大型工业加热炉炉墙热损失模型的研究

大型工业加热炉炉墙热损失模型的研究

20世纪80年代末，中国开始广泛使用工业间接加热装置。加热炉是石化行业的主要能耗装置。其隔热效果没有精确、统一的评估标准和方法。GB4272-92《设备及管道保温技术通则》仅规定了常年运行和季节性运行热设备保温后的最大允许外壁温度和允许热流,而绝大多数企业也只是通过粗略的测试和估算来进行这方面的工作。因此,为更好地适应生产新形势的需要,须尽早制定出一套实用可靠的炉壁热损失计算方法。本文以工业间接式加热炉为研究对象,在工况稳定条件下,以燃料在炉膛燃烧产生的高温高速烟气加热传热介质的加热炉为例来说明炉壁热损失的计算方法。1数学模型1.1炉墙的温度场假设根据能量守恒定律,对于三维导热问题,在笛卡儿坐标系中导热微分方程的一般形式可以表示为:ρc∂t∂τ=∂∂x(λ∂t∂x)+∂∂y(λ∂t∂y)+∂∂z(λ∂t∂z)+Φ(1)ρc∂t∂τ=∂∂x(λ∂t∂x)+∂∂y(λ∂t∂y)+∂∂z(λ∂t∂z)+Φ(1)式中ρ——材料密度,kg/m3;c——比热容,J/(kg·℃);t——温度,℃;τ——时间,s;Φ——热流量(单位体积内热源的生成热),J/(m3·s);λ——导热系数,W/(m·℃)。炉墙的温度场计算非常复杂,特别是在炉墙内壁的高温区,由于温度变化比较剧烈,如果考虑炉墙材料物性随温度变化而有所变化,很难作出准确的计算。因此,为了简化计算作出基本假设:炉墙始终处在热平衡状态;温度场是稳态(炉墙材料导热系数和与流体对流传热系数不随温度变化)。根据以上所做的假设,炉墙为稳态无内热源状态,炉墙导热的微分方程式可简化为拉普拉斯方程:∂2t∂x2+∂2t∂y2+∂2t∂z2=0(2)∂2t∂x2+∂2t∂y2+∂2t∂z2=0(2)1.2炉墙材料导热系数加热炉通过炉墙壁面向外传热损失的热量,在内外介质温度保持不变的情况下,应该是一个恒定不变的量。由传热第三类边界条件确定,边界上物体与周围流体介质的表面传热系数h及周围流体的温度tf,此边界条件可表示为:-λ(∂t∂δ)w=h(tw-tf)=qW/m2(3)−λ(∂t∂δ)w=h(tw−tf)=qW/m2(3)式中λ——炉墙材料导热系数,W/(m·℃);δ——炉墙材料厚度,m;h——对流传热系数,W/(m2·℃);tw——炉墙壁面温度,℃;tf——流体温度,℃。1.3计算公共可靠性系数的方法1.3.1实验结果的计算通常情况下,炉墙外介质与炉墙通过对流进行换热,炉墙外空气与炉墙的对流换热系数是影响温度场的一个重要因素,对流传热系数表达式为:h=εΝuλlW/(m2⋅℃)(4)式中λ——流体导热系数,W/(m·℃);l——构件几何尺寸的特征长度,m;Nu——努塞尔数;ε——修正系数。由于炉墙与空气的对流换热属于大空间内的自然对流换热,Nu是格拉晓夫数Gr和普朗特数Pr的函数,计算Nu的实验关联式为:Nu=C(GrPr)n(5)对于符合理想气体性质的气体,格拉晓夫数Gr中的体积膨胀系数α=1/T,在自然对流关联式中,通常定性温度采用边界层的算术平均温度tm=(t∞+tw)/2的方案,t∞指未受壁面影响的远处的流体温度。Gr中的特征长度的选择方案通常为:竖壁和竖圆柱取高度;横圆柱取外径。1.3.2平均温度计算的随机应变系数见表1在炉墙内部烟气与炉墙壁面的对流换热属于炉墙内强制对流换热。