第7章-管式加热炉.ppt

1、1,第7章管式加热炉,2,主要内容：,第一节 辐射基本概念 第二节 辐射换热计算 第三节 管式加热炉概述 第四节 燃料的燃烧 第五节 辐射室传热计算 第六节 对流室传热计算 第七节 炉管内压力降 第八节 烟囱设计,3,第1节热辐射的基本概念,1.1 基本概念 1.2 黑体辐射的基本定律 1.3 实际物体的热辐射 1.4 气体的辐射与吸收,4,1.1 基本概念,1.1.1 热辐射的特性 1.1.2 热辐射的吸收、反射和透过 1.1.3 黑体的定义 1.1.4 物体的辐射能力、辐射强度,5,1.1.1 辐射与热辐射： 辐射定义：用电磁波传递能量的过程 特点：在传递过程中不需要任何介质； 任何物质，

2、只要TK，均可发生辐射； 辐射过程中可以产生能量形式的转换；,微粒性：发射和吸收时光子光子能量E,波动性：传播时电磁波波长或频率,特性：,E = h =C/,产生热效应的辐射为热辐射,6,电磁辐射波谱：,辐射线名称 宇宙射线 伽马射线 伦琴射线 紫外线 可见光 红外线 无线电波,波长/m 110-7 110-110-5 110-5210-2 210-20.38 0.380.76 0.761103 110321010,热射线,注：固体、液体的光谱连续；气体光谱不连续,产生热效应,7,8,1.1.2 热辐射的吸收、反射和透过,Q= Q+ Q+ Q 或 Q/Q + Q/Q + Q/Q=1,吸收率、反

3、射率和透过率 定义：= Q/Q 吸收率 = Q/Q 反射率 = Q/Q 透过率,9,说明：,、不是表面性质，与投入辐射有关 如玻璃，对可见光0，对红外线1,镜反射与漫反射概念,=1，=0：全反射体，又称绝对白体或镜体如理想的金属镜面； =1，=0：透明体，如空气； =1，=0：黑体,10,1.1.3 黑体的定义：,黑表面：能全部吸收投射到它表面上的热辐射的表面,黑体：具有黑表面的物体，称为绝对黑体，或简称 黑体，用下标“0”表示,说明：自然界中并不存在真正的绝对黑体； 黑体模型：,11,1.1.4 物体的辐射能力、辐射强度：,物体的辐射能力E： 定义：物体单位表面积、单位时间向半球空间所有方向

4、发射的全部波长（=0）的总辐射能，又称半球辐射能力、自身辐射,Wm-2,说明：E与表面的性质、温度有关：TE； 相同的温度下，黑体的辐射能力最大。,波长0,12,1.1.4 物体的辐射能力、辐射强度：,单色辐射能力E： 定义：物体在至+的波段内的辐射能力,Wm-3,说明：E反映了物体的辐射能力随（0）的分布情况：,EE， Ef（波长，T）,13,立体角和辐射强度： 立体角：以物体表面上的一点对辐射面所张开的角度 辐射强度：物体单位表面积、单位时间内向空间单位立体角所发射的全部波长的辐射能,W/(m2sr),说明：d物体向给定方向发射能量所占据的立体角，sr（球面度）；,E与I的关系为：,1.1

5、.4 辐射能力、单色辐射能力、辐射强度：,14,1.2 黑体辐射的基本定律,1.2.1 普朗克（Planck）定律 黑体辐射能力按波长的分布规律 1.2.2 斯蒂芬-波尔兹曼（Stefan-Boltzman） 定律黑体辐射能力与温度的关系 1.2.3 兰贝特（Lambert）定律 黑体辐射能力随角度的分布规律,15,1.2.1 普朗克（Planck）定律：,黑体的单色辐射能力与波长及温度的定量关系：,式中：黑体辐射的波长，m； T黑体的绝对温度，K； C1、C2普朗克常数，C1=3.74310-16Wm2； C2=1.438710-2mK； E0黑体的单色辐射能力，Wm-2。,16,黑体的E0

6、与表面形状无关，E0=f(,T)； 如图：当0或时，Eo0；同一波长下，TE0；,讨论,17,在全部波长范围内单色辐射能力有且只有一个最大值：,微分，令：,-维恩（Wien）位移定律,黑体单色辐射能力的最大值随着其温度的升高向波长较短的方向移动,可凭借火焰的颜色来判断火焰的温度：,太阳表面：T6000K， 0.5m可见光范围； 工业温度（约2000）集中在=0.810m的红外线波段内。,讨论,18,1.2.2 斯蒂芬波尔兹曼（Stefan-Boltzman）定律：,黑体的全波长辐射能力 ：,积分后：,式中： 0=5.6710-8W/(m2K4) 黑体辐射常数， C0=5.67,故：E0T，高温

