论文总字数：11224字

摘 要

本文首先对螺纹槽管空气预热器的定义、意义、研究重点、研究现状进行了介绍；并阐述了国内外研究现状以及国内的应用，因为螺纹管相对于光管能够在一定程度上提高换热效率，而本文则讲述了螺纹槽管空气预热器的设计过程。其中设计部分主要包括热力设计，强度校核以及结构设计。结构设计主要绘制螺纹槽管空气预热器不同部位的三视图以及规格，热力计算是通过不断迭代，设计出符合已知条件的螺纹槽管空气预热器，最后通过壁温核算、阻力计算检验设备稳定性。

关键词： 管程 壳程 空气预热器 设计 螺纹管

the design of air preheaters with threaded grooved tubes

Abstract

In this paper, the definition, significance, research focus and research status of air preheater with spiral grooved tube are introduced，and describes the domestic and foreign research status and domestic application. Because the threaded pipe can improve the heat transfer efficiency to a certain extent compared with the bare pipe, this paper describes the design process of the threaded grooved pipe air preheater.The design part mainly includes thermal design, strength check and structure design.The structural design mainly draws the three views and specifications of different parts of the air preheater with threaded grooved tubes. Thermodynamic calculation is to design the air preheater with threaded grooved tubes that meets the known conditions through continuous iteration. Finally, the stability of the equipment is tested through the wall temperature calculation and resistance calculation.

Key Words: Tube side; Shell side；air pre-heater；design；screwed pipe

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1背景 1

1.2螺纹槽管空气预热器 1

1.3应用 2

第二章 原始数据 4

第三章 流体的物性参数 5

3.1烟气的物性参数 5

3.2空气的物性参数 5

第四章 传热量及平均温差 6

4.1传热量计算 6

4.2温差计算 6

第五章 估算传热面积及传热面结构 7

5.1估算传热面积 7

5.2作图结果所得数据 8

5.3流程安排 8

第六章 管程计算 9

第七章 壳程结构及壳程计算 10

7.1壳程结构 10

7.2壳程换热计算 10

第八章 需用传热面积 12

第九章 阻力计算 13

9.1管程阻力 13

9.2壳程阻力 14

第十章 热补偿计算 15

10.1热交换器所受应力 15

10.2温差应力 15

10.3拉脱力 16

第十一章 结构设计 17

11.1确定换热管的规格和长度 17

11.2管板结构设计 17

11.3壳体直径的确定（查GB151-2014） 19

11.4壳侧流通截面积的确定及折流板结构设计（查GB151-2014） 19

11.5拉杆及定距管 19

11.6管箱的设计 20

11.7支座的选择和布置 20

参考文献 21

致谢 23

第一章 绪论

1.1背景

进入20世纪以来，我国的经济空前繁荣，政治与文化的影响力日渐扩大，伴随着经济的发展随之而来的就是能源的消耗，不仅如此，能源的消耗还会伴随环境的恶化问题，越来越多的国家开始关注这方面，资源贫乏的国家率先提出了解决方案。我国物资丰富，但人口数为世界第一，由于人口基数太大，分摊到每个人的量就很少。我国煤炭占有量处在世界领先，人均占有却不如人意，而且煤炭利用时的污染物也要远高于其他能源，在石油、天然气等更远远不能匹及其他国家，对我国来说，由于人均资源短缺（尤其是油，气，水）,环境容量有限^[1]，所以进行的各种能源策略如西气东输、南水北调等也表明了国家对解决能源问题的决心，研究表明在能源利用方面进行余热回收是节约能源和防止全球变暖的绝佳方法^[2-3]。瑞士银行的最新数据表明，我国的国内生产总值增长速率世界第一，高达10%，而世界未来十大发展城市中，有上海、重庆、上海等九个中国城市，让人唏嘘不已。能源是一个国家的命脉，切断一个国家能源的供应就相当于扼住了命运的咽喉，所以世界各国对能源的争夺从未停止，从古自今，从西至东。目前处于绝对领先地位的依然是化石能源，世界各国的能源消费中对于化石能源的消费甚至远高于50%，而化石能源的利用也来带了严重的环境问题，中国自2009年能源消费量超过美国以来, 一直居于世界第一位^[4]。我国的能源问题成为当今紧急的一项课题。

