的特点热管换热器与其他形式的换热器比较起来有以下主要特点：1）热管换热器可以通过换热器的中隔板使冷热流体完全分开，在运行过程中单根热管因为磨损、腐蚀、超温等原因发生破坏，也只是单根热管失效，而不会发生冷热流体的掺杂。
2）冷热流体的换热均是在热管外表面进行的，所以易于在管外表面增加外延展受热面的方法提高每根热管的换热量，从而缩小体积，提高效率。
3）对于含尘量较高的流体，热管换热器可以通过热管结构尺寸，扩展受热面形式，以解决换热器的磨损堵灰问题。
4）热管换热器用于带有腐蚀性的烟气的余热回收时，可以通过调整蒸发段、冷凝段的传热面积来调整热管管壁温度，使热管尽可能避开最大的腐蚀区域。
热管、回转式空气预热器设计
前言锅炉是火力发电厂的三大主要设备之一。
现代的燃煤电站锅炉是使燃料在炉内充分燃烧并将热量传递给足够的炉内工质――水，使其成为高参数的过热蒸汽，以便在蒸汽进入汽轮机时拥有足够的作工能力。
为了充分利用燃料的热量，降低排烟温度、减少能量的浪费并提高炉内的燃烧温度，可在尾部设置换热器将排烟的热量传递给将进入锅炉的空气。
空气预热器就是利用锅炉尾部烟气的热量来加热燃烧所需空气的热交换设备。
空气预热器可吸收烟气热量，使排烟温度降低并减少排烟热损失，提高锅炉效率；同时提高了燃烧空气的温度，有利于燃料的着火、燃烧和燃尽，增强了燃烧稳定性并可提高锅炉燃烧效率；空气预热还能提高炉膛内烟气温度，强化炉内辐射换热，这相当于以廉价的空气预热器受热面，取代部分价格较高的蒸发受热面，降低锅炉制造成本。
因此，空气预热器已成为现代锅炉的一个重要的、不可缺少的部件。
考查空气预热器的质量如何，主要有三个指标，第一是换热性能，第二是锅炉是火力发电厂的三大主要设备之一。
现代的燃煤电站锅炉是使燃料在炉内充分燃烧并将热量传递给足够的炉内工质――水，使其成为高参数的过热蒸汽，以便在蒸汽进入汽轮机时拥有足够的作工能力。
为了充分利用燃料的热量，降低排烟温度、减少能量的浪费并提高炉内的燃烧温度，可在尾部设置换热器将排烟的热量传递给将进入锅炉的空气。
漏风率，第三是烟风阻力。
相对于管式空气预热器，容克式空气预热器具有结构紧凑，体积小，钢耗少，容易布置等优点，因而被广泛应用于大中型电站锅炉上，尤其是300 MW 以上锅炉，因布置不下庞大的管箱式预热器，只能使用回转式空气预热器。
回转式空气预热器分为受热面回转(容克式)和风罩回转(诺特谬勒式)两种型式，受热面回转式空气预热器耗电稍大，但漏风不容易控制；风罩回转式预热器耗电少，但密封系统不易控制。
自从1985年引进美国ABB公司预热器技术之后，国产机组几乎全部使用受热面回转式空气预热器，只有进口机组中，有使用风罩回转式预热器的。
热管式空气预热器
热管式空气预热器热管是一种高效的传热元件，早在上世纪40年代热管的概念就已提出，直到60年代，由于宇宙航行的需要，热管才在宇航技术中得以应用。
此后发展很快，70年代热管就已广泛应用于电子、机械、石油、化工等行业。
从那时起，国内石油化工管式炉、锅炉上就开始使用热管式空气预热器来回收烟气余热，并迅速得到推广，到目前为止估计已有数百台在运行中。
它与管式和回转式等其他空气预热器相比，具有体积小、质量轻、效率高、不易受低温露点腐蚀等优点，这也就是它被迅速推广和应用的原因。
1、热管1)热管的工作原理和分类热管是一根两端密封，内部抽真空并充有工质的管子。
其一端(热端)被加热时，工质吸热蒸发并流向另一端(冷端)，在那里将热量释放给管外的冷介质而冷凝，冷凝液流回热端，再吸热蒸发，如此循环，完成热量传递。
由于汽化潜热大，所以在极小的温差下就能把大量的热量从管子的一端传至另一端。
图1 热管工作原理示意图,a,重力式热管,热虹吸管,(b)毛细力热管,吸液芯热管,热管种类繁多，可按工质回流原理，工作温度、形状或工质等来分类。
按冷凝液回流原理来分主要有重力式(热虹吸式)热管和毛细力式(吸液芯式)热管两种。
