工业烟气空气冷却器的设计和计算工作量非常

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　　水 泥 科 技 SCIENCE AND TECHN0L0GY 0FCEMENT 工业烟气空气冷却器的设计和计算 杨如顺 何宏涛 吕忠明 田 源 (合肥水泥研 究设计 院环保工程 230051) 1 空气冷却器设计准则 1．5 根据传热面积 F进行冷却器的机械结构、布 置的设计。主要是设定冷却管 内、外流速 、直径 、壁 1．1 已知：热烟气的进、出口温度 t、t”；烟 气 量 厚、数量、高度、排列形式、冷却形式 、冷却风机压头、 G 。根据热平衡计算 公式 (A)计算出热烟气 需传 风量等参数值。 输的热量 Q 。 1．6 上述参数值设定后，可以根据雷偌准则等方程 公式 (A)：Q1一Gl·Cp ·(t一t1”) (J／s) 式计算出理论传热系数 “K ”值，若计算出的理论传 式中 G 一热烟气量 (kg／s)； 热系数 “K”值和先前假设 的传热系数”K”值误差 C。一烟气 比热I-j／(kg·℃)]； 小于 10％，表示冷却器 的机械结构、布置 的设计符 t 、t”一热烟气 的进 、出 口温度 (℃)。 合工艺 降温要求 ；否则 ，要重新假设 的传 热系数 1．2 假设 ：冷却气体的出口温度 t2o进 口温度 t” “K ”值 ，重复第 1．4、1．5、1．6步骤直至满足上述要 为已知的环境温度 ，计算出冷却气体的温差 △￡。 求为止。这就是通常所指的逼近计算方法。相邻两 由于冷却气体吸热量 Q。一热烟气需传输 的热 次假设的传热系数 “K””值差 “△K”就是逼近计算 量 Q ，再根据热平衡计算公式(B)计算 出需要 的冷 方法 中的 “步长”。 却气体量 G。。  公式 (B)：Q 一 G ·Cp ·(t2一 t2”)一 O2·C 2· 大 ，为此我们根据实 际模块和应用经验设计编制 了 At2 (J／s) 计算机应用软件 ，采用逼近计算方法，用计算机来摸 式中 G 冷却气体量 (kg／s)； 拟上述步骤进行计算 。这样 ，既能在极短的时间内 Cp一空气 比热 (J／(kg ·℃))； 逼近 “K”值 ，又能避免人工的复杂计算和出错。 f2”、￡2 冷却气体的进、出口温度 (℃)。 1．3 根据热烟气的进 、出 口温度 t 、t ”和冷却气 2 空气冷却器计算准则 体的进 、出口温度 t”、t以及冷却器的冷却形式等 内容计算出冷却器的传热温差 (温压) 。 首先 ，我们根据计算机逼近”K”值计算方法应 1．4 假设 ：传热系数”K”值。根据热平衡计算公式 用软件得 出的传 热面积 F 、冷却管 内／外流速、直 (c)计算出冷却器的传热面积 F。 径 、壁厚、数量 、高度 、排列形式、冷却形式、单台冷却 公式 (C)：Q— K ·F ·(t1一t2)一K ·F ·At 风机所需压头和风量等参数值进行冷却器的结构 、 (J／s) 布置的设计 、冷却风机的选型。 式 中 K 一冷却器传热系数 (W ／(m ·℃))； 其次，在 已知的工况条件下 ，根据 已确定的冷却 F一冷却器传热面积 (m )； 管参数值和冷却风机参数值计算出冷却器的实际传 T 一烟气流平均温度 (℃)； 热系数 “K”值和传热温差 (温压)At 。根据热平 T 。一冷却气流平均温度 (℃)； 衡计算公式 (c)：F— Q ／K · 计算 出已知工况 一 传热温差 (温压)(℃)。 实际所需的冷却器传热面积 F”。 一 28 — 水 泥 科 技 SCIENCEAND TECHNOLoGY 0FCEMENT 2013．№2 根据公式 (F)： rn。；定压 比热 C。一1．045kJ／(kg·℃)。 T 一(t+t1”)／2一 (450+ 140)／Z一 295℃ 烟气量计算公式(M)： 根据公式 (G)： G1一QN／p1：==254876／1．295—196815．