热管换热器设计计算1 确定换热器工作参数1.1 确定烟气进出口温度t 1，t 2，烟气流量V ，空气出口温度t 2c，饱和蒸汽压力p c .对于热管式换热器，t 1范围一般在250C ~600C 之间，对于普通水-碳钢热管的工作温度应控制在300C 以下.t 2的选定要避免烟气结露形成灰堵及低温腐蚀，一般不低于180C .空气入口温度t 1c.所选取的各参数值如下：2 确定换热器结构参数2.1 确定所选用的热管类型 烟气定性温度： t f =t 1+t 22=420°C+200°C2=310°C在工程上计算时，热管的工作温度一般由烟气温度与4倍冷却介质温度的和的平均值所得出：烟气入口处： t i =t 1+t 2c ×45=420°C+152°C×45=180°C 烟气出口处：t o =t 2+t 1c ×45=200°C+20°C×45=56°C选取钢-水重力热管，其工作介质为水，工作温度为30C ~250C o o ，满足要求，其相容壳体材料：铜、碳钢（内壁经化学处理）。
2.2 确定热管尺寸对于管径的选择,由音速极限确定所需的管径d v =1.64√Q cr(ρv p v )12根据参考文献《热管技能技术》，音速限功率参考范围，取C Q 4kW ，在t o =56°C 启动时ρv =0.1113kg/m 3p v =0.165×105pa r =2367.4kJ/kg因此 d v =1.64√Q cr(ρv p v )12=10.3mm由携带极限确定所要求的管径d v =√1.78×Q entπ∙r(ρL −14⁄+ρv −14⁄)−2[gδ(ρL−ρv ]14⁄ 根据参考文献《热管技能技术》，携带限功率参考范围，取4Q ent kw 管内工作温度 t i =180℃时ρL =886.9kg/m 3 ρv =5.160kg/m 3r =2013kJ/kg4431.010/N m因此 d v =√1.78×4π×2013×(886.9−14⁄+5.16−14⁄)−2[g×431.0×10−4(886.9−5.160)]14⁄=13.6mm考虑到安全因素，最后选定热管的内径为m m 22d i管壳厚度计算由式][200d P S iV式中，V P 按水钢热管的许用压力228.5/kg mm 选取，由对应的许用230C 来选取管壳最大应力2MAX 14kg/mm ,而2MAX 1[] 3.5/4kg mm故 0.896mm 3.52000.02228.5S考虑安全因素，取 1.5S mm ,管壳外径:m m 25.51222S 2d d i f . 通常热管外径为25~38mm 时，翅片高度选10~17mm （一般为热管外径的一半），厚度选在0.3~1.2mm 为宜，应保证翅片效率在0.8以上为好.翅片间距对干净气流取2.5~4mm ；积灰严重时取6~12mm ，并配装吹灰装置.综上所述，热管参数如下：翅片节距：'415f f f S S mm 每米热管长的翅片数：'10001000200/5f f n m S 肋化系数的计算：每米长翅片热管翅片表面积22[2()]14f f o f f f A d d d n每米长翅片热管翅片之间光管面积(1)r o f f A d n每米长翅片热管光管外表面积o o A d 肋化系数：22[2()]1(1)4f o f f f o f f f rood d d n d n A A A d22[0.5(0.050.025)0.050.001]2000.025(10.2)8.70.0252.3 确定换热器结构将热管按正三角形错列的方式排列，管子中心距S ′=(1.2~1.5)d f 取S ′=70mm 。
3 热力计算3.1 确定换热器中热管的热侧和冷侧的管长l ℎl c ,以及迎风面管数B1）确定烟气标准速度v ，一般取2.5~5m/s ，假设v =4m/s ，可得出烟气迎风面的面积A =V v=400004×3600=2.8m 22）确定迎风面宽度E ,取E =1.8m ，热管的热侧管长l ℎ=AE =2.81.8=1.56m ,适当取l ℎ=1.5m ,并且l ℎl c ⁄=31⁄,∴l c =0.5m 。
3）求出迎风面的管数B ，B =E S ′⁄=1.80.07⁄=25.7,B 为整数，应取B =26，因此实际的迎风面的宽度E =0.07×26=1.82m ,同时实际的迎风面面积A ′=E ×l ℎ=1.82×1.5=2.73m 2,实际的速度是v ′=v A ′⁄=400003600×2.73=4.07m/s 。
