设计计算间壁式预热器

时间：2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：每根换热管内设有插入件，可大幅度提高综合传热系数。有的预热器每根换热管与集气箱连接处也设有膨胀节，可抵销各管因受热后膨胀量不同而产生的热应力。预热器的各项性能指标如下：1）进预热器烟气温度为900～1000℃。图6-18 管束排列及布置尺寸⑧ 预热器外形尺寸。预热器有效高度为2m。

设计计算间壁式预热器

1.管状预热器设计计算

（1）管状预热器设计概述　管状预热器以对流传热方式为主，常用来回收中、低温烟气的余热。管壁厚度取3～4mm，管子内径15～100mm，空气流速取10～15m/s，烟气流速取2～4m/s。通常被预热气体在管内流动，烟气在管外流动，但也可以相反方式流动，综合传热系数一般为15～20W/（m²·℃）。气体预热温度300℃以下时可采用碳素钢管材，但为了保护预热器使其不致很快烧坏，常在烟气进口端增设几排低合金钢管束以提高预热器的使用寿命，当采用耐热钢管时，气体预热温度可达500℃以上。

管状预热器的钢管形状分为圆管和扁管两种，钢管中有时装入插入件或扰流件以加强热量传递。预热器结构形式有直管式、弯管式或U形管式，可以做成U形管连接，也可以采取集气箱方式连接，其结构简图如图6-11所示。

该型预热器可组合成两行程错、逆流或错、顺流热交换型，也可组合成多行程顺流或逆流热交换型。每根换热管内设有插入件，可大幅度提高综合传热系数。有的预热器每根换热管与集气箱连接处也设有膨胀节，可抵销各管因受热后膨胀量不同而产生的热应力。预热器的各项性能指标如下：

1）进预热器烟气温度为900～1000℃。

2）空气预热温度为500～750℃。

3）烟气侧压力损失为50～500Pa。

4）空气侧压力损失为1000～5000Pa。

5）综合传热系数为38W/（m²·℃）。

6）使用寿命≥5～7年。

（2）管状预热器设计计算举例　原始数据及有关参数：烟气量V_y=9170m³/h，进预热器烟气温度t′_y=805℃，预热空气量V_k=7550m³/h，进预热器空气温度t′_k=20℃，空气预热温度t″_k=320℃。烟气中H₂O体积分数16.5%、CO₂8.5%，采用错、顺流双行程方案，预热器结构如图6-11a所示，管束排列方案如图6-7所示。

