锅炉余热利用换热器设计

1.余热锅炉概述

根据结构形式，余热锅炉可分为管壳式和烟道式余热锅炉。管壳

式余热锅炉的结构与管壳式换热器无差别，并同样有固定管板式、浮

头式及U型管式。烟道式余热锅炉的结构域普通锅炉的相似，有耐火砖砌成炉膛，炉膛内装设管束，高温气体通过炉膛，将管内流动的水加热汽化。

换热器的设计即是通过传热过程计算确定经济合理的传热面积

以及换热器的结构尺寸，以完成生产工艺中所要求的传热任务。换热

器的选用也是根据生产任务，计算所需的传热面积，选择合适的换热器。由于参与换热流体特性的不同，换热设备结构特点的差异，因此为了适应生产工艺的实际需要，设计或选用换热器时需要考虑多方面的因素，进行一系列的选择，并通过比较才能设计或选用出经济上合

理和技术上可行的换热器。

2 设计参数

给定量: (1) 额定饱和蒸汽量 0.5t/h

(2) 额定饱和蒸汽压力 0.5Mpa

(3) 给水温度 20℃

(4) 排污率 2%

(5) 烟气的体积流量 11500m³/h

(6) 排烟温度 180℃

(7) 烟气温度 500℃

(8) 管长 4.9m

采用阳泉无烟煤W Mar=5.0% Aar=19.0% Car=68.9%

Har=2.9% Oar=2.4% Nar=1.0% Sar=0.8%

发热量.p=26400kJ/kg 空干水分Mad=1.0%

干燥无灰基挥发物Vdaf=9.0% 灰熔点=1400℃

3 设计方案

3.1 平均温差（温压）的计算

∆T=（∆tmax-∆tmin）/ln(∆tmax/∆tmin) K （3.1）

逆流最大温差：∆tmax=t1'- t2'' K （3.2）

逆流最小温差：∆tmin=t1''-t2' K （3.3

以上式中：t1': 烟气温度, ℃;

t1'': 排烟温度, ℃;

t2': 水的进口温度，℃；

t2''：出口温度，由p=0.6MPa查参考文献[1]附录9，℃

3.2 换热量的计算

热测烟气换热量 : Q1=C1·∆t1·M1 KJ/s （3.4）

冷测水换热量: Q2=1000D[(Ish.s-If.w)+Pb.w(Is.w-If.w)]/3600 KJ/s （3.5）换热器换热量 : Q=(Q1+Q2)/2 KJ/s （3.6）

烟气质量流量: M1=（V1·ρ1）/3600 KJ/s （3.7）

换热效率：η=(Q2/Q1)*100% （3.8）

以上式中：C1：热测烟气比热容，按热侧平均温度（t1'+t1''）/2

查参考文献【1】附录6，KJ/(kg.K);

C2: 冷侧水比热容, 按冷侧平均温度(t2'+t2'')/2查参考文献【1】

附录9, KJ/(kg.K);

ρ1：烟气密度，按热侧平均温度查参考文献【1】附录6，kg/m³；

V1：烟气体积流量，m³/h；

Ish.s：饱和蒸汽焓，由Tsh.s=159℃,p=0.6MPa查参考文献【2】附

表2，kJ/kg；

Is.w：饱和水焓，按p=0.6MPa查参考文献【2】附表2，kJ/kg；

If.w：给水焓，按给水温度tf.w=20℃查参考文献【2】附表1，kJ/kg；

D: 蒸发量, t/h;

Pb.w：排污率，%；

3.3 流通截面积计算

烟道流通截面积：A1=V1/3600/u ㎡（3.9）

管子流通截面积：A2=M2/W/ρ2 ㎡（3.10）

换热器换热面积：F=1000Q/∆T/K㎡（3.11）

以上式中：u：烟气流速，参考文献【3】354页（7-13m/s）取定，

m/s；

M2：水的质量流量，M2=D*1000/3600， kg/s；

W：水的流速，参考文献【3】354页（不小于0.3m/s）取定，m/s；

ρ2：水的密度，按冷侧平均温度查参考文献【1】附录9，kg/m³； K：传热系数，取定[范围：10—100W/（㎡.k）]，W/（M².k）；

3.4 换热管的设计计算

横向管距 s1=dw*2~3 m (3.12)

纵向管距 S2=2R m (3.13)

管数 n=4*M2/ρ2/3.14/dn2/W

热管长度 L=F/3.14/dw/n m (3.14)

管长 l"=l'-3.14R+R m (3.15)

管程 Np=L/l' (3.16)

总传热管数 Nz=2Np (3.17)

烟道宽度 a=l"+2*c m (3.18)

烟道深度 b=S1+2*c m (3.19)

烟道截面积 F1=ab m² (3.20)

以上式中：dw ：管子外径，由参考文献【4】187页表格2取定，m；

dn：管子内径，由参考文献【4】187页表格2取定，m；取定管厚3m；

4 计算汇总表

表4 换热器主要结构尺寸和计算结果

名称符号单位公式及计算结果工作压力P MPa 给定条件0.5 蒸发量 D t/h 给定条件0.5 烟气温度t1' ℃给定条件260 排烟温度 t1'' ℃取定（小于200℃）150 冷侧进口温度t2' ℃给定条件20 冷侧出口温度t2'' ℃由p=0.6MPa查参考文献[1]附录9 159 热测温差∆t1 K ∆t1=t1'-t1'' 110 冷测温差∆t2 K ∆t2=t2''-t2' 139 逆流最大温差∆tmax K ∆tmax=t1'-t2'' 101