44kg／h Q 一 (273+ Tg)×Q ／273一 (273+ 295)× 根据公式 (A)：Q 一G ·Cp ·(t一t”)： 254876／273—530291m。／h 196815．44×1．045×(450— 140)=：kJ／h) 根据公式 (H)： 式中 Q ——热烟气的标况风量 (Nm。／h)； 一 Qg／Fg／3600— 530291／15．258／36OO一 9． 01一 一烟气密度 (kg／m。)； 654m／s G ——热烟气的烟气量 (kg／h)； 式 中 ——冷却管内的平均温度 (℃)； Cp一一热烟气的定压比热 (kJ／(kg·℃))； Q 一一热烟气的标况风量 (Nm。／h)； t 、t”——热烟气的进、出口温度 (℃)。 t 、t”—— 热烟气的进 、出口温度 (oC)； 3．2．2．2 确定冷却风的出风温度 t 。 Fg——烟气通道的有效截面积 (m。)。 已知环境温度为 3O℃，单 台冷却风机风量为 3．2．1．3 确定采用管内受迫对流换热准则方程式 ； 332700m。／h。 公式 (I)：Nu=0．023Re。·P “(此时 12值取 0．4) 冷却风机总风量计算公式(N)： 雷若准则方程式 ；公式 (J)：Re=u· ／ Q冷=332700×4×273／(273十30)=1197720Nm。／h； 普郎特准则方程式 ；公式(K)：Pr=v／a 空气密度 D』。一1．2754kg／m。；定压 比热 C 一 努谢尔特准则方程式 ：公式 (L)：Nu—aC· 1．006kJ／(kg ·℃)。 式中 a一 对流放热系数 (w ／(m。·℃))； 根据公式 (B)： — — 烟气流体导热系数 (w ／(m ·℃))； Q2一 G2·C2·(f2一 t2”) “——烟气流平均速度 (m／s~； 所 以冷却风的出风温度 d——冷却器的冷却管内径 (m)； t2一 t2”+ Q1·p2／Q冷 ／Cp2—3O1． — — 流体运动粘度 (m。／s)； z754／11977zo／1．006—98℃ n——流体导温系数 (m ／s)。 式中 Qz===Q ==kJ／h~； 根据规则 ，当特征尺 寸取冷却管 内径 d一 Gz——冷却空气 的气量 (kg／h)； 81ram；定性温度取冷却管 内平均温度 Tg===295℃ Cp—— 空气的定压比热 (kJ／(kg·℃))； 时，烟气的密度 p一0．62355kg／m。；运动粘度 一 tz” 、 tz——冷却空气的进、出口温度 (℃)； 45．1595×10 rrl。／s；导热 系数 一4．7985×10 Q冷——冷却风机总风量 (Nm。／h)； w ／(M。℃)；普朗特数P一0．651。 pz——空气密度 (kg／m。)。 根据公式 (J)： 3．2．2．3 确定气体横向流过冷却管束时的对流换 Re=1,／·d／v=9．654×0．o8]／(45．1595×10 )=17316 热准则方程式 ： 根据公式 (I)： 公式 (O)：Nu= CRe”·Pr]／3当管束顺排时，c Nu一 0．023Re。’ ·P ：一 0．023× 17316。·。× 0． 值取 0．278； 值取 0．62。 651。·一0．023×2458．9974×0．84223— 47 ． 634 根据规则，当特征 尺 寸取 冷却 管外 径 d ：== 根据公式 (L)：Nu===0：1· ／A得 89ram；定性温度取冷却管外壁温度和冷却气流温 a1一Nu ·X／d一47．634×0．047985／o．081—28．219 度 的算术平均值一 (295+ (30+98)／2)／2—179℃ W ／(m。·℃) 时，运动粘度M 一32．41×10 ITI／s；导热系数 = 3．2．2 确定冷却空气对冷却管外壁 的对流传热系 3．748×10 w／(m ·℃)；普朗特数P 一0．68。 数 a2。 计算公式(P)： 3．2．2．1 确定热烟气需传输 的热量 Q1。 QN一254876Nm。／h；烟气密度 J01=1．295kg／ 水 泥 科 技 2O13．