张小军，赵华祺

(中国联合工程有限公司，浙江 杭州 310052)

随着全球气候变暖，人类生存的环境在不断的恶化，其中工业废弃物的排放越来越引起人们的重视，如何在发展经济的同时，控制好废弃物的排放，既不妨碍经济发展，又要保护好环境，是值得我们每一个人思考的问题。工业炉是工业生产中必不可少的加热设备之一，其在生产过程中势必会产生废弃物，尤其是燃天然气工业炉，在加热过程中一定会产生烟气，如何将烟气中直接排放的热量进行更好的吸收，使其转化为燃烧的辅助能量之一，做到节约能源，提升效能，真正做到绿色、环保，为优化环境作贡献，是值得研究的课题。

燃天然气工业炉在使用过程中，其排放的烟气温度接近于炉温，将排放的烟气中的热量通过空气预热器进行回收，从而提高预热空气的温度，提高热效率，是预热器设计工作的主要目的。

本文通过列管式预热器的设计计算举例和列管式预热器在某工程中的实际应用，来验证设计的合理性和科学性。

1 列管式预热器设计概述

管状预热器也可称为列管式预热器，主要作用为对流换热，可用来回收中、低温烟气的余热，通常在热处理炉、加热炉中应用广泛。管状预热器的钢管形状分圆管和扁管两种，钢管中有时装入插入件或扰流件以加强热量传递。预热器结构形式较多，有直形管、弯曲管、S形管、U形管，也可以采取集气箱方式连接[1]。

本文以中温热处理炉计算举例，采用集气箱式结构，预热器管束内壁厚度2 mm，管束外径50 mm，空气流速取10 m/s，烟气流速取2.5 m/s。被预热空气在管子内流动，烟气在管子外流动，综合传热系统一般为15～20 W/(m2·℃)，为了大幅度提高综合传热系数，在每根管束内部设置扰流件，同时为了提高寿命，扰流件采用1Cr18Ni9Ti材质。设计空气预热温度250 ℃，高温端管束采用不锈钢管材，低温端管束采用20#渗铝管材。

列管式预热器可采用两行程错、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。文中所述列管式预热器采用双行程逆流热交换型。

列管式预热器的各项性能指标如下：

(1)进预热器烟气温度620～650 ℃；

(2)空气预热温度200～250 ℃；

(3)烟气侧压力损失50～500 Pa；

(4)空气侧压力损失200～2 000 Pa；

(5)综合传热系数23 W/(m2·℃)；

(6)使用寿命≥8年。

2 列管式预热器的设计计算

2.1 原始数据及有关参数

图1 预热器结构形式简图

2.2 设计计算

预热空气所需热量

250-1.297 1×20)=1 941 395.4 kJ/h

(1)

不同温度下空气的比热容见表1。

表1 不同温度下空气的比热容

2.3 出预热器烟气温度

(2)

不同温度下烟气的比热容见表2。

表2 不同温度下烟气的比热容

2.4 对数平均温差

(3)

式中：△ts为预热器入口处烟气与空气的温差，℃；逆流时△ts=t′y-t″k=600-20=580 ℃；△tz为预热器出口处烟气与空气的温差，℃；逆流时△tz=t”y-t′k= 418-250=168 ℃；ψ为逆流时，ψ=1。

2.5 烟气侧传热系数

管束外径d1=50 mm，管束内径d2=46 mm，顺列排列，管子间距S1=90 mm，S2=110 mm，烟气流速ωy=2.5 m/s(标准)。

(4)

2.5.1 雷诺数Re

查《工业炉设计手册》附录表C-3，ν′=93.6×10-6m2/s，ν″=64.2×10-6m2/s

2.5.2 烟气侧对流换热系数

2.5.3 烟气侧辐射传热系数

辐射厚度

P(CO2)Sf= 8.5×0.169=1.436 kPa·m，查《工业炉设计手册》图2-20当烟气温度为600 ℃和422 ℃时，分别查得：

入口处ε(CO)2′=0.058；出口处ε(CO)2″=0.053

P(H2O)Sf= 16.5×0.169=2.788 kPa·m，查《工业炉设计手册》图2-21、图2-22分别查得烟气温度为600 ℃和422 ℃时的ε(H2O)及β值：

