横式计算

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第二章 初冷器的设计横管初冷器是一个带有换热管水平布置的垂直的壳管式热交换设备。

具有直立长方形的外壳。

本体的两个相对的垂直壁是管板,管板上固定有换热管。

碳钢管用扩管方式固定在管板内,而耐腐蚀钢管缩管圈焊进行固定。

沿着冷却器的高度,钢管以单独的管束(流路)配置。

邻近的管束朝不同的方向倾斜。

管束的一对邻接端用一个总盖板从外面覆盖,盖与管板(冷却器壁)用软垫圈密封。

盖和管板一起形成溢流水室。

管道以间距略有增大的方式配置。

稀疏的管束可降低来自煤气气流侧的流体阻力。

冷却器的平壁用加强筋(和由管子做的内部锚定拉杆) 从外面和从里面加固。

煤气入口连接管配置在冷却器盖的上面,煤气出口连接管配置在本体底部。

水入口连接管安装在下面的水室内,水出口连接管, 在上面的水室内。

聚集在冷却器下部的冷凝液沿斜底流向冷凝液出口连接管。

2.1 横管式初冷器热量衡算 煤气处理量:hm 37134624365340313.11400000=⨯⨯⨯假设用3台初冷器,则每台处理量为:m h m 332400023782371346≈=原始数据:焦炭量140万吨 初冷入口温度82℃初冷出口23℃ 煤气处理量:24000m 3/h 上段循环水冷却 煤气82℃→30℃ 循环水 28℃→41℃ 下段低温水冷却 煤气30℃→23℃ 低温水 16℃→22℃ 下段喷洒液流量 34m 3/h 2.1.1上段热量衡算 2.1.1.1水汽放出热量hkJ h kJ Q 456535361000)1868.43043.02258(75.44)1868.482438.02258(8.832240001=⨯⨯+⨯-⨯⨯+⨯⨯=2.1.1.2煤气放出热量h kJ h kJ Q 177********.1)3082(240002=⨯-⨯=2.1.1.3焦油气放出热量(假设有85%的轻质焦油经初冷器上段冷凝析出) 初冷器冷凝焦油量:hkJ h kJ Q 1415853)]30340.14384.368()85.01()82407.14384.368[(33513=⨯+⨯--⨯+⨯=368.4384——焦油汽化潜kJ/kg1.407,1.340 ——0℃分别至82℃和30℃的焦油平均比热容 kJ/kg.℃2.1.1.4喷洒液释放热量上段喷洒液进出口温差变化不大,可忽略不计 2.1.1.5合计()h kJ h kJ Q Q Q Q 488459171415853177652845653536321=++=++=放其中焦油气释放热量占总量的,亦可忽略不计放03101.03=Q Q 冷却水量计算(取初冷器向外界热损失为总放热的2%)m Q L 314361000174.4304002.01=⨯⨯--⋅=)()(放 4.174 —— 相关温度区域水的比热容 1000 ——水在相关区域的密度 40.30 —— 初冷器上段出口、进口水温 2.1.2下段热量衡算 2.1.2.1水汽放出热量h kJ h kJ Q 134********)238.12258(6.20)308.12258(75.44240001=⨯+⨯-⨯+⨯⨯=44.75—— 23℃和34℃时1m 3干煤气经水蒸汽饱和所含水汽量 g 2258——水汽化潜热1.8——相关区间水蒸汽的平均比热容 kJ/kg.℃2.1.2.2煤气放出热量()h kJ h kJ Q 2391484235.12330240002=⨯-⨯=2.1.2.3喷洒液放出热量h kJ h kJ Q 449419178.4)3740(996363=⨯-⨯⨯=36——喷洒液流量 m 3/h996——相关温度区间水的平均密度 kg/m 3 4.178——相关温度区间水的平均比热容 kJ/kg.℃ 2.1.2.4合计h kJ Q Q Q Q 2034832321=++=放2208.020348324494193==放Q Q2.1.2.5冷凝水量计算(由于下段冷凝器煤气温度同环境温度接近,初冷器本身对外散热可忽略不计)h m h m Q L 331.10010001842.41622=⨯⨯-=)(放16,22——冷水进出口水温 ℃4.1842 ——相关温度区域水的比热容 kJ/kg.℃ 2.2传热系数及换热面积计算m t KS Q ∆=在初冷器内进行煤气冷却的同时,还进行着水汽冷凝、焦油气的冷凝及冷凝液的冷却。

