加热炉辐射室传热计算

1、任务任务的复杂性的复杂性辐射室传热辐射室传热第四章第四章 辐射室传热计算辐射室传热计算传热计算确定辐射室热负荷传热计算确定辐射室热负荷烟气出辐射室的温度烟气出辐射室的温度结构尺寸的计算结构尺寸的计算烟气流动方向上有温度梯度烟气流动方向上有温度梯度整个炉膛内的烟气温度不均匀整个炉膛内的烟气温度不均匀甚至炉膛内各点烟气温度都不同甚至炉膛内各点烟气温度都不同各处管壁的温度是不可能相等的各处管壁的温度是不可能相等的暴露炉墙接受热量、给管排反射暴露炉墙接受热量、给管排反射热量、还向大气散热损失热量热量、还向大气散热损失热量计算方法计算方法辐射室传热辐射室传热经验公式法经验公式法 威尔逊、罗伯和霍特尔计算

2、式威尔逊、罗伯和霍特尔计算式理论分析法理论分析法 罗伯罗伯-依万斯依万斯 法、别洛康法、别洛康法、法、 巴赫希杨法、蒙特卡罗法、网巴赫希杨法、蒙特卡罗法、网 络模拟法、热流量法等络模拟法、热流量法等辐射室传热模型辐射室传热模型tggtRtwt对流对流wt管排管排炉墙炉墙烟气烟气gtRt反反射射散热散热辐射辐射辐射辐射对流对流 4-1 罗伯罗伯- -依万斯法依万斯法一个气体一个气体 烟气温度一致烟气温度一致 ，并与辐射，并与辐射 室的烟气出口温度相等。室的烟气出口温度相等。一个受热面一个受热面 管排，平均温度管排，平均温度一个反射面一个反射面 暴露炉墙，温度相同暴露炉墙，温度相同罗伯罗伯-依万斯

3、法的基本计算式依万斯法的基本计算式4 4w w4 4g gc cp pR Rr r1 10 00 0T T1 10 00 0T TF FA A5 5. .6 67 7Q QRcRcRrRrR RQ QQ QQ Q速率方程式速率方程式辐射室的传热辐射室的传热辐射传热速率辐射传热速率对流传热速率对流传热速率辐射室的传热速率方程式辐射室的传热速率方程式衡方程式衡方程式辐射室热平辐射室热平) )T T( (T TA Ah hQ Qw wg gt tR RR Rc cR Rc c) )T T(T(TA Ah h100100T T100100T TF FA A5.675.67w wg gt tR RRcR

4、c4 4w w4 4g gcpcpg gL LR Rs sf fa an nBqBqBqBqQ QBqBqBqBqBqBqQ Qg gL Ls sf fa an nR RB Bq qB Bq qB Bq qB Bq qB Bq qQ QQ Q 联立求解辐射室的传热速率方程式和热平衡方程联立求解辐射室的传热速率方程式和热平衡方程式即可得到辐射室热负荷和烟气出辐射室温度。式即可得到辐射室热负荷和烟气出辐射室温度。传热速率方程式中各参数及其计算传热速率方程式中各参数及其计算 烟气对管排的角系数烟气对管排的角系数 冷平面面积冷平面面积 cpcpA Ae ef fo o1 1e ef fc cp pL

5、Ld dS SL L1 1) )( (n nA A炉管数量较多时炉管数量较多时当量冷平面当量冷平面总辐射交换因素总辐射交换因素 引用了霍特尔推导的结果：引用了霍特尔推导的结果：1 1e ef fc cp pS Sn nL LA Ac cp pA A F F) )T T5 5. .6 67 7A AF F( (T TQ Q4 4w w4 4g g1 11 11 11 1F FF Ft tRCRCg gg gR Rg gF F1 11 11 11 1A AA A1 1管心距/管外径平均角系数R RC Cg gg gc cp pR Rg gF F1 11 11 11 1A AA A1 1 吸热面为管