设计计算：

1）预热空气所需势量Q。由式（6-4）得

Q=V_k（c″_kt″_k-c′_kt′_k）=[7550×（1.32×320-1.3×20）]kJ/h=3000000kJ/h

2）出预热器烟气温度t″_y。由式（6-5）得

图6-11 管状预热器结构

a）直管式 b）弯管式 c）U形管式

1—保护管组 2—直管 3—下集气箱 4—弯管 5—U形管 6—膨胀节 7—上集气箱

3）对数平均温差Δt_d。采用错、顺流方案时

Δt_s=t′_y-t′_k=805℃-20℃=785℃

Δt_z=t″_y-t″_k=595℃-320℃=275℃

由式（6-7）得

查图6-5d，得ψ=0.91，由式（6-6）得

4）烟气侧传热系数α_y。管子外径d₁=50mm，管子内径d₂=44mm，顺列管束，管子间距S₁=100mm，S₂=90mm，烟气流速v_y=2.5m/s。

① 雷诺数Re：

入口处

出口处

查附录中表C-3，ν′=133×10^-6m²/s，ν″=93×10^-6m²/s

入口处

出口处

② 烟气侧对流传热系数α^d_y假定入口壁温t′_b=600℃，出口壁温t″_b=450℃，由图6-12可查得各参数α^y₀、C_t、C_l及φ值。

对流传热系数α^d_y=α^y₀C_tC_l （6-29）

入口处

出口处

③ 烟气侧辐射传热系数α^f_y。辐射厚度为

，由图6-13当烟气温度为805℃和595℃时，分别查得：

入口处；出口处。

图6-12 烟气流过管束的对流传热系数及有关参数值

a）对流传热系数α^y₀值 b）C_t值 c）C_t值 d）φ值

图6-13　CO₂黑度计算图表

，由图6-14、图6-15分别查得烟气温度为805℃和595℃时的及β值：

入口处

出口处

辐射传热系数

图6-14　H₂O黑度计算图表

设入口处管壁温度t′_b=600℃，由图6-16查得辐射传热系数α^f=44.2W/（m²·℃），则入口处：

设出口处管壁温度t″_b=450℃，由图6-16查得α^f=25.6W/（m²·℃），则出口处为

此时，烟气侧传热系数为

入口处=83.27W/（m²·℃）

图6-15　的修正系数β值

图6-16 烟气侧辐射传热系数α^f值

出口处

5）空气侧传热系数α_k：

α_k=α^d_k=α^k₀C₁C_tC_l （6-31）

取空气流速v_k=10m/s，管子内径d₂=0.044m，查附录中表C-4，ν′=15.03×10^-6m²/s，ν″=49.68×10^-6m²/s

① 雷诺数Re。入口处空气流速

出口处空气流速

入口处

出口处

Re′、Re″均大于5000，可按图6-17查得各参数α^k₀、C₁、C_t及C_l值并代入式（6-31）计算α^d_k。

图6-17 圆管内对流传热系数计算图表（紊流时5000<Re<2×10⁵）

a）α^k₀值 b）气体温度修正系数C₁ c）壁温t_b修正系数C_t d）管长修正系数Cl

② 空气侧对流传热系数α^d_k：

入口处

出口处

6）综合传热系数K：

入口处

出口处

7）预热器传热面积A：

考虑到预热器体积灰和气流分布不匀等不利因素，适当将传热面积增大至A=85m²。

8）预热管束的排列：

① 管子每米长度的传热面积f：

② 所需管子总长度L：

③ 每根单管的空气流量V_k：

④ 并联管子根数n：

⑤ 单管长度l：

⑥ 面对烟气横向管束列数y：

所需流通面积

已知管子间距S₁=0.1m，管子外径d₁=0.05m，则

，取y=10

⑦ 面对烟气纵向管束排数x：

管束排列结果：双行程，管子单长2m，单管总数为2×140=280根，横向10根，纵向28根。

图6-18 管束排列及布置尺寸

⑧ 预热器外形尺寸。管子距集气箱边缘b=0.05～0.1m，取b=0.05m。

两集气箱间距a=0.05～0.2m，取a=0.06m。

预热器有效高度（不含集气箱）为2m。

预热器宽度B=（y-1）S₁+2b=[（10-1）×0.1+2×0.05]m=1m

预热器长度L=2（x-1）S2+4b+a=[2×13×0.09+4×0.05+0.06]m=2.6m

预热器管束排列及布置尺寸如图6-18所示。

⑨ 预热器管壁温度t_b：

入口处

出口处

⑩ 空气侧通道阻力h_k。由式（6-17）、（6-18）得

双行程时，2h_k=2×283Pa=566Pa

（11）烟气侧通道阻力h_y。已知S₁=100mm，d₁=50mm，S₂=90mm，管子排数Z=28，v_y=2.5m/s，R′e=3711，R″e=4274，

此时

当S₁>S₂，且1<φ≤8时，由式（6-22）得

ξ=ξ₀Z=0.226×28=6.34

则烟气侧阻力

2.片状预热器设计计算

（1）片状预热器设计概述片状预热器以对流传热为主，用以回收中、低温烟气余热并且多用来预热空气，空气预热温度达300～500℃。预热器体由铸造而成的扁管组成，壁厚6～8mm。管外侧铸有肋片的称单侧片状管；管内外壁均铸有肋片的称双侧片状管。肋片厚约4mm，图6-19所示为片状管构造图。

由于肋片增加了热交换面积，故传热量相对增大，因此具有结构紧凑、单位体积传热面积大等优点。另外，因片状管多用耐热铸铁或耐热铸钢制作，故使用寿命也较长。

片状管已定型生产，表6-3、表6-4为单侧及双侧片状管的结构参数。

表6-3 单侧片状管结构参数

图6-19 片状管构造图

表6-4 双侧片状管结构参数

空气由片状管流过，空气流速取5～10m/s；管外流通烟气，烟气流速取2～5m/s。为了提高空气预热温度，通常将预热器组装成两个行程或多个行程。为了减少积灰并便于清灰，片状管最好侧立以水平方式安装，在可能条件下尽可能将整个预热器设置在地面以上的垂直烟道内。

