管式加热炉-第五节-辐射室的传热计算课件.ppt

1、第第5 5节节辐射室的传热计算辐射室的传热计算 5.1 5.1 辐射室的设计计算辐射室的设计计算 5.2 5.2 辐射室的校核计算辐射室的校核计算 5.3 5.3 关于辐射室操作的几点说明关于辐射室操作的几点说明5.1 5.1 辐射室的设计计算辐射室的设计计算5.1.1 5.1.1 辐射管表面热强度辐射管表面热强度q qR R 5.1.2 5.1.2 辐射管表面积辐射管表面积A ARtRt 5.1.3 5.1.3 辐射管管外径辐射管管外径d dO O及管心距及管心距S S1 1 5.1.4 5.1.4 辐射室或炉膛尺寸辐射室或炉膛尺寸5.1.5 5.1.5 遮蔽管遮蔽管 炉管：炉管：外径外径d

2、 dO O，内径，内径d di i，管心距，管心距S S1 1，管子数，管子数n n；结构尺寸：结构尺寸：炉膛直径炉膛直径D D，节圆直径，节圆直径DD，有效辐射长度，有效辐射长度L Lefef；设计计算解决的问题包括：设计计算解决的问题包括：5.1.1 5.1.1 辐射管表面热强度辐射管表面热强度q qR R 定义：定义：单位时间内通过每平方米炉管表面积所传递的热量单位时间内通过每平方米炉管表面积所传递的热量 RtRRAQq/讨论：讨论：Q QR R一定（一定（Q QR R=70=7080%Q80%Q），），q qR R A ARtRt基建投资费用基建投资费用；A Artrt相同，相同，q

3、qR R 生产能力生产能力;v热强度热强度q qR R的大小标志着炉子传热面积的高低的大小标志着炉子传热面积的高低 v容许热强度容许热强度 5.1.1 5.1.1 辐射管表面热强度辐射管表面热强度q qR R 影响因素：影响因素：被加热介质的热稳定性：被加热介质的热稳定性：包括介质的热稳定性、油品芳香烃含量、被包括介质的热稳定性、油品芳香烃含量、被 加热介质的流速加热介质的流速选用炉管的材质选用炉管的材质 炉管受热的不均匀性炉管受热的不均匀性 5.1.2 5.1.2 辐射管表面积辐射管表面积A ARtRt RRRRtqQqQA/%)8070(/iLvIIeeImQ)1(5.1.3 5.1.3

4、辐射管管外径辐射管管外径d do o及管心距及管心距S S1 1 d dO O的设计：的设计：由管内冷介质流速由管内冷介质流速u u：3600/.4.2WdNuiNuWdi301式中：式中：W W管内介质流量，管内介质流量，kg/hkg/h；N N管程数，一般不用奇数；管程数，一般不用奇数；管内介质在管内介质在2020的密度，的密度，kg/mkg/m3 35.1.3 5.1.3 辐射管管外径辐射管管外径d do o及管心距及管心距S S1 1 d dO O的设计：的设计：讨论：讨论：a.u,da.u,di i，对流传热系数，对流传热系数i i，有利于，有利于传热；但传热；但 u,Pu,P；b.

5、db.do o=d=di i+2+2（管外径（管外径 =管内径管内径 +2+2壁厚），壁厚），壁厚根据压强选定，一般为壁厚根据压强选定，一般为6 612mm12mm，然后参，然后参照国产炉规格选定。照国产炉规格选定。5.1.3 5.1.3 辐射管管外径辐射管管外径d do o及管心距及管心距S S1 1 S S1 1的设计：的设计：v增大增大S S1 1 ，可使炉墙一面的炉管表面达到较大的，可使炉墙一面的炉管表面达到较大的局部热强度，从而改善炉管沿圆周方向的受热不局部热强度，从而改善炉管沿圆周方向的受热不均匀性，也就提高了炉管表面的平均热强度；均匀性，也就提高了炉管表面的平均热强度；v管心距一