6、排时吸热面为管排时Fg cpRAA cpRAAcpRAA g =f ( , )F 管外壁温度管外壁温度i io oc cp ps si ii ic cp pw wd dd d) )q qR Rh h1 1( (t t) )( (2 21 12 21 1c cp p 当管外表面温度低于当管外表面温度低于500时，可以将管内介质的平均时，可以将管内介质的平均温度加上温度加上3060作为管壁作为管壁外表面的温度进行计算。外表面的温度进行计算。 辐射室内烟气对炉管表面的对流传热系数辐射室内烟气对炉管表面的对流传热系数 辐射室中，对流传热所占的比例一般为辐射室中，对流传热所占的比例一般为10%15%，可

7、以作一些简化。罗伯，可以作一些简化。罗伯-依万斯建议取依万斯建议取 W/m2；戴维斯等则认为在自然通风时，可取为；戴维斯等则认为在自然通风时，可取为 W/m2；在强制通风时，可取为；在强制通风时，可取为15.93 W/m2。RCh36.11hRC 19.14 燃料总发热量燃料总发热量 空气、燃料、雾化蒸汽带入的热量空气、燃料、雾化蒸汽带入的热量 空气带入的热量空气带入的热量 燃料带入的显热为燃料带入的显热为 雾化蒸汽带入的显热雾化蒸汽带入的显热 离开辐射室烟气带走的热量离开辐射室烟气带走的热量 按图按图2-2、图、图4-5查出查出 辐射室炉墙对外散热损失辐射室炉墙对外散热损失 燃料总发热量的燃

8、料总发热量的13%lnBQQ )15.273T(CLqaa0a )15.273T(Cqfff )15.273T(CWqssss 热平衡方程式中各参数的计算热平衡方程式中各参数的计算返回返回传热速率方程式的处理：传热速率方程式的处理：对流传热速率部分对流传热速率部分) )T T( (T TA Ah hQ Qw wg gt tR RR Rc cR Rc c)TT()57.0F()A2(36.11wgcp )TT(FA40wgcp 罗伯罗伯-依万斯的图解法依万斯的图解法传热速率方程式可改写成传热速率方程式可改写成)TT(FA40100T100TFA67. 5Qwgcp4w4gcpR )TT(4010

9、0T100T67. 5FAQwg4w4gcpR cpRA/Q 仅是烟气温度仅是烟气温度Tg及炉管表面温度及炉管表面温度TW的函数，可的函数，可以作成如图以作成如图4-6 的曲线。的曲线。图图4-6热平衡方程式的处理热平衡方程式的处理:改写成改写成FABQ)QqQqQqQqQq1(FAQcpllglLlslflacpR g gL Ls sf fa an nR RB Bq qB Bq qB Bq qB Bq qB Bq qQ QQ Q 仅是出辐射室烟气带走热量仅是出辐射室烟气带走热量 的函数的函数, 而而 是出辐射室烟气温度的函数。在是出辐射室烟气温度的函数。在 对对 的的坐标图上标绘出来，它也近

10、乎一条直线。坐标图上标绘出来，它也近乎一条直线。FA/QcpR gqgqFA/QcpR gt图解的方法图解的方法 遮蔽管遮蔽管 遮蔽管的表面积和当量遮蔽管的表面积和当量冷平面面积应分别计入辐射冷平面面积应分别计入辐射管的面积和当量冷平面之内。管的面积和当量冷平面之内。遮蔽管的冷平面面积同样可遮蔽管的冷平面面积同样可用式（用式（4-7）计算。）计算。11)(4-2 别洛康法别洛康法特特 点点: 引入了当量绝对黑表面引入了当量绝对黑表面基本思路基本思路: 辐射室中辐射换热是由两个面积相等、辐射室中辐射换热是由两个面积相等、 相距极近、互相平行的相距极近、互相平行的绝对黑表面绝对黑表面之间进行的。之

11、间进行的。 其中一个平面的温度等于管壁的平均温度，它其中一个平面的温度等于管壁的平均温度，它 代表管排的作用；另一个平面的温度等于离开代表管排的作用；另一个平面的温度等于离开 辐射室烟气的温度，它代表火焰、烟气的直接辐射室烟气的温度，它代表火焰、烟气的直接 辐射作用。这种平面称为当量绝对黑表面辐射作用。这种平面称为当量绝对黑表面,两个两个 当量绝对黑表面间的辐射传热速率恰等于火焰、当量绝对黑表面间的辐射传热速率恰等于火焰、 烟气及炉墙对辐射管的辐射传热速率。烟气及炉墙对辐射管的辐射传热速率。传热速率传热速率方方 程程 式式 :热热 平平 衡衡方方 程程 式式 :RcRrRQQQ )TT(Ah1

