摘 要

本文采用平均温差法进行H型翅片管的设计计算、强度计算以及校核。H型翅片管的设计主要包括：热负荷计算、H型翅片管选型、迎风面积和迎面风速的计算、换热系数的计算、翅片效率η的计算、传热系数的计算、换热器传热温差的计算、传热面积和纵向管排数的计算、烟气侧阻力差计算、压力管道强度校核等。其中光管直径、光管长度、翅片参数等对换热器的传热影响较大，并且和换热器的紧凑性、投资运行成本息息相关。通过阅读相关文献，了解了国内外对翅片管换热器以及导热油的研究现状，进过仔细的比对分析以及深入的研究，本设计采用H型翅片管，综合考虑传热效率与经济性，选取导热油型号为YD340，翅片间距为25mm，翅片外形尺寸为3mm×90mm×195mm，风速2.5m/s。选取翅片管根数为594根，采用顺排的排列方式。迎风横向管排数为22排，纵向管排数为27排。

关键词：导热油加热 仿真模拟 H型翅片管 传热系数 翅片管换热器

Design of H - type finned tube oil heater with high dust flue gas

Abstract

In this paper, the average temperature difference method is used to calculate the calculation, strength calculation and check of H-type finned tube. The design of the H-type finned tube is mainly included: heat load calculation, H-type finned tube selection, windward area and head wind speed calculation, heat transfer coefficient calculation, fin efficiency η calculation, heat transfer coefficient calculation, heat exchanger heat transfer The calculation of the temperature difference, the calculation of the heat transfer area and the number of longitudinal pipe rows, the calculation of the side resistance difference of the flue gas and the check of the strength of the pressure pipe. Among them, the diameter of the light pipe, the length of the light pipe, the fin parameters and so on have great influence on the heat transfer of the heat exchanger, and it is closely related to the compactness of the heat exchanger and the investment operation cost. By reading the relevant literature, to understand the domestic and foreign finned tube heat exchanger and thermal oil research status, into the careful comparison of the analysis and in-depth study,The design of the use of H-finned tube, considering the heat transfer efficiency and economy, select the thermal oil model YD340, fin spacing of 25mm, fin dimensions 3mm × 90mm × 195mm, wind speed 2.5m / s. The number of finned tubes was 594, and the arrangement was arranged in a row. The number of horizontal ducts is 22 rows, and the number of longitudinal tubes is 27 rows.

Key words: Heat - conducting oil heating；simulation simulation；H - finned tube；heat transfer coefficient；finned tube heat exchanger

目 录

摘要 I

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 研究背景及意义 1

1.3 实验研究与结论 1

1.3.1 H型翅片管的特点 1

1.3.2 提高换热器性能的方法 2

1.3.3 导热油特性的研究 3

1.3.4 提高余热回收的措施 4

1.3.5 国外研究现状 4

第二章 计算 6

2.1 设计要求 6

2.1.1需方提供的设计参数 6

2.2 热负荷计算 6

2.3 H型翅片管选型 9

2.4 迎风面积和迎面风速 9

2.5 管外换热系数计算 10

2.6 翅片效率η的计算 10

2.7 以基管外表面为基准的管外换热系数h₀和翅化比β 11

2.8 管内换热系数的计算 12

2.9 计算传热系数U₀（以基管外表面为基准） 13

2.10 换热器的传热温差ΔT 13

2.11传热面积和纵向管排数的计算 13

2.12 烟气侧阻力差计算 14

2.13 压力管道强度校核 15

第三章 结论与展望 17

3.1结论 17

3.2未来展望 17

参考文献 18

致谢 20

第一章 绪论

1.1 课题背景

这些年我国经济发展的越来越快，能源作为推动经济发展必不可少的一个环节，它的供不应求已经严重拖缓了中国社会进步的步调。据专家预测，如果以2000年为基准，那么2010年和2020能源的消费增长将达到38％和89％，随着我国人口的快速增长以及经济的飞速发展，能源的供需矛盾将会更大的体现。另外随着大量尾气以及余热的排放，环保问题和全球变暖也已经成为了当前我国要刻不容缓解决的问题。