6、般在管心距一般在1.81.82.252.25d do o之间，推荐使用之间，推荐使用2 2d do o5.1.4 5.1.4 辐射室或炉膛尺寸辐射室或炉膛尺寸 炉膛的高度：炉膛的高度：高径比炉管的有效长度与中心节圆直径之比高径比炉管的有效长度与中心节圆直径之比 国外：国外：2.52.53.03.0，国内：，国内：1.71.72.5 2.5 确定：确定：efoRtLdnA1SDn12/SLdDAefoRt取取 L Lefef=(1.7=(1.73.0)D3.0)D oRtdASD21)5.27.1(5.1.4 5.1.4 辐射室或炉膛尺寸辐射室或炉膛尺寸 炉管根数炉管根数n n：所需炉管总数所需

7、炉管总数n n应为：应为：efoRtLdAn但实际的炉管根数应选为管程数但实际的炉管根数应选为管程数N N的整数倍的整数倍5.1.4 5.1.4 辐射室或炉膛尺寸辐射室或炉膛尺寸 炉膛的直径炉膛的直径D D：根据实际炉管数算出中心节圆直径根据实际炉管数算出中心节圆直径D D，再加上，再加上2 2倍的管中心至炉壁的距离（一般距离取倍的管中心至炉壁的距离（一般距离取1.51.5d do o），），即为实际炉膛的直径。即：即为实际炉膛的直径。即：D=D+1.5dD=D+1.5do o2=D+3d2=D+3do o5.1.5 5.1.5 遮蔽管遮蔽管 v无反射锥的空心圆筒炉中对流室下部的第一排管无反射

8、锥的空心圆筒炉中对流室下部的第一排管 v其表面积和当量冷平面面积应分别计入辐射管的其表面积和当量冷平面面积应分别计入辐射管的面积和当量冷平面内面积和当量冷平面内 v烟气对遮蔽管的角系数令其等于烟气对遮蔽管的角系数令其等于1 1 5.2 5.2 辐射室的校核计算辐射室的校核计算 5.2.1 5.2.1 存在的问题存在的问题 5.2.2 5.2.2 计算方法计算方法 5.2.3 5.2.3 罗伯依万斯罗伯依万斯(Lobo-Evans)(Lobo-Evans)法法 传热速率方程式传热速率方程式 5.2.1 5.2.1 存在的问题存在的问题a.a.辐射室内的燃料燃烧机理尚不清楚；辐射室内的燃料燃烧机理

9、尚不清楚；b.b.发热面即烟气的温度、组成处处不同，即：发热面即烟气的温度、组成处处不同，即：g g=f(P=f(PCO2CO2，P PH2OH2O，L L，T Tg g)，P PCO2CO2，P PH2OH2O=f(r=f(r，Z Z，)，T Tg g=f(r=f(r，Z Z，)；c.c.吸热面为一灰表面，炉管管壁温度与管内油品吸热面为一灰表面，炉管管壁温度与管内油品温度有关，且处处不同；温度有关，且处处不同；d.d.吸热面不连续，炉墙有反射作用吸热面不连续，炉墙有反射作用 5.2.2 5.2.2 计算方法计算方法v经验方法：威尔逊经验方法：威尔逊罗伯霍特尔计算式罗伯霍特尔计算式 v理论方法

10、理论方法罗伯伊万斯方法罗伯伊万斯方法别洛康法别洛康法区域法区域法热流量法热流量法蒙特卡洛法蒙特卡洛法 5.2.3 5.2.3 罗伯依万斯罗伯依万斯(Lobo-Evans)(Lobo-Evans)法法 传热速率方程式传热速率方程式特点：特点：只能计算辐射传热量只能计算辐射传热量Q QR R及烟气离开辐射室的温及烟气离开辐射室的温度度T Tg g；不能得到烟气的温度分布及热强度分布；不能得到烟气的温度分布及热强度分布；不适用于高径比不适用于高径比LefLef/D3/D3的情况；的情况；适合于纯加热或热强度分布较均匀的加热炉。适合于纯加热或热强度分布较均匀的加热炉。基本假定：基本假定：T Tmaxm

11、ax T Tg g T Tg gTTR R T Tt t基本假定：基本假定：烟气在炉膛内的有效辐射温度烟气在炉膛内的有效辐射温度T Tg g等于烟气离开辐等于烟气离开辐射室温度射室温度T Tg g(烟气在炉膛内充分混合，各处温度相等，烟气在炉膛内充分混合，各处温度相等，且等于烟气出口温度且等于烟气出口温度)；将炽热的烟气与火焰看作一发热面，将管排看作将炽热的烟气与火焰看作一发热面，将管排看作一吸热面，管壁温度为管内介质平均温度加上一吸热面，管壁温度为管内介质平均温度加上5050；对流给未敷设炉管炉墙的热量等于其散热损失，对流给未敷设炉管炉墙的热量等于其散热损失，从辐射的角度将炉墙看成一全反射面