12、00T100THCwpRtRc4w4pss R0pTpiiTlQ)TT()cm(BBQ 当量绝对黑表面，当量绝对黑表面，m2离开辐射室烟气的温度，离开辐射室烟气的温度，K烟气对辐射管的对流传热系数，烟气对辐射管的对流传热系数， W/m24wpRcTT8 . 1h 辐射室的有效率（考虑辐射室对外的散辐射室的有效率（考虑辐射室对外的散热损失），一般等于热损失），一般等于0.970.99 系统的起始温度系统的起始温度, K (是空气、燃料及雾是空气、燃料及雾化蒸汽带入的显热所折合的温度化蒸汽带入的显热所折合的温度)sHpTRchT oT 把炉膛空间中的烟气、耐火墙、炉管分成若干块，把炉膛空间中的烟气

13、、耐火墙、炉管分成若干块，并把每一块称为一个区，这些区足够小的话，每个区并把每一块称为一个区，这些区足够小的话，每个区内的温度、性质势必趋于相同。每个区在发射辐射能内的温度、性质势必趋于相同。每个区在发射辐射能的同时又接受来自其它各区的辐射能。的同时又接受来自其它各区的辐射能。 核心核心 交换面积交换面积表面区表面区 划分表面而形成的每一几何图形划分表面而形成的每一几何图形气体区气体区 划分烟气空间形成的每一几何图形划分烟气空间形成的每一几何图形管表面区管表面区 : 传递一定的热量给管内介质传递一定的热量给管内介质耐火墙表面区耐火墙表面区 : 传递一定的热量给周围介质传递一定的热量给周围介质燃

14、料燃烧区燃料燃烧区 : 接受一定量的燃烧热接受一定量的燃烧热气体区气体区: 传递一定的热量给管排传递一定的热量给管排4-3 区域法区域法 立式炉分区示意图立式炉分区示意图 圆筒炉分区示意图圆筒炉分区示意图 表面区表面区 j气体区气体区 i环形表面区柱面表面区环形表面区柱面表面区 环柱体气体区环柱体气体区分区方法分区方法:立式炉立式炉 把耐火墙表面或当量管表面划分成若干个正把耐火墙表面或当量管表面划分成若干个正 方形或长方形，把烟气空间划分为若干立方方形或长方形，把烟气空间划分为若干立方 体或长方体；体或长方体；圆筒炉圆筒炉 把侧墙和当量管表面划分为若干圆柱面，把把侧墙和当量管表面划分为若干圆柱

15、面，把 上下底耐火墙划分为若干环形和圆形，把烟上下底耐火墙划分为若干环形和圆形，把烟 气空间划分为若干圆柱体和环柱体。气空间划分为若干圆柱体和环柱体。蒙特卡罗法蒙特卡罗法 用分区把炉膛中从整体来看是不均匀的用分区把炉膛中从整体来看是不均匀的 物理量和性质视为局部均匀物理量和性质视为局部均匀核心核心 用能束来模拟发射、吸收、反射等实际过程，用能束来模拟发射、吸收、反射等实际过程， 统计每区能束的得失从而计算辐射热交换。统计每区能束的得失从而计算辐射热交换。 能束从发射开始直到最后被表面或气体吸收的全能束从发射开始直到最后被表面或气体吸收的全 部历程是由一系列随机数来决定的。这些随机数决定部历程是

16、由一系列随机数来决定的。这些随机数决定 其发射位置、方向、光谱区间、行程长度以及反射和其发射位置、方向、光谱区间、行程长度以及反射和 吸收。对能束进行跟踪，记录它自发射到被吸收的历吸收。对能束进行跟踪，记录它自发射到被吸收的历 程，并为吸收区记分，最后可以统计出系统中各区发程，并为吸收区记分，最后可以统计出系统中各区发 射和吸收能束数的多少，作为温度分布、热通量的计射和吸收能束数的多少，作为温度分布、热通量的计 算基础。算基础。4-4 蒙特卡罗法蒙特卡罗法(统计模拟法统计模拟法)第四章第四章 辐射室传热计算辐射室传热计算4-1 罗伯罗伯- -依万斯法依万斯法4-2 别洛康法别洛康法4-3 区域