故名思义，重力式热管的冷凝液靠重力回流，因此只能垂直安装或倾斜安装，热端在下，冷端在上。
毛细力式热管热端吸液芯中的工质吸热蒸发时，蒸发压力大于冷端，由此压差将蒸汽从蒸发段驱送至冷端，而冷凝液靠毛细压力送回蒸发段，以补充蒸发消耗了的工质。
因此其安装位置不受限制，甚至可与重力式热管相反，即热端在上，冷端在下也照样运行。
图1表示了这两种热管的工作原理。
此外，还有依靠静电体积力使工质回流的电流体动力热管;依靠磁体积力使工质回流的磁流体动力热管;依靠渗透膜两侧工质的浓度差进行渗透使工质回流的渗透热管;靠离心力分力回流的旋转式热管等等。
按工作温度可分为五类:(1)超低温热管，工作温度低于-200?;(2)低温热管，工作温度-200?50?;(3)常温热管，工作温度50?250?;(4)中温热管，工作温度250?600?;(5)高温热管，工作温度高于600?。
热管式空预器使用说明
热管式余热节能交换器（热管式空气预热器）安装使用说明书上海蕲黄节能设备有限公司一．概述1、热管简介热管是一种具有高传热性能元件，它通过密闭真空管壳内工作介质的相变潜热来传递能量，其传热性能类似于超导体性能，因此它具有传热能力大，传热效率高的特点。
典型的重力热管如又图所示，在密闭的管内先抽成1~2×10PA的负压，在此状态下充入适量工质。
在热管的下端（受热段）加热，工质吸收热量汽化为蒸汽，在微小的压差下，上升到热管上端（放热段），并向外界放出热量，且凝结为液体。
冷凝液在重力的作用下，沿着热管内壁返回到受热段，并再次受热汽化，如此循环往复，连续不断的将热量从一端传向另一端。
由于是相变传热，因此热管内阻很小，所以能以较小的温差获得较大的传热率，且结构简单，具有单向导热的特点，特别是由于热管的特有机理，例冷热流体之间的热交换在管外进行，并可以方便的进行强化传热。
热管这种传热元件可以单根使用也可以组合使用，根据用户现场的条件，配以相应的流通结构组合成各种形式的换热器，热管换热器具有传热效率高，阻力损失小，结构紧凑、工作可靠和维护费用小等多种优点，它在空间技术、电子、冶金、动力、石油、化工等各种行业都得到了广泛的应用。
2、结构特点热管空气预热器由箱体、热管管束、中隔板组成。
箱体分为两侧：一侧流体为烟气，一侧流体为空气。
特点：1、烟气和空气由中隔板隔开，热管腰环与中隔板密封良好，两侧流体不串流。
2、烟气和空气通过管件外表面换热，换热面积易于扩展。
3、可调节管件表面翅片和翅片距，控制管壁温度避免烟气侧堵灰和酸腐蚀。
4、少数管件的漏穿不会造成烟气和空气的串流。
二．设备安装1、设备在工艺及土建设计的预定位置吊装。
吊装时按图纸所示位置或经相关技术人员同意的位置起吊，起吊时不应有附加载荷或冲击载荷。
2、设备按实际位置就位后校正水平，设备底筐与基础支撑应该接触均匀，不应出现不稳现象。
3、为了保证进口烟气的均匀性，在进口烟道内设置导流板是十分必要的。
空气预热器方案说明
10吨蒸汽锅炉空气预热器方案（节煤率5%以上；提高锅炉岀功10%以上）一、热管式空气预热器的工作原理及优点热管式空气预热器的主要传热元件为重力式热管，重力式热管的基本结构如图1所示。
热管由管壳、外部扩展受热面、端盖等部分组成，其内部被抽成1.3×(10-1—10-4)Pa的真空后，充入了适量的工作液体。
图1 热管传热原理简图热管的传热机理是：当热流体流经热管的蒸发段时热量经由扩展受热面和管壁传递给工质，由于管内的真空度较高，工质在较低温度下开始沸腾，沸腾产生的蒸汽流向冷凝段冷凝放出热量，热量再经管壁和扩展受热面传递给冷流体，冷凝后的工质在重力的作用下流回蒸发段，如此循环不已，热量就不断的由热流体传递给了冷流体。
热管的传热机理决定着热管有以下基本特性：①极高的轴向导热性：因在热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻趋于零，所以热管具有很高的轴向导热能力。