（2）片状预热器设计计算举例原始数据及有关参数：烟气流量V_y=10500m³/h，进预热器烟气温度t′_y=810℃，预热空气量V_k=7000m³/h，空气预热温度t″_k=320℃，烟气中含：CO₂体积分数16.9%，H₂O体积分数12.6%。采用错、逆流方案，两行程。

设计计算：

1）预热空气所需热量Q。由式（6-4）得t′_k=20℃，c″_k及c′_k分别为1.32及1.3kJ/（m³·℃）

Q=V_k（c″_kt″_k-c′_kt′_k）=[7000（1.32×320-1.3×20）]kJ/h=2775000kJ/h

2）出预热器烟气温度t″_y。由式（6-5）得。热损失系数m=1.05，c′_y及c″_y分别为1.53及1.5kJ/（m³·℃）

3）对数平均温差Δt_d。错、逆流时

Δt_s=t′_y-t″_k=810℃-320℃=490℃

Δt_z=t″_y-t′_k=641-20=621℃

查图6-5c，得ψ=0.97，由式（6-6）

4）烟气侧传热系数α_y。烟气流速v_y=4m/s，烟气平均温度726℃，选用双侧片状管，L=1550mm，换算直径d_h=51mm，假定壁温t_b=480℃。

① 雷诺数Re。t_y=726℃时，由附录中表C-3查得烟气运动粘度ν=114×10^-6m²/s

② 烟气侧对流传热系数α^d_y。由于Re值属过渡区工况，可按式（6-32）计算努谢尔数Nu为

式中 Pr——普拉特数，查附录中表C-3，t_y=726℃时，Pr=0.61；

a——热扩散率=，c为比热容，ρ为密度；

——烟气在平均温度下和壁温下的动力粘度比值，t_y=726℃及t_b=480℃时；

——片状管换算直径与长度比。

将以上参数值代入式（6-32）得

[λ——热导率，查附录中表C-3，t_y=726℃时，λ=0.0836W/（m·℃）]

③ 烟气侧辐射传热系数α^f_y。平均辐射厚度为δ_f=0.85d_h=0.85×0.051m=0.0435m

当t_y=726℃，t_b=480℃，由图6-16得α^f=32.56W/（m·℃）

由图6-13，当t_y=726℃时，查得

同样当t_y=726℃时，由图6-14及图6-15分别查得，β=1.1

由式（6-30），辐射传热系数为

④ 烟气侧传热系数α_y

α_y=α^d_y+α^f_y=（42.78+9.54）W/（m·℃）=52.32W/（m·℃）

5）空气侧传热系数α_k。取空气流速v_k=8m/s，空气平均温度=170℃，由附录中表C-4查得空气运动粘度ν=31.27×10^-6m²/s。当空气通道d_h=25.4mm、壁温t_b=480℃、t_k=170℃、L/d_h=1550/25.4=61时，雷诺数为