1.2 研究背景及意义

为了保证我国经济的平稳发展，人与生态环境和谐共存，找寻新能源以及对现有能源的合理利用变得尤为重要。在工业生产中，低品味余热所占热能的比例高达百分之五十，这不仅使得我们的生态环境遭受了严重的威胁，同时，大量的能量也在无形之间消失殆尽。作为排放热量的一个重要途径，冶金烧结带冷机排烟含尘高、温度高，浪费比率较大，炉体节能率不高，一般烧结带冷机出口温度保持在623K左右，烧结带冷机热效率很低，本课题结合国家节能减排的大政方针，沿着科研与生产相结合的原则，进行余热加热系统用导热油，提高系统的热效率。

1.3 实验研究与结论

1.3.1 H型翅片管的特点

北京中能诺泰节能环保技术公司的尤风霞^[1]仔细的分析H型翅片管换热器的在传热方面的各项性能，论述了H型翅片管具有良好的换热能力以及较小的阻力这个事实，进行了H型翅片管在不同流速下的数值模拟的实验，观察到了在两排挨着管束进出口的换热管上有H型翅片管束的进出口的阻力这个现象，从而总结出了H型翅片管的阻力特性以及传热特性和在管子上的最小的面所产生烟气的平均流速相关这个结论。思安新能源股份有限公司的张晓博、曹琪、韩涛^[2]通过研究H型翅片管在含尘量较大介种中的性能，论述了H型翅片管束在含烟尘量较大烟气中的换热性能对比光滑管优越，但阻力性能的变化却比较大这个事实，进行了在相同条件下分别测试光管与H型翅片管然后分析其各种性能特性的研究，观察到在差不多的条件下H型翅片管表面具有的在换热方面的性能要比光管表面好，H型翅片管的流动阻力比光管的流动阻力远远大这个现象，运用了比较分析的方法，得出了H型翅片管的换热性能比光管好，烟气含尘量以及烟尘性质对于H型翅片管束阻力具有较大影响这个结论。华北电力大学的刘智远老师，陈飞雄老师，蒋慧卿老师，徐巧变^[3]老师通过研究椭圆形H型翅片管性能以及有机朗肯循环回收的余热，为了让它更好地利用烟气余热对其进行了修改，进行了换热计算和数据分析并提出了优化方案，最后在经济型方面得到了在n=171时是最佳布置这个结论。济南钢铁集团总公司的韩士成、王金伦、夏拥华^[4]通过研究存在于大轴承中的应对带冷机的各种问题，观察到更换部分轴承之后带冷机已经完全具备了使用技术要求这个现象，运用了比较整体更换和部分更换所需要的工期及费用的分析方法，得出了在大型设备上一种有效可行的途径是部分带冷机轴承更换这个结论。

1.3.2 提高换热器性能的方法

大连冰山空调设备有限公司的陈国平^[5]通过对换热器进行分析和性能的探讨，论述了换热器在不同工作情况下具有不同热力性能这个事实，进行了对中央空调上的翅片形式和铜管观察这个实验，观察到换热瓶颈这个现象，运用了定性和定量分析的方法，得出了只有在换热瓶颈处对于换热的加强才具有意义这个结论。西华大学的司子辉老师，张燕老师，康一亭老师，欧顺冰^[6]老师通过研究两种翅片的传热特性和流动特性，论述了随着由于气流的不断改变，使得波纹三对称穿孔翅片的热力性能要比其他翅片的各项热力性能高大约百分之二十左右，能量结余下来了，使得热力性能加强了这个事实。大连水产学院，大连理工大学，大连市海事局的李革、于功志、程木军、张殿光^[7]提出了方法用来强化换热设备的各项特点，提高并且改善了换热设备的性能扩大了它的优势。中国民族大学海军工程大学的樊垦、寇蔚、王剑平^[8]老师了解了换热器设备的各个实际情况，想出了一个全新的办法通过计算来提高换热器设备的性能，对于特有换热器内部各个的结构以及如何布置的方式进行了逐层筛选和优化。此方法可以大量的减少计算，同时满足可以保证计算结果，同时也可以顺利的进行下一步对于其他方面的计算研究。东北石油大学的韩建荒老师、刘扬老师、李君书老师、王尊策老师、李森老师^[9]通过研究拥有翅片的换热器的传热性和表面流动性，论述了可以使用各种方法来建立一个大致的框架为换热器的性能优化以及设计提供合理的依据这个事实，进行了构建一个大概的模板来为换热器进行模拟测试的实验，观察到了数值的模拟值和实测值基本吻合这个现象，运用了比较分析的方法，得出了可以合理简化大型翅片管换热器，建立模型并对其仿真分析这个结论。冶金部鞍山热能研究院的陈巍、刘云、金岩、方会斌、戚丙申、周琦^[10]通过研究回收烧结矿显热，论述了在烧结带冷机上安装翅片管式余热锅炉，把其投人运行后的使用效果良好这个事实，进行了余热锅炉实际运行这个实验，观察到了纤维衬层无一处发生疏松剥落，整体强度很高这个现象，运用了比较分析的方法，得出了拥有烧结带冷机的传热装置是一种比较高效使用的传热装置，投人使用后达到了人们所想像的期望，证明这是可以成立的这个结论。