入口处ε(H2O)′=0.068；出口处ε(H2O)″= 0.08；β=1.16

设入口管壁温度为600 ℃，由《工业炉设计手册》图7-14查得辐射传热系数为

αf′=44.2 W/(m2·℃)

设入口管壁温度为430 ℃，由《工业炉设计手册》图7-14查得辐射传热系数为

αf″=13.8 W/(m2·℃)

烟气侧传热系数为

2.6 空气侧传热系数

取空气流速ωk=10 m/s(标准)，管子内径d2= 46 mm，查《工业炉设计手册》附录表中C-4，ν′=15.03×10-6m2/s，ν″=41.36×10-6m2/s

2.6.1 雷诺数Re

Re′、Re″均大于5 000，可按《工业炉设计手册》图7-15查得各参数αk0、c1、ct、cl的值。

2.7 综合传热系数K

2.8 预热器传热面积

式中：K为预热器平均综合传热系数，W/(m2·℃)；△td为对数平均温差，℃。

由于预热器在使用过程中存在积灰和气流分布不均匀等不利因素，适当将传热面积增大至75 m2。

2.9 预热器管束的排列

(1)管子每米长度的传热面积f。

0.150 7 m2/m

(2)所需管子总长度L。

(3)每根管子的空气流量vk。

(4)并列管子根数n。

(5)单管长度l。

(6)面对烟气横向管束列数y。

(7)面对烟气纵向管束列数x。

管束排列结果：双行程，单根管子长度1.56 m，管子总数为2×156=312根，横向13根，纵向12根。

(8)预热器外形尺寸。

管子距集气箱边缘b= 0.05～0.1 m，取b= 0.055 m。

预热器上部两集气箱中间采用钢板进行隔断，从而确保冷热空气不互相串流。

预热器有效高度(不含集气箱)为1.6 m。

预热器有效宽度B=(y-1)S1+2b=(12-1)×0.11+2×0.055=1.32 m

预热器有效长度L=2(x-1)S2+4b+a=2×(13-1)×0.09 + 4×0.055 +0.02=2.4 m

预热器管束排列及布置尺寸见图2。

图2 预热器管束排列及布置图(mm)

(9)预热器管壁温度tb。

(10)空气通道阻力。

总阻力h=hj+hm=262+3.86=265.86 Pa

式中：ωk为通道内空气流速，m/s(标准)；ρ为通道内空气密度，kg/m3(标准)；t′k、t″k为进、出通道的空气温度，℃；tp为通道内空气平均温度，℃；ξ1、ξ2为通道进口及出口局部阻力系数，对管状预热器一般取ξ1=2、ξ2=1。

(11)烟气通道阻力。

烟气为横向流过管束：

式中：ωk为管束最窄出空气流速，m/s(标准)；ξ为管束的阻力系数，根据管束排列方案及管子排数而定。

顺列管束的阻力系数ξ=ξ0Z=0.195×26=5.07

式中：ξ0为每排管子的阻力系数；当S1≤S2，及0.12≤φ≤1时

式中：Z为管子排数。

2.10 创建三维模型，构建装配件

根据以上计算数据，通过Unigraphics软件创建预热器管束、扰流片和外观的三维模型，并采用装配的模式进行单根管束的安装，再利用阵列命令制作出整排管束，最后制作出列管式预热器的结构图，并对装配图进行干涉检查和评估，见图3。

图3 预热器三维模型图

3 列管式预热器的实际应用

某公司在华东地区某中温台车式热处理炉上已经成功运用列管式预热器，当炉温为600 ℃时，预热空气温度为282 ℃，若随着炉温的提高，预热空气温度也将相应提高。实际应用情况见图4，相比传统的筋片式预热器，预热空气温度提高了约130 ℃，在同类型温度和炉型的情况下，节能效果十分显著。

图4 实际应用图

4 结 论

通过理论计算和实际应用，实践证明，列管式预热器的设计和实际应用相吻合，理论计算结果十分接近实际情况，预热空气温度超过设计温度，空气预热效果良好，说明列管式预热器的设计是科学合理的，可为今后在燃气型工业炉等工程应用提供参考和借鉴。