由图6-17查得对流传热系数α^k₀及相应参数C₁、C_t、C_l值并代入式（6-31）得

α_k=α^d_k=α^k₀C₁C_tC_l=46.5×0.98×0.76×1W/（m·℃）=34.63W/（m·℃）

6）综合传热系数K。由于空气侧及烟气侧均带有密集肋片，则空气侧传热面积为

式中A_k1、A_y1——空气侧及烟气侧肋片表面面积（m²）；

A_k2、A_y2——空气侧及烟气侧除肋片外的片状管底部表面面积（m²）；

η——肋片的有效利用系数，η=0.8～0.95。

由表6-4查得A_k1、A_y1、A_k2和A_y2值，同时取η₁=0.9、η₂=0.8，则

A_k=A_k1η₁+A_k2=（1.34×0.9+0.67）m²=1.88m²

A_y=A_y1η₂+A_y2=（1.15×0.8+0.72）m²=1.64m²

由式（6-13）得

由式（6-14），预热器传热面积为

7）预热器片状管的排列

片状管根数

每根片状管通过的空气量为

V′_k=f_kv_k×3600=0.0113×8×3600m³/h=326m³/h

空气通道所需管数为

每根片状管两侧通过的烟气量为

V′_y=f_yv_y×3600=0.094×4×3600m³/h=1350m³/h

烟气通道并列管数为，取7根

烟气通道片状管排数为，取3排

空气通道取二行程，则片状管总数为

n′=2xy=2×3×7=42根，n′>n，故可用。

片状管排列图如图6-20所示。其他计算略。

3.筒状辐射预热器设计计算

（1）设计概述　筒状辐射预热器多用来回收高温烟气的余热，进预热器烟气温度不低于800℃，气体预热温度可达500℃以上。预热器由内筒、外筒、上下集气箱等组成。内筒用耐热钢板焊制，厚度取6～8mm；外筒用碳素钢制成，厚度4～5mm。内筒通烟气，内、外筒之间通预热气体。烟气流速取2～4m/s，内管外侧不带肋片时预热气体流速取15～25m/s，带肋片时取4～8m/s。

图6-20 片状管排列图

1—双侧片状管 2—集气箱

筒状辐射预热器适于垂直安装，可作为烟囱的一部分安装在上排烟炉子的垂直排烟管道中，为使筒体能补偿因受热膨胀引起的伸长量，除自身需设有膨胀节外，在安装方式上多做成悬挂式结构，使其能自由向下膨胀；也可做成底座式结构，但需使其能易于向上膨胀；内筒温度一般比外筒温度高100～200℃，内筒温度一般取近似等于或略高于气体预热温度，其相对伸长量约为每米筒体2.5mm左右。相对伸长量小于5～6mm时，可不设膨胀节而利用上（或下）集气箱的环形钢板自身补偿，但环形钢板的厚度应不大于2～3mm。

筒状辐射预热器的气体流动方式采用顺流式或逆流式，顺流式有利于降低烟气进口端的器壁温度，逆流式有利于提高气体的预热温度。为了充分发挥烟气的辐射传热作用，高温辐射预热器应选取较大的直径，较小的长度。预热器体可做成单侧受热或双侧受热形式，也可与其他对流式预热器串联组合，以充分利用筒状辐射预热器排出的仍有较高温度的烟气余热。图6-21所示为单侧及双侧受热式筒状辐射预热器结构。图6-22为复合式预热器结构。

为了强化空气侧对流传热和增大传热面积并有利于降低内筒壁温，常在空气侧的内筒外表面上设置密集肋片，这种带肋片的筒状辐射预热器结构如图6-23所示。器壁上的肋片应与气流方向平行，肋片越密集，则内筒壁温越低，设计良好的预热器其内筒最高壁温与空气预热温度差值不大于100℃。常用的肋片高度h_e=25～35mm，厚度δ=3～4mm，间距l=30～50mm，长度取200～400mm。肋片排列方式通常为错列以破坏气流附面层，为了减小接触热阻，肋片与内筒应采用连续焊接。内外筒直径D、D₁、D₂及预热器长度L由计算确定。

图6-21 筒状辐射预热器结构

a）单侧受热式 b）单行程双侧受热式 c）双行程双侧受热式

1—上集气箱 2—支架 3—外筒 4—内筒 5—下集气箱 6—膨胀节 7—砂封

为了延长空气通道路程和相对提高空气流速，有的筒状预热器在内筒外壁上焊以螺旋形导向隔板，如图6-24所示，使由切线方向进入的冷空气按螺旋线路程前进。这种方法同样可以提高对流传热系数并能降低壁温。

（2）不带肋片筒状辐射预热器计算举例原始数据及有关参数：已知烟气量V_y=2900m³/h，烟气温度t′_y=1050℃，预热空气量V_k=2500m³/h，进预热器空气温度t′_k=420℃，空气预热温度t″_k=600℃，烟气中CO₂体积分数14%，H₂O体积分数10%，求预热器传热面积A及高度H。