与银、铜、铝等金属相比，其导热能力要高出几个数量级。
②优良的等温性：热管内腔中的工质蒸汽处于饱和状态，蒸汽在从蒸发段流向冷凝段时阻损很小，在整个热管长度上，蒸汽的压力变化不大，从而也就决定着在整个热管长度上温度变化不大，所以说热管具有优良的等温性。
由热管组成的热管式空气预热器具有以下的优点：①由热管的等温性决定着在预热器中每排热管都工作在一个较窄的温度范围内，这样就可以通过结构调整使每排热管的壁温高于露点温度，从而避免发生结露、腐蚀和堵灰的现象，从而保证了锅炉不会因为空气预热器的堵灰、引风机出力不足，影响锅炉的正常运行的情况。
而管式预热器由于烟气在管内流动时烟温逐渐降低，所以每根管子的壁温都是沿烟气的流动方向逐渐降低的，在每根管子的烟气出口部位，由于烟温和空气温度均较低，很容易发生结露、黏灰、堵灰的现象，影响引风机的抽力，从而影响锅炉的正常运行。
②一般管式空气预热器设计和烟气流速较高（11—14m/S）,且换热管用壁厚较小（约1.5mm）的焊接管，所以管子很容易磨穿，产生漏风，引起鼓、引风机的电耗增加。
电厂锅炉热管式空气预热器的设计和运行
北 京 第 二热 电厂 低 温 段 腐 蚀 严 重 每 年更 换 1 0 0 0根昔 子 . 已运 行 年 - 尢堵灰现 象 和腐蚀 现 装 有 超 声 波 清 灰 装 热管空 气预热 器 形 成 不 易清 除 的" 钢珠 混 凝 士 , 象 甲
值 和 实 验 值 见 表 】 .
2 5 防止 堵 灰 性 能 ,
2 5 1 堵 灰 和腐 蚀 是 紧 密相 联 的 , .. 由于 热 管 式
空 气 预 热 器 最 低 管 壁 温 比管 式 空 气 预 热 器 高
3 C左 右 . 0 这使 腐 蚀 减 少 , 灰 也 减 少 . 堵
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中 国 电 力
19 4年 第 6期 9
代 替 暖 风 器 , 烟 温 度 降 低 1 . ' , 年 节 约 费 5 5 分 段 设 计 排 08 每 C .
热 管 空 气 预 热 器 应 通 过 调 整 空 气 侧 肋 片 间 用4 0万元 .北京 第二热 电厂 20/ 2th锅炉 排烟 温 度 降低 7 设 计 为 5 )每 年 直 接 经 济 效 益 距 办 法 , 大 部 分 管 排 管 壁 温 度 在 酸 露 点 以 上 + ℃( ℃ , 使 3. 6 6万元 . 河 电 厂 1 0/ 滦 2 th锅 炉 排 烟 温 度 降 低 最 下 面几 排 管 子 可 采 用 大 肋 片 间距 或光 管 以提
6 7 ( 计 为 4 6 , 约 燃 料 费 用 及 能 带 满 高 管 壁 温 度 . .c 设 . ℃) 节 负荷 的 经 济 效 益 2 0 0 4 . 8万 元
空气预热器设计说明书
Re=1335
【6】P261表6-7式6-13c
查表得
式中：d为特征长度，这里为管径0.05
取管道排列为10排
入口处辐射传热系数计算
平均射线自由程
查表得入口处二氧化碳和水蒸气黑度为：
可以计算得入口处辐射换热系数为
出口处辐射换热系数计算
查表得入口处二氧化碳和水蒸气黑度为：
【2】P255图7-63、7-64
空气在管内流动速度为10m/s
具体尺寸如下图:
【5】P42表5-2
=380.6℃
【4】P152式6-12
【4】P152图6-12
=358℃
a)烟气侧传热系数
入口处对流传热系数计算：
假设烟气入口侧壁温为380℃
查表得
式中：d为特征长度，这里为管径0.05
取管道排列为10排
出口处对流传热计算
假设烟气出口处壁温为300℃
【2】P558图16-7
这里取1.1
=600℃查表得 =1.47
假设出口烟气温度 =400℃ =1.42
= =15459
由以上数据计算得
（3）烟气与被预热空气的平均温差
这里取对数平均温差
式中： 为修正系数，与下列参数有关