№ 2 SCIENCEAND TECHN0L0GY 0FCEMENT 。 。 一 Q 冷／S冷风来风面积／3600— 1197720× (273+ (W ／(m2·℃))； 30)／273／lO．7／12．4／3600—2．783m／S；S1一 S2— a 。— — 冷却空气对冷却管外壁的对流传热 1．5d一 133．5ram 。 系数 (w ／(m2·℃))； 计算公式 (Q)： — — 钢管导热系数 (w ／(m ·℃))； “ 一 。。·S ／(S ～ d)一2．783×133．5／(133． d。——冷却管外径 (m)； 5—89)一8．349m／S。 d——冷却管 内径 (m)。 根据公式 (J)： 3．2．4 确定冷却器的实际传热温差 (温压)At。 Re一 “ ·d／／4—8．349×0．o89／(32．41×lO ) 3．2．4．1 当热烟气和冷却空气逆向流动时传热温 一 22926．9 差 (温压)At值的计算 。 根据公式 (O)： △t，一t1一t2”；At”一 t1”一t2。式 中 tl一 Nu— CRe“·P ／。一 0．278× 22926．90．62× 0． 450℃ ；t2”一98℃ ；t1”一 140℃ ；t2一3O℃ 。 681／3 At一 450— 98— 352℃ 一 △t… ；△t”一 140— 3O一 ===0．278×505．143×0．8794— 123．489 110℃ 一 △t 根据公式 (I)： 由于 △t… ／At…一352／110—3．2 1．7(标 准 Nu= ·d／x得 a2一 Nu · ／d=123．489× 值)，按规定△t 只能取对数平均温差即 0．O3748／O．089—52W ／(m 。℃) 计算公式(s)： 式 中 a——对流换热系数cw ／(m。·℃))； 一 ( 一 …)／ln( … ／ …)一242／ln — — 冷却气流导热系数 (w ／(m ·℃))； 3．2—242／1．1632—208℃ — — 冷却气流来风速度 (m／s~； 式中 t。”、t——冷却空气的进 、出口温度 (℃)； “…——管束问冷却气流速度 (m／s)； t 、t”——热烟气的进 、出口温度 (℃)； d——冷却器的冷却管外径 (m)； — — 传热温差 (℃)； — — 冷却气流运动粘度 (m ／s)； — — 小传热温差 (℃)。 S 、S ——冷却管束来风 、纵向间距 (m)。 3．2．4．2 当热烟气和冷却空气垂直流动 (错流)时 3．2．3 确定冷却器的实际传热系数 “K ”值 。 传热温差 (温压) 值的计算。 由于冷却器 的冷却管采用 内径 81ram，壁厚 错流时传热温差 (温压)计算公式 (T)： 4ram 的冷拔无缝钢管，故适用于以冷却管外壁面积 一 A · 为计算传热面积的管壁传热系数 “K”值计算准则 计算公式(U)：R=(t--t”)／(t”一t2)：31o／68=4．56； 方程式 ： 公式 (R)： 计算公式(V)：P一(t2”一t2)／(t1 t2)：68／42O=O．16 K ===1／((1／a ) ·(d。／d1)+ (d。／ ) · (d 根据 R、P值查表得：正系数 为 0．92 。 ／／d )+1／a ) 根据公式 (T)： 一208×0．92—191℃ 已知 ： 式中 ——修正系数 ； a1===28．219W ／(m2·℃)；a2—52w ／(m2·℃)； 导热系数 t ” 、 t。——冷却空气的进 、出口温度 (℃)； 一 4ow ／(m2℃)；do一0．089m；d1—0．081m。 t 、t”——热烟气的进、出口温度 (℃)； 根据公式 (R)： — — 逆向流动时传热温差 (℃)。 K 一1／((1／28．219)×(0．o89／o．081)+ (0．o89／ 3．2．5 确定已知工况实际所需的冷却器传热面积F”。 40)×In(0．089／／o．081)+ 1／52)一1／(0．03894+ 根据公式 (C)：Q—K ·F · ； 0．