12、；从辐射的角度将炉墙看成一全反射面；简化为：简化为：在有反射面的情况下，一个发热面与一在有反射面的情况下，一个发热面与一个吸热面之间的传热。个吸热面之间的传热。传热速率方程式：传热速率方程式：两黑表面间的辐射换热两黑表面间的辐射换热：424112)100()100(67.5TTAQef引入引入F F，辐射室内的辐射传热速率，辐射室内的辐射传热速率Q QRrRr为：为：44)100()100(67.5tgefRrTTFAQ式中：式中：T Tg g、T Tt t烟气和管壁的平均温度，烟气和管壁的平均温度，K K；A Aefef烟气对管排的有效辐射面积，烟气对管排的有效辐射面积，m m2 2；F F

13、总辐射交换因数。总辐射交换因数。传热速率方程式：传热速率方程式：辐射室内的对流方式传热速率辐射室内的对流方式传热速率Q QRCRC为：为：式中：式中：RCRC对流给热系数，对流给热系数，W/(mW/(m2 2.K).K)；A ARtRt辐射管外表面积，辐射管外表面积，m m2 2。)(tgRtRCRCTTAQ传热速率方程式：传热速率方程式：取取RCRC=11.36W/(m=11.36W/(m2 2K)K)；F=0.57F=0.57；A ARtRt2A2Aefef。而当量冷平面面积而当量冷平面面积A Aefef=A=ACPCP代入上式，则：代入上式，则：其中：其中：烟气对管排的角系数；烟气对管排

14、的角系数；A ACPCP管排所占据的全部面积（包括管间空隙面积），管排所占据的全部面积（包括管间空隙面积），或称为或称为冷平面面积冷平面面积)(40)(57.0236.11tgCPtgCPRCTTFATTFAQ传热速率方程式：传热速率方程式：辐射室中总的传热速率辐射室中总的传热速率Q QR R为：为：可以看出：可以看出：故辐射室的传热速率方程式为：故辐射室的传热速率方程式为：)(40)100()100(67.544tgtgCPRCRrRTTTTFAQQQ)(40)100()100(67.544tgtgCPRTTTTFAQFAQCPR=f(T=f(Tg g，T Tt t)传热速率方程式中各参数的

15、确定：传热速率方程式中各参数的确定：冷平面面积冷平面面积A ACPCP及烟气对管排的角系数及烟气对管排的角系数：v冷平面面积冷平面面积A ACPCP是指管排所占据的全部面积：是指管排所占据的全部面积：efefoCPLnSLdSnA11)1(v烟气对管排的角系数烟气对管排的角系数是烟气辐射给管排的能量所占烟是烟气辐射给管排的能量所占烟 气辐射总能量的分率气辐射总能量的分率,与管排的排列方式（单排或双与管排的排列方式（单排或双 排）、管排的受热方式（单面或双面）、管排的排列密排）、管排的受热方式（单面或双面）、管排的排列密 度（度（S S1 1/d/do o）有关。）有关。传热速率方程式中各参数的

16、确定：传热速率方程式中各参数的确定：总辐射交换因素总辐射交换因素F:F:F F是用来修正由于模型偏差而进行修正的参数：是用来修正由于模型偏差而进行修正的参数：1111FtFRtggCPRgFAA1.111传热速率方程式中各参数的确定：传热速率方程式中各参数的确定：总辐射交换因素总辐射交换因素F:F:FAAAAAADDLATPLFigPcPRcPRcPcPForPFigPefgFigPgOHCOFigPmTabPBT457374847371447372247737646737537337.4222炉子结构管排结构炉子结构管排结构炉型和结构传热速率方程式中各参数的确定：传热速率方程式中各参数的确定