1）预热空气所需热量Q。由式（6-4）得

图6-22 复合式辐射预热器结构

a）带水平对流管组 b）带同心对流管组 c）辐射、喷流、肋片式复合预热器

图6-23 带肋片筒状辐射预热器结构

Q=V_k（c″_kt″_k-c′_kt′_k）=2500×（1.385×600-1.365×420）kJ/h=653700kJ/h

2）出预热器烟气温度t″_y。设预热器热损失系数m=1.1，由式（6-5）得

3）对数平均温差Δt_d。采用逆流方式，则Δt_s=t′_y=t″_k=1050℃-600℃=450℃，Δt_z=t″_y-t′_k=900℃-420℃=480℃，由式（6-6）得

4）空气侧换热系数α^d_k。设预热器内筒内径D=1100mm，取壁厚8mm，则内筒外径D₁=1116mm。取内外筒环缝宽度20mm，则外筒内径D₂=1156mm。

环缝面积=0.785×（1.156²-1.116²）m²=0.0713m²。

环缝周长 S_k=π（D₁+D₂）=3.14×（1.116+1.156）m=7.14m。

环缝换算直径

空气流速

当空气平均温度，查附录中表C-4，空气运动粘度ν=81×10^-6m²/s，则雷诺数为

由式（6-9），并查附录中表C-4得空气热导率λ_k=5.69×10^-2W/（m·℃）

5）烟气侧对流换热系数α^d_y。烟气通道面积为

烟气流速为

烟气平均温度=975℃，查附录中表C-3得烟气运动粘度ν=169×10^-6 m²/s，则雷诺数为

图6-24 带导向隔板的筒状辐射预热器

属紊流工况，参照图6-17得α₀^y、C₁、C_t、C_l值并代入式（6-31）得烟气对流传热系数：

α^d_y=α^y₀C₁C_tC_l=3.72×1.6×1.05×1.26W/（m·℃）=7.87W/（m·℃）

6）烟气侧辐射传热系数α^f_y。辐射预热器上、下部的辐射传热系数相差较大，故需按上、下两部分分别计算。

① 下部烟气黑度ε′_y。辐射厚度为δ_f=0.9D=0.9×1.1m=1.0m，×1kPa=14kPa，。下部烟气温度t′_y=1050℃，由图6-13、图6-14、图6-15查得，，β′=1，则

② 下部辐射系数σ′[W/（m²·K⁴）](www.xing528.com)

式中ε_q、ε_b——分别为气体及器壁的黑度。

将ε_q=ε′_y=0.137，取ε_b=0.8，代入式（6-35）

③ 下部筒壁温度T′_b。热力学温度为

将σ=σ′=0.755，α^d_k=81，T_y=t′_y+273=1050+273=1323，T_k=T″_k=t″_k+273=600+273=873代入式（6-36），则

参数a与T_b/T₀的关系值见表6-5。

当时，查表6-5得Tb/T0=0.9，则下部筒壁温度T′_b=T_b=0.9T₀=0.9×1158K=1042K=769℃

④ 下部辐射热流q′为

表6-5 参数a与T_b/T₀的关系值

⑤ 下部辐射传热系数为

⑥ 上部烟气黑度ε″_y。上部烟气温度t″_y=900℃时，同样查图6-13、图6-14、图6-15，得，，β″=1。

⑦ 上部辐射系数σ″为

⑧ 上部筒壁温度T″_b为

当a=0.067，查表6-5得T″_b/T″₀=0.95，则上部筒壁温度T″_b=0.95T″₀=0.95×879K=835K=562℃

⑨ 上部辐射热流q″为

⑩ 上部辐射传热系数为

⑩ 烟气侧辐射传热系数α^f_y为

预热器前后具有高温的空间墙壁时对辐射传热有一定影响，表6-6为筒状辐射预热器前后空间墙对辐射传热系数的增大百分数。

表6-6 筒状辐射预热器前后空间墙对α^f_y的增大百分数（%）

注：H—预热器高（m），D—预热器内筒内径（m）。

参照表6-6，当H/D=3、t_y=1050℃时，辐射传热系数的增大值概略为20%，则

α^f_y=（1+0.2）×41.36W/（m²·℃）=49.63W/（m²·℃）

7）烟气侧传热系数α_y为

α_y=α^f_y+α^d_y=（49.63+7.87）W/（m²·℃）=57.5W/（m²·℃）

8）综合传热系数K为

9）预热器传热面积A。由式（6-14）得

10）预热器高度H为

（3）带肋片筒状辐射预热器计算举例原始数据及有关参数：已知进预热器烟气温度t′_y=1000℃，烟气量V_y=0.3m³/s，预热空气量V_k=800m³/h（0.223m³/s），空气预热温度t″_k=300℃，烟气成分（体积分数）CO₂13%、H₂O11%，烟气与空气流动方式为顺流方式。