002225×ln1．099十0．01923)一16W ／(m ·℃) F”一 Q／K／△￡ ／e一63760O00／16／191／3．6—5796 式中 a一热烟气对冷却管 内壁的对流放热系数 rn。 ，e取 3．6(1W一 3．6kJ／h) ～ 32 一 水 泥 科 技 SCIENCEAND TECHNOLoGY 0F CEMENT 式中 e——热量瓦焦转换系数； p一热烟气密度 kg／m。)； K——冷却器 的实际传热系数 (w ／(rn 3．2．8．2 管束进 口通过阻力计算公式(x)：Pb=￡ · ℃ ))； 2 · “22 ·p 2 ／2—1．6×12．3×12．3×O．491／2—60Pa — — 错流时传热温差 (℃)。 式中 ￡ —— 阻力系数； 3．2．6 确定根据计算机逼近 “K”值计算方法应 。— — 热烟气风速 m／s； 用软件得出的冷却器传热面积 F。 JD。——热烟气密度 (kg／m。)。 根据计算公式 (D)： 3．2．8．3 冷却管束通过阻力计算公式 (Y)：Pc=L F 一 ·D ·L ·N 一 7c×0．085× 12．4×2916— · ( ／ )· 3 ·J03／2 9655rn 或查管道单位长度摩擦阻力表 Pc=155Pa 式 中 兀一圆周率 ； 式中 一圆形风管摩擦阻力系数 ； D——冷却器 的冷却管 内外径算术平均值 “。——热烟气风速 (m／s)； (m)； p。——热烟气密度 (kg／m。)； L——冷却器的冷却管高度 (m)； d——冷却器的冷却管内径 (m)； N——冷却管数量 (根)。 L——冷却器的冷却管高度 (m)。 由于传热面积 F”的计算是以实际需求 的冷却 3．2．8．4 冷却管束出口通过阻力计算公式 (X)： 风量 Q需为依据的；传热面积 F 的计算是以选定的 Pd= ￡ · 。·p4／2—1．1×7×7×O．869／2— 冷却风机总风量 Q风机为依据 的，所 以，冷却器的 23Pa 降温保 险系数公式 (E)：△_一 (F—F”)／F”一 式中 ￡ 一阻力系数； (9655—5796)／5796—0．66远大于 0．4，说明该冷却 一 热烟气风速 (m／s)； 器传热面积 比较富裕 ；同时冷却风机总风量 Q风机大 p 一热烟气密度 (kg／m。)。 于工况对冷却风总风量 Q需的需求 。 3．2．8．5 通过冷却器 出口阻力计算公式(x)： 3．2．7 确定冷却器冷风通过阻力 P：值 。 Pe= 5·“5 ·5／2=1．2×13．3×13．3×0．869／2：93 公式 (W)： Pa P2一 ￡ · 2 ·CN ·p／2—1．15×8．349×8． 式 中 ￡ 一阻力系数； 349×4．51×1．O45／2—189Pa “一热烟气风速 m／s； 式中 ￡ 一阻力系数 ； ID一热烟气密度 (kg／m。)； C ——冷风方向管束修正系数 ； 3．2．8．6 热烟气通过冷却器总阻力 P=P +P — — 管束间冷却气流风速 m／s； +P + Pd+ P =95+60+155+23+93=426Pa。 p 空气密度 (kg／m。)。 3．3 结论 选定的冷却风机压头为 194Pa P ，说 明该 冷却风机的选型对空气冷却 的设计是非常重要 冷却器选定的冷却风机压头大于工况对冷却风动力 的，它 的选用 原 则 是 ：选定 的冷却 风 机总风 量 Q 的需求 。 风机 Q需，同时冷却风机压头 P。并要满足工艺 3．2．8 确定热烟气通过冷却器进 口阻力 Pa、通过 对冷却风机总功率、布置尺寸等参数的要求 。 冷却管束进 口阻力 P 、通过冷却管束阻力 Pc、通过 本例中Q需一4×284122—1136488m。／h；P2— 冷却管束出口阻力 P 、通过冷却器 出口阻力 Pe以 189Pa；总功率===4×37—148kw。当然 ，只要满足 及冷却器总阻力 P 。 上述条件就完全可 以使用任何 品种、形式的轴流风 3．2．8．1 冷却器进 口通过阻力计算公式(x)： 机作为该冷却器的冷却风机 。