17、：烟气的黑度烟气的黑度g g：g g=f(CO=f(CO2 2和和H H2 2O O的组成，炉膛的形状和大小的组成，炉膛的形状和大小,T Tg g，T Tt t)与其分压成正比与其分压成正比取决于燃烧时的取决于燃烧时的计算：计算：由由查图查图7-46(7-46(P375)COP375)CO2 2和和H H2 2O O的分压之和的分压之和 查表查表7-7(P375)7-7(P375)不同形状气体层的平均辐射长度不同形状气体层的平均辐射长度 T Tg g查图查图7-47(7-47(P376)P376)g g 传热速率方程式中各参数的确定：传热速率方程式中各参数的确定：管壁温度管壁温度T Tt t：

18、管壁温度与辐射管的热强度、管内介质的温度、管内管壁温度与辐射管的热强度、管内介质的温度、管内对流传热膜系数、管壁的热阻以及管壁的结垢情况有关。对流传热膜系数、管壁的热阻以及管壁的结垢情况有关。50221tt对于纯加热炉，取对于纯加热炉，取)%)(8070(1221式中：式中：1 1管内介质在辐射室入口的温度，管内介质在辐射室入口的温度，1 1，2 2分别为管内介质在对流室入口和辐射室分别为管内介质在对流室入口和辐射室 出口的温度，出口的温度，。热平衡方程式：热平衡方程式：gLRlBqBqQBQ)(gLlRqqQBQ或或改写成与速率方程式相同的形式：改写成与速率方程式相同的形式：FABQQqQq

19、FAQCPllglLCPR)1(式中：式中：)%31(lLQqq qg g=f(t=f(tg g，)，一定时，一定时，q qg g=f(t=f(tg g)代入上式：代入上式：FABQQtfFAQCPllgCPR)()%31(1式中只有式中只有Q QR R和和t tg g是求解的未知数是求解的未知数 图解法确定辐射室图解法确定辐射室Q QR R和和t tg g：假定一个假定一个t tg g，查图得到，查图得到q qg g/Q/Ql l，带入热平衡方程式，得，带入热平衡方程式，得到一个到一个Q QR R/A/AcPcPF F，在图，在图7-427-42上找到一点；上找到一点；如果该点落在传热速率曲

20、线的左上方，则再假设一个如果该点落在传热速率曲线的左上方，则再假设一个t tg g，使，使t tg g=t=tg g+（100100200200），重新计算，重新计算(Q QR R/A/AcPcPF F)，使第二点落在曲线的右下方；，使第二点落在曲线的右下方；连接上述两点，连线与曲线交点的坐标连接上述两点，连线与曲线交点的坐标(t(tg g，Q QR R/A/AcPcPF F)即为所求：即为所求：FAFAQQCPCPRR.图解法确定辐射室图解法确定辐射室Q QR R和和t tg g：5.3 5.3 关于辐射室操作的几点说明关于辐射室操作的几点说明 5.3.1 5.3.1 强化辐射室内传热过程的

21、措施强化辐射室内传热过程的措施 5.3.2 5.3.2 辐射室热负荷改变如何调节辐射室热负荷改变如何调节 5.3.3 5.3.3 炉管被烧弯的原因炉管被烧弯的原因5.3.1 5.3.1 强化辐射室内传热过程的措施强化辐射室内传热过程的措施降低过剩空气系数降低过剩空气系数增加燃料用量增加燃料用量B B加强加热炉的保温措施加强加热炉的保温措施 5.3.2 5.3.2 辐射室热负荷改变如何调节辐射室热负荷改变如何调节 若小范围的变化可以采用改变燃料用量的方若小范围的变化可以采用改变燃料用量的方法，若辐射室热负荷变化较大，则应考虑从增加法，若辐射室热负荷变化较大，则应考虑从增加辐射室的炉管表面面积的方法来进行调节，采用辐射室的炉管表面面积的方法来进行调节，采用此方法的同时应考虑增加火嘴的个数或改用喷油此方法的同时应考虑增加火嘴的个数或改用喷油能力更大的火嘴，还要注意火嘴的分布问题。能力更大的火嘴，还要注意火嘴的分布问题。5.3.3 5.3.3 炉管被烧弯的原因炉管被烧弯的原因 炉管表面热强度太大；炉管表面热强度太大；火烧偏了，火焰舔炉管；火烧偏了，火焰舔炉管；炉管内部结焦，使炉管管壁温度升高，炉管内部结焦，使炉管管壁温度升高，致使炉管变弯。致使炉管变弯。