设计计算：

1）预热空气所需热量Q。查图6-3，V_k=800m³/h时，Q=314000kJ/h。

2）出预热器烟气温度t″_y。当V_k/V_y=0.223/0.3=0.74时，查图6-4得t_y=780℃。

3）预热器内径D₁。取烟气流速v_y=1.6m/s，则预热器内径为

4）烟气侧传热强度q_y（W/m²）

① 烟气辐射传热强度q^f_y为

式中ε_b——内筒钢材黑度，ε_b=0.8～0.9；

ε_q——烟气黑度，，查图6-13～图6-15；

E_q——内筒钢材以T_b温度辐射时烟气的吸收率，E_q≈ε_q；

T_y、T_b——烟气及内筒壁面的热力学温度（K）。

有效辐射厚度δ_f=0.9D₁=0.9×0.433m=0.39m

烟气进口端t_y′=1000℃时，由图6-13～图6-15查得，，β=1.08

烟气进口端选择壁温t′_b=320℃，同样由图6-13～图6-15查得，，β=1.07。

取ε_b=0.9，由式（6-38）得

②烟气对流传热强度q^d_y为

q^d_y=α^d_y（t_y-t_b）（6-39）

α^d_y=1.163Cv_yD^-0.2 （6-40）

式中α^d_y——烟气对流传热系数；

C——系数；可近似查图6-25；

ν——烟气的运动粘度（m²/s）；

Pr_q、Pr_b——烟气温度下及预热器壁温下烟气的普拉特数Pr_q、；

a——烟气及内筒钢材的热扩散率，，λ、c、ρ分别为烟气及钢材的热导率、比热容及密度；

v_y——烟气流速（m/s）；

D——烟气通道直径（m）。

式（6-40）适用于烟气温度低于900℃的情况，烟气温度达1000℃左右时，其计算值应乘以修正系数1.3～1.5。

烟气实际流速=7.46m/s

由图6-25，C=1.6，取修正系数为1.4，由式（6-40）

图6-25 系数C值

α^d_y=1.163×1.4×1.6×7.46^0.8×0.433^-0.2W/（m²·℃）=15.34W/（m²·℃）

由式（6-39），对流传热强度为

q^d_y=α^d_y（t′_y-t′_b）=15.34×（1000-320）W/m²=10431W/m²

进口端烟气侧传热强度为

q_y1=q^f_y+q^d_y=（18138+10431）W/m²=28569W/m²

预热器出口端t″_y=780℃，取t″_b=380℃

当t″_y=780℃，得，，β=1.07，ε_q=0.095+1.07×0.072=0.17

当t″_b=380℃，得，，β=1.07，E_q=0.082+1.07×0.11=0.2

烟气实际流速查图6-25，C=1.66。

α^d_y=1.163×1.66×6.17^0.8×0.433^-0.2W/（m²·℃）=9.784W/（m²·℃）

q^d_y=9.784×（780-380）W/m²=3913W/m²

出口端烟气传热强度为

q_y2=（8825+3913）W/m²=12738W/m²

烟气侧平均传热强度为

5）空气（或煤气）侧传热强度q_k。顺流方式时，按出口端烟气传热强度确定肋片中心距；逆流方式时，按进口端烟气传热强度确定。计算图表如图6-26所示。

根据q_y2=12305W/m²，查图6-26，得肋片中心距l=26mm。取内筒壁厚6mm，则内筒外径为

D₂=（0.433+2×0.006）m=0.445m

图6-26 肋片中心距计算图表

肋片数

取肋片厚度δ=0.003m，肋片高h_e=0.03m，外筒与肋片外缘间隙取2mm，则外筒内径为

D₃=[0.445+2×（0.03+0.002）]m=0.509m

空气通道面积为

空气流速为

空气通道换算直径为

t_k=300℃时，空气运动粘度ν=48.24×10^-6m²/s，λ=4.48×10^-2W/（m·℃），雷诺数是

空气（或煤气）对流传热系数α^d_k