轴流风机 台数 N pa=￡1·“1 ·J01／2=1．2x18×18×0．491／2=95Pa Q需／单台轴流风机风量 。 式中 ￡ 一阻力系数 ； 通过计算说 明，我们设计 的印尼窑头余风空气 U一热烟气风速 m／s； 冷却器的降温保险系数较大、该冷却器传热面积 比 一 33 一一 水 泥 科 技 SCIENCEAND TECHN0LOGY 0F CEMENT 较富裕 、选定的冷却风机总风量大于工况对冷风总 袋子 、排风机等免受高温侵害)，直至除尘器入 口温 量的需求 ，能满足用户生产使用要求 。 度满足要求 。当篦冷机余风温度低于滤料承受温度 该冷却器实现了智能控制 ：当篦冷机余风温度 (或设定温度)时，分组 、分步关闭冷风阀、冷却风机， 高于滤料承受温度 (或设定温度)时 ，分组、分步开启 直至除尘器人 口温度满足要求。这样既有效的保证 冷却风机，包括冷风阀(为安全起见，我们在冷却器 了收尘系统的正常运行，保护滤料 ，又限度的节 上安置了 自动温控掺冷风系统 ，一旦出现烟气异常 省了能源 ，延长了冷却风机和冷却器的使用寿命 。 超温或冷却风机故障，能保护下游设备如收尘器和 国家科学技术奖励办公室陈志敏副主任一行来合肥院调研 2013年 3月 13日，国家科学技术奖励办公室陈志敏副主任到合肥水泥研究设计院进行 国家科学技术 奖励工作调研 ，中国建材联合会科技工作部主任潘东晖、科技工作部主任助理魏从九、科技工作部工程师罗 宁陪同调研 。此次国家科学技术奖励办公室对建材行业部分研究设计 院所和企业集团进行调研考察，了解 对 国家奖的建议和意见 ，合肥水泥研究设计院是调研的站。调研组参观了我院的科技发展展览室 、实地 考察了我院产业园，召开 了交流会 。合肥院副院长兼总工程师包玮、副总工朱大来 、汪建环、科研设计管理部 部长袁益宁、院获国家科学技术奖励主要完成人代表 中亚建材装备总经理邓小林、机 电工程总经理 周啸等参加会议 。 包玮副院长代表合肥院对近年来取得的主要科技成果和科技成果产业化 的情况进行 了汇报，也对 国家 奖提出了建议。我院机 电工程总经理周啸汇报 了获奖成果对科技发展促进作用和产业发 展情况。 陈志敏副主任认真听取 了汇报后 ，做 了重要发言。他充分肯定了合肥 院的科技成果及其产业化所取得 的成绩 ，赞赏合肥院倡导的 “为用户提供系统解决方案”的理念和研发、设计 、产品、售后一体化 的服务方式 。 他说 ，此次调研 ，像合肥院这样有 60年发展史 的科研院所，在项 目研发和推广过程中遇到什 么困难 ，需要提 供哪些帮助都是我们所关心的。他强调说 ，听完汇报 ，感觉很振奋 ，水泥 、钢铁等基础性工业行业 ，发展轨迹 比较类似 ，技术相对成熟 ，但合肥院科技工作者务实肯干，在水泥行业发展的各个阶段都获得过国家科技奖， 取得 了很多成绩 。其特点是研究开发与企业 、与市场结合的紧 ，取得成果后深化研究与产业化结合的紧 ，产 业化的发展又为后续研究提供了保障。他希望 ，合肥院在做好技术创新的同时，要注重模式创新。 潘东晖主任表示 ，之所以调研站选择合肥水泥研究设计院，是因为合肥院的科技成果为水泥行业以 及相关领域的发展起到了支撑作用 ，有典型意义 。通过调研 ，建材联合会将汇总整理建议和意见 ，争取从 国 家层面给予更具体政策的支持 。 合肥水泥研究设计院荣获 “全 国质量诚信承诺优秀企业称号 为了进一步推动企业强化质量诚信意识 ，促进企业提高质量诚信 自律的能力 ，引导企业承诺质量安全责 任 ，督促企业履行质量和服务诚信承诺 ，切实维护消费者合法权益，中国质量检验协会组织开展了“质量和服 务诚信承诺优秀企业”评审和专题宣传活动。我院在此次活动 中荣获了 “全 国质量诚信承诺优秀企业”称号， 并有 “水泥粉磨系统装备、热工系统装备、计量输送装备、环保设备”等系列产品被评为 “全国质量检验稳定合 格产品”。 34

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