1.3.3 导热油特性的研究

沈阳电力高等专科学校的霍春艳和葛荣华老师^[11]通过研究导热油的主要参数以及生产过程等，论述了有方法可以对导热油使用延长这个事实，进行了研究导热油性能的实验，观察到了如果一定量的水分存在于导热油中很多问题仍会产生这个现象，运用了研究比较的方法，得出了换热器出现问题之后，一定要抓住重点，首先搞清问题所在，然后重新启动机器，修复好机器，然后进行排水，等到没有水分之后，再进行下一步操作这个结论。中国石油天然气管道局的黄春芳^[12]通过研究不同国家不同种类的导热油，以及这些导热油自身的优缺点，说明了可以在导热油上进行仔细删选这个事实，进行了对导热油质量要求研究这个实验，观察到了不同的导热油产生了不同的效应这个现象，运用了质量评定的方法，得出了由估算寿命除以价格能得出最好的质量价格比，从而挑选出最优的导热油品牌这个结论。伍家卫、王宝琼、杨兴错、马利海老师^[13]过研究不同导热油之间的性能，论述了LY系列高温导热油，主要使用效果以及质量指标均达到同类产品要求，并且取得了满意结果这个事实，分别进行了WD320油样、及LY系列高温导热油的强化实验，观察到了铁片变黑，伴随有焦炭生成，并且油品颜色加深这个现象，运用了比较分析的方法，得出了LY系列高温导热油具有优良性能，并且价格仅是国内同类油一半左右，且运输方便，油料充足，完全适合于本地区使用这个结论。化工部涂料工业研究所的赵帆^[14]仔细的分析了换热器在特定的情况下如何的删选及其对整体装置所产生的影响，并阐述了其的设计计算过程中需要注意的方面。同时，简要说明了换热器的管道配置和安装及维护方面。中石化南京工程有限公司的严进生^[15]探讨使用高温高压气体来使导热油升温的想法。侧重讲述了导热油所具备的性能，和设计其他各部分设备所需要用到的方法以及调控仪器，同时也要想各种办法来使得系统平稳运行，保证该系统能够稳定连续运转，初步描述了蒸汽加热导热油系统所需的设计思路，尽量使设计合理，以使整个系统经济性、安全可靠性，符合规范要求。

1.3.4 提高余热回收的措施

上海交通大学和东华大学的卢智利老师、丁国良老师、曹家极老师^[16]通过研究4种管排与3种管子(N= 1, 2, 3, 4)和10种管排间距平直翅片管的换热器试件通过燃气水加热器体现出的换热特性，论述了在Re=180至400时,R与 N呈线性关系;在Ngt; 3以后，管束具有的换热性能差异较小这个事实，并通过进行不同实验和数据分析，得出了不同翅片管换热器所拥有不同性能的差异和优劣的结论。上海理工大学的马其良老师，雷俊智老师，肖明洋老师^[17]通过对三维内花瓣形螺旋肋管式油加热器进行实验，讨论其各项性能及优势，及分析其在某电厂生产中的应用成果，分析结果得出了最终的结论。安徽工业大学和马鞍山钢铁股份有限公司的陈德敏 陈光 刘长青^[18]研究发现了烧结带冷机具有的废气余热发电系统，大部分的热量存在于生产线上，还有少部分的热量被排放到空气中去了，各个机组之间的容量也相差的挺大。为了清楚地了解剩余的能量，认知为何能量会损失，各方面测定该机组的性能情况，思考出了提升锅炉利用率的方法。河北省节能监察监测中心的甘久明^[19]通过研究发现有效处理各种结余下来的热量，在烧结过程中显得尤为关键，建设了能量吸收储存设备，对该设备各个系统中的情况进行了分析汇总，最后通过整理得出了烧结冷却机在热量使用方面的实用方法。济钢集团的修旭明、战立刚、孙雅文^[20]使用总结归纳提高了烟气的回收的比例，这个工艺调整方法已经在济钢部分烧结带冷机上进行了实施，通过安装在最后的废气回收烟囱后的料槽料位测量装置和测温装置来合理的掌控带冷机的机速，以及增加料层厚度能够提高烟气的回收效率15%以上，从而减少产生余热的机组因为烟气放出的热量太少而被迫停机的次数来提高产值。