17、法区域法4-4 蒙特卡罗法蒙特卡罗法(统计模拟法统计模拟法)4-5 辐射室表面热强度及主要结构尺寸的确定辐射室表面热强度及主要结构尺寸的确定4-5 辐射室表面热强度及主要结构尺寸的确定辐射室表面热强度及主要结构尺寸的确定辐射管表面积辐射管表面积辐射管表面热强度辐射管表面热强度: 选定辐射管表面热强度选定辐射管表面热强度辐射室的热负荷辐射室的热负荷 : 按全炉热负荷的按全炉热负荷的7080%来估计来估计 这三步就是为了得到辐射管表面积的数值这三步就是为了得到辐射管表面积的数值,进而计进而计算辐射室实际热负荷。待算出热负荷后，再用式算辐射室实际热负荷。待算出热负荷后，再用式检验炉管表面热强度是否合

18、适。若合适，则计算出的检验炉管表面热强度是否合适。若合适，则计算出的所有尺寸即为所求。所有尺寸即为所求。RRRtqQA RqRtRRAQq 影响辐射管表面热强度的因素影响辐射管表面热强度的因素被加热介质的热稳定性被加热介质的热稳定性 选用炉管的材质选用炉管的材质 计算出的辐射管热强度是一个计算出的辐射管热强度是一个平均值平均值，而实，而实际情况是当平均值尚未达到容许热强度以前，可际情况是当平均值尚未达到容许热强度以前，可能在个别炉管的局部表面，早已超过了容许热强能在个别炉管的局部表面，早已超过了容许热强度，甚至引起了炉管的鼓包或破裂。度，甚至引起了炉管的鼓包或破裂。 注意注意原因原因 炉管受热

19、不均匀炉管受热不均匀。一是沿管长方向受热不均。一是沿管长方向受热不均匀匀; 二是沿每根炉管的圆周方向受热不均匀。二是沿每根炉管的圆周方向受热不均匀。 热强度的不均匀系数：热强度的不均匀系数：炉管的平均热强度与最高炉管的平均热强度与最高热强度的比值。热强度的比值。推荐值推荐值 表表1-11-1列出了炼油厂中几种加热炉辐射管表列出了炼油厂中几种加热炉辐射管表面热强度与管内介质流速的推荐值。面热强度与管内介质流速的推荐值。返回辐射管管径及管心距辐射管管径及管心距 NuW301dFi 根据表根据表1-1选择一选择一个管内介质流速个管内介质流速u一般在一般在1.82.25 之间，推荐使用之间，推荐使用2

20、 odod管管径径管管心心距距辐射室（或炉膛）尺寸辐射室（或炉膛）尺寸 辐射管的有效长度和中心节圆直径的确定：辐射管的有效长度和中心节圆直径的确定：高径比高径比 炉管的有效长度与中心节圆直径的比值炉管的有效长度与中心节圆直径的比值1.72.5 efoRtLdnA 1SDn 1o2RtS2.571dDA).( .D5271Lef o2Rt1d5271ASD .圆圆 筒筒 炉炉DS1 炉膛高度炉膛高度 根据国产钢管规格（见根据国产钢管规格（见1-4-1节）选用合适的节）选用合适的管长。炉膛的高度应根据炉管采用何种支撑形式管长。炉膛的高度应根据炉管采用何种支撑形式来决定，一般应比炉管有效长度约高出来决定，一般应比炉管有效长度约高出1米左右。米左右。 炉管总数炉管总数efoRtLdAn 实际的炉管总数应选为管程数的整倍数实际的炉管总数应选为管程数的整倍数 炉膛直径炉膛直径 根据实际炉管数算出实际的中心节圆直径，根据实际炉管数算出实际的中心节圆直径，再加上两倍的管中心至炉壁的距离（一般距离取再加上两倍的管中心至炉壁的距离（一般距离取1.5），即为实际炉膛的直径。），即为实际炉膛的