Re=2000～10000时

Re=10000～40000时

由式（6-42）得

每平方米内筒内表面积对应的内筒外表面积为

内筒外表面向空气的对流传热强度为

q₁=A₁α^d_k（t″_b-t″_k）=0.91×53.85×（380-300）W/m²=3920W/m²

每平方米内筒内表面积对应的肋片表面积为

肋片传热效率为

式中 m——函数，，当肋片（碳素钢）热导率λ=43W/（m·℃）时，m

肋片向空气的传热强度为

q₂=A₂e_sα^d_k（t″_b-t″_k）=2.37×0.807×53.85×（380-300）W/m²=8239W/m2

外筒内表面向空气的对流传热强度为

q₃=0.5α^d_k（t″_b-t″_k）=0.5×53.85×（380-300）W/m²=2154W/m²

空气侧传热强度为

q_k=q₁+q₂+q₃=（3920+8239+2154）W/m²=14313W/m²

q_k值应与烟气侧q_y值相近。顺流时与出口端q_y2值相近；逆流时与进口端q_y1值相近。当q_k=（0.9～1.3）q_y时，可认为计算合适。本例题q_k/q_y2=14313/12738=1.12，故所取t″_b=380℃合适。

6）预热器尺寸计算。预热器所需传热面积为

已知预热器内径D₁=0.433m，则预热器长度

7）膨胀节计算。已知L=3110mm，β=13.5×10^-6，200℃，由式（6-27）计算膨胀量为

ΔL=LβΔt=3110×13.5×10^-6×200mm=8.4mm

取σ=0.6σ_s=0.6×238MPa=142.8MPa，E=2×10⁵MPa，δ=1.5mm，h=40mm。由式（6-28），则

得膨胀节宽度b=125mm

8）空气通道阻力计算。由式（6-17）、式（6-18）得

局部阻力

摩擦阻力

总阻力h=h_j+h_m=（113+115）Pa=228Pa

4.喷流预热器设计计算

（1）设计概述　喷流预热器可制成管状或筒状，前者以对流传热为主，后者以辐射传热为主。喷流预热器的综合传热系数高，可达45～55W/（m²·℃）。

管状喷流预热器由内管和外管组成。外管为热交换管，烟气由外侧流过；内管通预热气体，由管壁上的密集小孔喷至外管内壁，如图6-27a和图6-27b所示。外管壁厚取3～4mm，内管壁厚取2～3mm。筒状喷流预热器内筒为热交换体，外筒通预热气体并由中间筒体上的密集小孔喷至内筒外侧，如图6-27c所示。内筒壁厚取5～8mm，外筒壁厚取4～5mm。预热气体的喷出速度取18～20m/s，烟气流速取2～4m/s。气体预热温度≤300℃时，热交换管可选用碳素钢制造；预热温度>300℃时，应选用耐热钢制造。

图6-27 喷流预热器结构

a）管状喷流预热器之一 b）管状喷流预热器之二 c）筒状喷流预热器示意

预热气体由小孔喷至热交换管时，因喷出速度大且是垂直喷向管壁，破坏了管壁上的气流附面层，使对流传热加强，对流传热系数可达100～250W/（m²·℃），同时管壁温度相对降低，有利于提高预热器使用寿命。

喷流预热器气流的喷射距离h与喷孔直径d之比有一最佳值范围，通常取h/d=5.5～6。喷孔间距l与喷孔直径d之比也有一最佳范围值：喷流管顺列布置时，l/d=7.5～8；错列布置时l/d=8～8.5。喷孔直径一般取d=4～6mm。

为了获得更高的气体预热温度，可通过增加喷流次数（相当于预热行程）来实现，喷流次数多限为2～4次，很少多于六次，因每增加一次喷流，预热气体将有500～1000Pa的压力损失。

（2）喷流预热器设计计算举例原始数据及有关参数：已知管状喷流预热器通过的烟气量V_y=5500m³/h，烟气温度t′_y=600℃。预热空气量V_k=5000m³/h，空气预热温度t_k=300℃。烟气中（体积分数）CO₂14%，H₂O10%，气体流动方式为错、逆流，喷流四次（即四行程），结构如图6-27a所示。