1.3.5 国外研究现状

Lluvia M. Ochoa-Estopier,、Megan Jobson1、Lu Chen、Clemente A. Rodriguez-Forero、 Robin Smith^[21]通过研究原油蒸馏系统以及换热网络分析了其中的优劣，进行了实验并列举了许多数据，建立了模型，从而得到了怎样才能加强原油蒸馏系统和强化换热系统的措施。B. V. K. Reddy、Matthew Barry、John Li、Minking K. Chyu^[22]利用一维解析解，应用传统的性能，新型复合和集成TEDS来对余热回收进行了研究。根据焦耳、Peltier和汤姆逊效应，得出了随着温度变化，热电性能随之发生变化。对各个表面温度的半导体材质层和对流换热系数以及材质的各项特性产生了影响。在传热领域，对流传热增强（HTE）技术已经进行了几年开发研究。为了在操作和设计方面更好地优化热工程系统，不仅要最大化热传递，而且还要最小化热效率。G.V.Stepanov等人发现了由于制造过程中技术影响到了集热器接头和蒸汽发生器热交换管接头的强度，导致了核电站水冷式反应堆蒸汽发生器没有达到使用寿命失效过早，研究了收集器热交换管加压过程的数值模拟结果，根据压配的基本工艺参数和管子材料的的强度特性，对蒸汽发生器管子材质进行改进。Mohammad Mmohammadiun、Forough Dashtestani、Mostafa Alizadeh^[23]通过研究提出了有效能分析双管换热器中的理论，数值和实验研究。在这里，扭转带和金属氧化物水纳米流体被认为是湍流器和流体模型，结果可用众所周知的相关性验证。William L. Luyben^[24]探讨了使用热交换器旁路时的控制和设计问题。设计优化变量包括控制阀上的设计压降，热交换器的面积和旁路的分数。动态可变性要求在宽范围内可以调节热传递速率。如预期，结果表明更多的旁路和更大的面积提高了最大设计热传递率的比例，这对于动态可控性是重要的。意外的是，控制阀设计压降对用变速泵来维持总流量的热交换器旁路系统几乎没有影响。A.A.Semchenkov,O.Yu.Novosel’skii等人通过研究蒸汽发生器管道中的蒸汽-水隙绝缘性能，提出了通过填充有蒸气水混合物的间隙进行热传递的实验研究结果。显示出通过该间隙的热传递与具有相似几何形状的固体壁的热传递显着不同。由蒸汽冷凝的间隙的热通量几乎与加热介质的温度无关，但是“冷”壁温度与饱和温度的接近度确实会影响它。Robin Smith^[25.]探讨了在热交换器网络中结垢对热传递增强的影响。使用一种新颖的设计方法来解决热交换器网络中的复杂问题，在热传递增强的基础上考虑可能会结垢。模拟退火来优化在结垢条件下的后退问题。结果表明，当考虑结垢时，传热增强是复古粘结的非常好的选择。热传递增强中的污垢可能对后处理设计产生显著影响，并使这个设计比常规设计方法更能节约成本。

第二章 计算

2.1 设计要求：

本毕业设计的题目为高含尘烟气H型翅片管式油加热器的设计，冶金烧结带冷机由于排烟含尘高、温度高，热量浪费较大，炉体热效率较低，一般烧结带冷机出口烟气温度大约在350℃左右，烧结带冷机热效率很低，本课题结合国家节能减排的大政方针，沿着科研与生产相结合的原则，进行余热加热系统用导热油，提高系统的热效率。本课题工艺参数为：热流体为冶金烧结带冷机废气，含尘量lt;1g/Nm3,废气流量为80000Nm3/h，废气进口温度为250℃，要求废气出口温度为150℃，热量用于加热生产系统用导热油35吨/h，导热油进口温度为50℃

烟气为高含尘烟气，导热油型号为YD340,烟气成分按标准烟气进行计算