过程不仅在变化的温度下,同时传热系数亦是不断变化的,换热面积按一般换热器近似计算。

根据传热原理,所需传热面积可按下式计算:m t K QF ∆=式中222111111K αλδλδα+++=其中 α1 ——煤气至管外壁的水流系数 lg α1=1.69+0.0246x ,x 是体积分数δ1/λ1——管壁热阻 可取δ1/λ1=0.003/167 m 2.h.℃/kJ δ2/λ2——垢层热阻 管内壁水垢热阻可取0.002/5.4m 2.h.℃/kJα2 ——管内壁至冷却水的对流传热系数 α2相对α1 而言,对K 的影响甚微 2.2.1上段传热系数及换热面积计算2.2.1.1上段传热系数计算x 0246.069.1lg 1+=α 由()%2.5127318100822730224.02.316x 1=⨯⨯+⨯⨯=%03.527318100)30273(0224.04.362⨯⨯+⨯⨯=xx 均=28.115%316.2 36.4——82℃与30℃时每立方米饱和煤气中水汽含量g ,故115.280246.069.1lg 1⨯+=α1α=1015 kJ/(m 2.h.℃) 167003.011=λδ 4.5002.022=λδ4.0p 8.0i 2c u d d 023.0i⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅=λμμρλα 为了求的给热系数α2 ,须先确定水的流速。

不妨设管内水的流速为0.5m/s ,水管的规格为φ54×3,一组管束的管子数位n s 根,则()根4115.0048.0414.336001339422=⨯⨯==ud Vn i s π冷却水平均温度3523040=+℃ 定性温度5.3624132=+℃ 定性温度下水的物性常数: 导热系数 λ=0.628W/(m.℃)密度3m kg 425.993=ρ 粘度s Pa 1066.705⋅⨯=-μ 比热容 c p =4.174kJ/(㎏.℃)337421066.70425.9935.0048.0Re 5=⨯⨯⨯==-μρu d i7.4628.01066.701000174.4Pr 5-⨯⨯⨯==λμp c023.02=α则23437.433742048.0628.0023.0Pr Re 023.04.08.04.08.02=⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=id λα 556234314.5002.0167003.0101511111222111=+++=+++=αλδλδαK上段换热面积计算()()14240ln 28304082ln 2121=---=∆∆∆-∆=∆t t t t t m ()2m 61505561402.0148845917t 02.01m K Q F =⨯-⨯=∆-⨯=)(放2.2.2下段传热系数及换热面积计算 下段传热系数计算x 0246.069.1lg 1+=α由%21.527318)30273(0224.07.371=⨯+⨯⨯=x%76.227318100)21273(0024.06.202=⨯⨯+⨯⨯=x均x =3.985﹪37.7. 20.6 ——34℃与23℃每立方米饱和煤气中水汽含量 g 故lg 1α=1.69+0.0246⨯3.9851α=246.15167003.011=λδ4.5002.022=λδ为求得给热系数α2,须确定水的流速,不妨设管内水的流速为0.6m/s ,水管规格 φ54×3,则一组管束的管子数位n s 根s n =u d Vi 24π=414.3048.06.036001202⨯⨯=26.33 取为27根 冷却水平均温度:22216+=19℃ 定性温度下的物性常数:导热系数 λ=0.595W/(m.℃) 密度 ρ=998.425kg/m 3粘度s Pa 10105.02⋅⨯=-μ 比热容 c p =4.184kJ/(kg.℃) 则 2726510105.0425.9986.0048.0Re 2=⨯⨯⨯==-μρu d i38.7595.010105.01000184.4Pr 2=⨯⨯⨯==-λμp c故224338.727265048.0595.0023.0Pr Re 023.04.08.04.08.02=⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=id λα =K =+++222111111αλδλδα3.204224314.5002.0167003.015.24611=+++下段传热面积计算m t ∆=2121ln t t t t ∆∆∆-∆=611ln 611-3.8==F mt 02.01∆-⨯K Q )(放=3.2043.80.02)-(12034832⨯⨯21176m =2.3初冷器工艺尺寸的计算 上段管长、管程计算按单管程计算,所需传热管长度为:1L =101s n d S π=411054.014.36843⨯⨯m 98= (若用3台初冷器并联,则每台分的32m ) 现取单管程管长为3.2m ,则该初冷器上段管程为:P N =lL 1=2.332()管程10= 按管程间距0.6m 计算,则上段高度为6m 下段管长、管程计算按单管程计算,所需传热管长度为:2L =202s n d S π=27054.014.31183⨯⨯m 258= (若为三台并联,则每台86m )现取单管程管长3.2m ,则初冷器下段管程为:P N =l L 2=2.3868.26= 取26根按管程间距0.6m 计算,则下段高度为15.6m 横管式初冷器主体尺寸计算 上段高度 6 m 下段高度 15.6m 上面水室高度为 3.5m 下面水室高度为 2.12m 喷淋高度 0.5m 故 横管式换热器总高度为:m 72.275.012.25.36.156=++++由于管间距为82mm 若按正方形直列,则共排19行19列故管束直径 0.082×18+0.054×19=2.5m又横管初冷器壁厚为10mm 故2.5+0.01×2=2.52加上管束与壁间距离,所以将初冷器宽度定为3m由于单程管子长度为3.2m,又管子倾角为30,故初冷器长为3.2×cos30=3.19m。