查图得 =0.98
=358℃
（4）传热系数计算
选择预热器内管子排列方式为顺排，空气管道
，壁厚3mm
烟气在外侧最窄处流速为2.5m/s
【2】P556式16-15
可以计算得入口处辐射换热系数为
烟气侧综合传热系数计算
入口：
出口：
b)空气侧传热系数确定
进口侧空气传热系数确定
进口处空气温度为0℃，查表得
入口处雷诺数
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班级： 姓名： 学号：
热能 0801 李佳
04
目录
热管空气预热器设计任务书· ·······················2 热管空气预热器热力计算· ·························3 热管空气预热器结构设计计算· ·····················10
MPa
查附录 7，工作温度 221℃
2.42
10
工作最 107 大压力
MPa
,安全
序 号
项目
符号
基管外
1
径
do
管壁厚
2
度
翅片外
3
一
径
、
热
翅片高
管4
度
元
件
翅片厚
的5
度
基
本
翅片间
选6
距
择
横向管
7 子中心
距
纵向管 8 子中心
距
热侧迎 9 风速度
冷侧迎 10 风速度
热侧迎 11 风面积
二
、 换
12
冷侧迎 风面积
每米热管长的翅片数 nf=
。
热管换热器管子排列形式为等边三角形排列， 如图，横向管子中 心距 ST=0.081m；SL=ST=0.081m。
2
其热力设计计算和结构设计计算如下：
序 号
项目
符号
烟气进 1 口温度
t1h
烟气出 2 口温度
t2h
烟气定 3 性温度
tfh
热力计算
单位
计算公式
℃
给出
℃
给出
℃
一 、
10.9 24.1 × 1-60 3.55 × 1-20
查附录 4， 149℃的空气
0.683
6502
34.94
31.95 216.6
9
第一排 94 管子工
作温度
末排排
管子热 95 侧传热
量
末排管
96 子传热
面积
末排热
管热侧 97 烟气粘
度
末排热
管烟气 98 侧导热
系数
十 、
99
热侧普 朗特数
末
末排热
热 器
13
迎风面 宽度
E
基 本
14
第一排 热管数
B
结
加热段
构 15 长度
尺
寸
16
冷凝段 长度
中间隔 17 板厚度
预留安
18
装段
单位 mm mm mm
mm
mm mm mm
mm m/s m/s m2 m2 m
跟
m m mm mm
结构设计
计算公式 根据表 3-10 选取， 32 3 根据表 3-10 选取， 32 3
度
空气定 18 压比热
空气密
19
度
空气导 20 热系数
21 粘度
普朗特
22
数
对数平 23 均温差
tfc
℃
Cpc kJ/(kg·℃ )
c
kg/m 3
c
f W/(m ·℃ )
c f
kg/(m · s)
Prc
℃
标准迎 24 风速度
m/s
烟气侧
25 迎风面 Aexh
m2
积
空气侧
26 迎风面 Aexc
m2
三
积
热管换 81 热热侧
雷诺数
第一排
热管蒸 82 发段传
热系数
Q1h
kW
m2
h f1
kg/(m · s)
h f1
W/(m ·℃ )
Pr1h
W/(m 2·℃ )
（假设每排管子的传热量相等）
2427.5 × 1-60
查附录 5， 280℃的烟气
4.67 × 1-20
，取 14
84.5 1.009 0.986
-2
3.09× 10
-6
21.7× 10
0.691 145 2.6 0.85
0.85 0.8 1.06
14 1.1 2.52
2.02 0.88 0.47
4
热侧最 35 大质量 Gmaxh kg/(m 2·h)
流速
冷侧最
36 大质量 Gmaxc kg/(m 2·h)
10.9 23.7 × 1-60
查附录 5， 180℃的烟气 查附录 5， 180℃的烟气
3.83 × 1-20 0.68 8266