烟气纵向冲刷受热面时对流传热系数的计算表达式:hd=0.023λddl(wyddlν)0.8Ρr0.4CiClε(6)式中λ——烟气在受热面中的平均温度下的导热系数,W/(m·℃);ν——烟气在受热面中平均温度下的运动粘度,m2/s;Pr——烟气在受热面中平均温度下的普朗特准数;ddl——受热面通道的当量直径,ddl=4FU,m;U——通道截面的周界长度,m;Ci——烟气温度与受热面壁温的修正系数;Cl——受热面的相对长度修正系数;ε——辐射换热修正系数,根据经验取值,ε=1.5;wy——烟气在受热面中的流速,m/s。wy按烟气在受热面中平均温度的条件计算:wy=BjVyF(1+tf273)(7)式中Bj——计算燃料消耗量,kg/s;Vy——烟气比容,m3/kg;F——通道截面面积,m2;tf——烟气平均温度,℃。1.3.3对流传热系数计算通过平壁的总传热系数的大小不仅取决于参与传热过程的两种流体的种类,还与过程本身有关。传热学上用k来表示:k=11h1+n∑i=1δiλi+1h2W/(m2⋅℃)(8)式中h1、h2——内外侧平壁表面与流体的对流传热系数,W/(m2·℃);λi——构成炉墙各层材料的导热系数,W/(m·℃);δi——炉墙各层材料的厚度,m。由于平壁两侧的面积是相等的,因此传热系数的数值不论对哪一侧来说都是一样的。2设计燃料消耗量bYLL-3000(250)A型链条炉排方箱式燃煤炉,设计燃料消耗量Bj=4.473kg/s,其中烟气比容Vy=7.62m3/kg,加热炉内侧有保温性能良好的致密陶纤复合材料,外侧是机体钢架,其他参数见表1。2.1定性温度的计算计算得ddl=3.658m;由文献图8-10查得Cl=1.0,Ci=1.3。壁面温度由炉膛内安装的热电偶所得实时监测数据得知,取某时刻炉墙内侧壁面温度为tw,i=880℃,则定性温度:t=tw,i+tf,i2=880+9002=890℃因为t≈tf,i,所以定性温度可以近似认为是t=900℃。由文献附录二查得:λ=0.1W/(m·℃)ν=1.525×10-4m2/sPr=0.60根据文献式(8-36)烟气的流速计算公式:wy=BjVyF(1+tf273)=4.473×7.626.811×2.5(1+900273)=8.6m/s由式(6)得高温侧烟气与炉墙壁面的对流传热系数:hd=17.4W/(m2·℃)则通过炉墙壁面的热损失:q=hdl(tf-tw,i)=17.4(900-880)=348W/m2保温材料用致密陶纤,其导热系数为:λ=0.033+0.00013|t|=0.033+0.00013×450=0.0915W/(m·℃)2.2自然对流状态下的热流率由已知膨胀珍珠岩保温层厚度n10.2m,钢架厚度n20.05m,假设保温内侧面温度为tw,炉墙外侧的温度为tw,0;稳定传热时,通过炉墙的热流率是相等的,由传热的第3类边界条件得:-λ(∂t∂n)w=h(tw-tf)=qtw=tw,i-qλ1n1=880-3480.0915×0.2=89.3℃tw,0=tw-qλ2n2=89.3-34836×0.05=88.8℃h0=qtw,0-tf,0=34888.8-20=5.06W/(m2⋅℃)空气在自然对流状态下,对流传热系数的实用范围为1～10W/(m2·℃)。2.3通过炉墙的总传热系数计算热损失根据以上的计算,将计算结果代入式(8),可以计算出通过炉墙的总传热系数:k=0.408W/(m2·℃)用总传热系数计算通过炉墙的热损失:q=k(tf,i-tf,0)=0.408×(900-20)=359W/m23计算公式的修正通过近似计算得到的空气与炉墙外侧壁面的对流传热系数在