3.2 确定传热系数1）烟气定性温度：t f =t 1+t 22⁄=420℃+200℃2=310℃,从而确定烟气的物性参数：2）确定烟气侧管束的最小流通截面积NFA =[(S ′−d o )−2∙(l f ∙δf ∙n f )]∙l ℎ∙B=[(0.07−0.025)−2×(0.0125×0.001×200)]×1.5×26 =1.56m 2求烟气侧的最大质量流速 G max =(V ∙ρf )/NFA=40000×0.6083600×1.56⁄ =4.33kg/(m 2∙s) 求烟气侧流体雷诺数 R ℎ=(G max ∙d o )/ηf=4.33×0.02528.6×10−6⁄ =3785通过Briggs 公式，求的烟气侧流体的对流换热系数 ℎf =0.1378∙R ℎ0.718∙ρf 13∙(S f l f)0.296∙λf d o=0.1378×(3785)0.718×(0.65)13×(412.5)0.296×(4.93×10−20.025)=62.3 w/(m 2∙℃) 3) 假定热管管壁温度 t w =(t 1+t 22+t 1c +t 2c 2)2⁄=190℃4) 由t w 可以在查出热管侧的管材导热系数λ=40w/(m ∙℃)∆t =t w −t 2c =190℃−120℃=70℃在米海耶夫推荐的105~4×106pa 下，可推出冷侧流体的对流换热系数ℎf c=0.122∙∆t 2.33∙p 0.5=0.122×702.33×20.5 =3435 w/(m 2∙℃)同时 μ=l f ∙[2ℎf (λw ∙δf )⁄]12=0.0125×(2×62.340×0.001)12 =0.7由μf 和d f d o ⁄=2两参数，可以查圆形翅片管的肋效率图，烟气侧的热管效率ηf ℎ=0.85) 算出烟气侧每米长的热管的翅片表面积：A 1=[2×π4×(d f 2−d o 2)+π∙d f ∙δf ]∙n f ∙1=0.62 m 2烟气侧每米长的翅片和热管之间的面积： A 2=π∙d o ∙(1−n f ∙δf ) =0.063 m 2烟气侧管外每米长的热管的管外总面积： A 3=A 1+A 2=0.62+0.063=0.683 m 2 6) 算出烟气侧的管外有效对流换热系数ℎf ′=ℎf ∙(A 2+ηf ℎ∙A 1)A 3⁄=62.3×(0.063+0.8×0.62)0.683⁄ =51 w/(m 2∙℃)算出冷流体管外有效对流换热系数ℎc =ℎf c ∙A c A c ⁄=ℎf c=3435 w/(m 2∙℃)7) 算出总传热系数参考《热交换器原理与设计》，可查得烟气污垢热阻ε= 0.001 m 2∙℃/w 。
因此，管壁的导热热阻为ε′=d o2λ∙ln do d i=4×10−5 m 2∙℃/wK =1[1ℎf∙β+ε′+ε′(l ℎl c)+1ℎf(lℎlc)+ε]⁄ =1（151×8.7+4×10−5+4×10−5×3+33435+0.001）⁄ =233.3 w/(m 2∙℃)3.4 确定烟气侧总传热面积和换热器所需要的管数 1）算出传热量Q ℎ=V ∙ρf ∙c p (t 1−t 2) =400003600×0.608×1.125×220℃=1672 kw由于热平衡，并且考虑到6%的综合热损 Q c =Q h ∙(1−6%)=1571.68 kw2) 确定对数平均温差∆t 2，420℃→200℃120℃←120℃，忽略其预热过程，因此 ∆t 2=∆t max −∆t min ln ∆tmax ∆t min⁄=300℃−80℃/ln300℃80℃=166.4 ℃3) 确定烟气侧的总传热面积A ′和换热器所需要的管数m A ′=(Q ℎ+Q c )2∙K ∙∆t 2⁄=[(1672+1571068)×103]/(2×233.3×166.4) =41.8 m 2 m =A ′π∙d o ∙l ℎ⁄=41.8(3.14×0.025×1.5)⁄ =354.9应取整 m =355 根3.5 确定管排数N =m B ⁄=35526⁄=13.6 取整N =14 排按之前说的，以正三角方式排列，即以26、25依次排列，这样总共的管数应该是 N =3574 流阻计算4.1 确定烟气侧的流阻对于圆形翅片管，使用Robinson 和Briggs 公式 先求出烟气侧摩擦系数 f =37.86∙(d o ∙G max ηf)−0.316(S ′d o )−0.927=37.86×(0.025×4.33228.6×10−6)−0.316(0.070.025)−0.927=0.68烟气侧的压力降∆Pℎ=f∙N∙G max22∙ρf =0.68×15×4.3322×0.608=157.3 pa4.2 确定引风机的功率增量P=(∆P h∙V)η⁄=157.3×400003600×0.9=1942 w η为电动机效率，通常取0.9。