43.8
38.44
末排热
103 管热侧
℃
壁温
121.9
十 一
105
管壁材 料许用
应力
、 校
核
106
工作温 度下饱 和压力
p
MPa 查附录 8,20 号钢 GB8163，工作温度 280℃ 106.5
23.7 × 1-60 24.1 × 1-60
348
74 计算值
L
m
0.912
通过冷
75 侧的压
Pa
166
降
第一排
管子热 76 侧传热
量
第一排
77 管子传
热面积
第一排
九
热管热
、 第
78
侧烟气 粘度
一 排 热
管 的 工
作 温 度
79 80
第一排 热管烟 气侧导 热系数
第一排 热管热 侧普朗
特数 第一排
20 箱体宽
a
mm
度
换热器 21 总高度
H
mm
气体流
22 向深度
L
mm
换热器
23 箱体长
b
mm
度
1700
1277 1800 912 1074
12
1
热管空气预热器设计任务书
设计题目：热管空气预热器的设计 设计要求：烟气、空气为清洁气体，不含任何杂质，烟气成分按标准 烟气进行计算 设计参数：烟气进口温度 t1h = 280℃ ；
烟气出口温度 t2h = 180℃ ； 空气进口温度 t1c = 20℃ ； 烟气流量（标准状况） Gh=8000 Nm3/h ； 空气流量（标准状况） Gc=6400 Nm3/h;
烟气放 10 出热量
Qh
kW
热管传 11 出热量
冷空气
侧实际
12
活动热
量
空气流
物二
性、
参空
温 差
数气 及侧
对温
13 14 15
量 空气进 口温度 空气定 压比热
数升 平及 均热
16
空气出 口温度
Qc
kW
Qh(1-3%)=317 ×(1 -3%)
Qc’ kW
Qc(1-3%)=307 ×(1 -3%)
Gc
烟气标况下的密度 fh =1.295kg/m3；
空气标况下的密度 fc=1.293 kg/m3
选用水为热管工质，管壳材料为 20 号锅炉无缝钢管，翅片材料 为低碳钢，翅片与管壳连接方式为高频焊接。这种热管的参数为 :
光管外径 do=0.032m；热管内径 di=0.026m； 翅片高度 lf=0.015m；翅片厚度 f =0.0012m；翅片间距 sf=4mm ； 翅片节距 sf’= sf + f=5.2mm；
n’
根
6
136.1 175
换热器
61 纵深管 m
排
排数
七 、
管子总
62
根数
n
跟
换热器 63 的净自
由容积
NFV
m3/m
容积当 64 量直径
Devh
m
八 65 、
热侧雷 诺数
Ref’h
热
管 换 66 热
冷侧雷 诺数
Ref’c
器
的
压
力
热侧摩
降 67 擦系数
fh
冷侧摩 68 擦系数
fc
热侧平
69 均管壁
排 热
管换热 100 热侧雷
管
诺数
管
壁
温
末排热
度
101
管蒸发 段传热
系数
℃
Q13h
kW
m2
h f13
kg/(m · s)
h f13
W/(m ·℃ )
Pr13h
W/(m 2·℃ )
末排管 子有效 102 传热系
数
W/(m 2·℃ )
221.8
（假设每排管子的传热量相等）
24.4
查附录 5， 180℃的烟气
流速
热侧雷
37
诺数
Refh
冷侧雷
38
诺数
Refc
热侧流 39 体换热
系数
冷侧流 40 体换热
系数
W/(m 2·℃ ) W/(m 2·℃ )
热侧翅 41 片效率
热侧翅 42 片效率
热侧翅 43 片效率
W/(m 2·℃ )
热侧翅 44 片效率
W/(m 2·℃ )
每米长
热管翅
45 片表面
Af
m2
积
每米长
翅片间 46 管表面
系数
冷侧有 52 效换热
系数
Ahh
m2
Ahc
m2
hHP W/(m ·℃ )
W/(m 2·℃ )
W/(m 2·℃ )
热侧污 53 垢热阻
m 2·℃ / W
冷侧污 54 垢热阻
m 2·℃ / W
金属管 55 壁热阻
热侧中 56 径传热
面积 热侧内 57 径传热
面积