我国的能源结构以煤炭为主，其消耗占能源总消耗的60%以上^[5]，煤炭的使用广泛分布在全国各地，冬季北方的集体供暖，农村家家户户的做饭取暖绝大多数来自于煤炭，现在国家推出煤改气计划，以减少个体户对煤炭的使用，但是我国对于煤炭的依赖不是一朝一夕就可以解决的，尤其是在电力行业，虽然我国部分发电厂已开始用核能发电，但核能的安全问题让其发展受到了抑制，所以绝大多依然采用煤炭发电，而锅炉是电厂中的耗煤大户。锅炉的能量损失中排烟热损失占有极高的比重，占锅炉热损失份额的80%或更高^[6]，如何降低排烟热损失成为了一项重要的课题^[7]。

1.2螺纹槽管空气预热器

我们所熟知的是光管空气预热器，螺纹槽管空气预热器是前者的一种优化后的产物，螺纹管是一种管壁上具有外凹内凸的螺旋形槽的异型管，螺纹管管外螺纹不仅能够提高管外壁的换热系数，而且对管内壁的换热系数也能起到一定的作用，无论流体有无相变。螺纹管通常用碾轧法制作，螺纹管已公认有如下优点：（1）制造工艺简便，容易实施；（2）抗积灰性能好： （3）管内传热强化性能优越，阻力增加较少^[8]。根据螺纹头数 ,螺旋槽管(即外螺纹管)又分为单头、双头及三头螺纹槽管 ,空气预热器上一般采用单头螺纹槽管作传热件^[9]。国内外许多资料表明，与双头、三头螺纹管相比，单头螺纹管对传热更有益处，和深槽深相比，槽深较浅时，更有利于传热，与大节距相比，小节距也更好。因为螺纹管相对于光管之所以能起到强化传热的作用，是因为螺纹槽管主要通过三种方式来增加强化传热，一是流体从较宽的地方流到较窄的地方时，会因横截面积的突然变化导致流速的突然变化，由连续方程式知面积变小速度变快，而速度的增加就会使传热系数增加（通常发生在深槽深处），二是湍流会增加流体的传热系数，而流体在流经较浅的槽深时会形成湍流，三是螺旋槽的不平滑使得流体产生逆向压力梯度，使得传热边界层发生毁坏，使得流体产生混合以此来提高传热效率。另外，文献^[10-12]中指明了对于管式空预器出现低温腐蚀现象的原因，文献^[13]指出采用玻璃管 、搪瓷管或用陶瓷材料可减缓低温腐蚀， 文献^[14]从系统运行，管理方面提出了解决办法^[15]，文献^[16]提出了文丘利型防腐套管，文献^[17]通过改变管径法减轻管式空气预热器烟气侧低温腐蚀，文献^[18]提出向X H 1 1 通用结构胶中按质量比1：2配比加人一定量的石墨粉，同时加人少量的稀释剂和防老剂可减少低温腐蚀。除此之外，文献^[19]指出了对于管式空预器出现磨损现象的原因，文献^[20]给出了对于磨损现象的应对措施。文献^[21-23]针对管式空预器出现的震动现象进行解释和解决。文献^[24-25]对锅炉管式空气预热器漏风及堵塞问题的研究并给出了解决方案。

1.3应用

在20世纪90年代初期，宁波一家发电厂由于运行问题将其中一台锅炉更换为螺纹槽管空气预热器。经过半年的实际运行，实现了无堵灰，排烟温度降低5度，受热面积减少4000平方米^[26]；文献^[27]指出，在多所大学，研究院，工厂的共同努力下，将一台回转式空气预热器换成螺纹槽管空气预热器，取得不错的收益；广东一家发电厂对其中的两台锅炉进行全面改造，第一台可燃颗粒物下降了15%，热效率提高了14%，燃烧炉内介质温度提高了超过50°， 第二台炉热风温度提高了40 ℃以上，飞灰可燃物从17％下降到 15％（综合效益），锅炉效率从81 ‰提高到83 ％（综合效益）^[28]；文献^[29]指出，湖南一家发电厂通过采用螺纹槽管空气预热器技术将一台空气预热器改造为螺纹槽管空气预热器，使得传热效率大大提高；牡丹江第二发电厂 100MW 锅炉低温级空气预热器的积灰、磨损、漏风非常严重 ,对锅炉运行的安全性 、经济性造成了重大影响，一号炉采用这项技术后 ,解决了受热面的磨损问题,降低了排烟温度 ,提高了锅炉效率,取得了很好的效果^[30]。

第二章 原始数据

热流体选用标准烟气；

冷流体选用空气；

第三章 流体的物性参数

3.1烟气的物性参数

3.2空气的物性参数

第四章 传热量及平均温差

4.1传热量计算

热损失系数=0.98

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