7、时不能忽略辐射传热。,19,1.2.3 兰贝特定律余弦定律：,黑体表面向它上面的半球空间不同方向上的辐射能量与法线方向上的辐射能量的关系,内容：,I0n黑体的微元面积dA在法线方向上 的辐射强度，Wm-2sr-1； 给定方向与法线方向的夹角，rad,20,兰贝特定律又称余弦定律；,当=0时，I=0=I0n，辐射强度最大； 当=90时，I=90=0；,I0和E0的关系：,说明,上式说明：E0为Ion的倍；,图7-4,21,遵循兰贝特定律的表面称兰贝特表面（即漫反射面），黑体表面就是一个兰贝特表面,以上三个定律只适用于黑体。,22,1.3 实际物体的热辐射,1.3.1 实际物体与黑体的区别与联系

8、1.3.2 克希霍夫（Kirchhoff）定律 1.3.3 灰体,23,1.3.1 实际物体与黑体的区别与联系,实际物体的辐射能力不服从斯蒂芬波尔兹曼定律 定义：=E/ E0，黑度，发射率 说明：与表面性质（温度、形状）有关； 恒小于1。,24,1.3.1 实际物体与黑体的区别与联系,实际物体的单色辐射能力随温度和波长的变化不符合普朗克定律 引入物体的单色黑度 ：=E/ E0，又称单色发射能力 f（T,，物体表面性质）； 小于1，黑体单色辐射能力最大。,25,1.3.1 实际物体与黑体的区别与联系,对投入辐射的吸收率1 定义 = Q/Q 吸收率 说明：(0，1)，黑体最大； 不是物体本身的性质

9、， f（表面性质、温度、投入辐射的波长及角度）。,26,1.3.1 实际物体与黑体的区别与联系,对投入辐射的单色吸收率 1 定义： = Q /Q 单色吸收率 说明：(0，1)； 为物体本身性质；与投入辐射无关 定义 与波长无关， 的物体为灰体,27,假定该物体和包壳处于热平衡状态，则：qe=q 或 由T1=T2，则E0,1= E0,2，带入上式有：=,1.3.2 克希霍夫（Kirchhoff）定律,内容：假设一个温度为T1的物体，在一个温度为T2的黑体包壳内，则无论T1和T2是否相等，该物体表面的单色黑度等于它的单色吸收率 ，即：,证明：由该物体发射的辐射为： 被该物体吸收的辐射为：,=,28

10、,1.3.2 克希霍夫（Kirchhoff）定律,说明：对于许多物质，人们发现（或）与投射辐射的情况无关，即与投射温度T2无关。 故：无论T1和T2是否相等，均有=；,由、， 则：,热平衡时：T1=T2，故=；,对于灰体：=,，为表面本身的性质，与投射辐射无关,29,1.3.3 灰体,灰体定义：假如某种物体的单色辐射能力E与同一温度下绝对黑体的单色辐射能力E0之比等于常数，即在所有波长下物体的单色黑度等于常数，这种物体叫做灰体,灰体也是一种理想模型,讨论：,灰体是一个物理模型，符合灰体模型的表面叫做灰表面，灰表面符合兰贝特（Lambert）定律；,由其定义及克希霍夫定律，对灰表面，有： =常数

11、 推导：,30,1.3.3 灰体,一般工业温度范围(T2000)内，一般固、液态物体均可认为是灰体（气体除外），于是：,灰体的-E曲线与黑体的-E曲线相似，二者在同一温度下的最大单色辐射能力都位于同一m处；,黑体是灰体的特例 ：= 1,讨论：,例题7-1,31,1.4 气体辐射与吸收的特点:,不同气体具有不同的辐射能力,单原子和分子结构对称的双原子气体，如惰性气体和氢、氮、氧等，不具有吸收热辐射的能力，可看作透明体。 而三原子，多原子气体以及结构不对称的双原子分子，如CO2、H2O、SO2、CO、CH2 ，烃类和醇类等，则有相当大的辐射能力和吸收能力。,32,1.4.1 气体辐射与吸收的特点:

12、,气体辐射对波长有选择性,气体只在某些特定的波段光带内具有吸收能力。烟气中的CO2和H2O主要光带如下：,这些光带均位于可见光范围之外，所以即使在高温下气态的CO2和H2O也不能被人眼看见。,33,1.4.1 气体辐射与吸收的特点:,气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的,气体的辐射和吸收与气体的形状和体积有关。 气体的辐射和吸收取决于气层厚度、气体的温度和分压。,定义平均辐射长度L=3.5V/A ，又称有效气层厚度.,V气体体积m3 A包围气体表面的面积m2,表7-3,34,1.4.1 气体辐射与吸收的特点:,气体是典型的非灰体物质,只有当气体温度和固体壁温度相同时气体的黑度和吸收率才会相等，

13、若温度不相等，就不存在这种关系。同样普朗克定律定律和斯蒂芬波尔兹曼定律也不能成立。,35,第2节辐射换热计算,2.1 角系数 2.2 黑体间的直接辐射换热 2.3 有效辐射、灰体间的辐射换热 2.4 气体与外壳间的辐射换热 2.5 设备热损失的计算,36,2.1 角系数,2.1.1 角系数的定义 2.1.2 角系数的性质 2.1.3 几种简单情况下的角系数,37,2.1.1 角系数的定义,定义：表面A1在空间所有的方向上发射的总能量，直接到达另一表面A2的分率，叫做表面1对表面2的角系数，12,38,2.1.1 角系数的定义,12是能量分率，无单位；,12表示表面1对表面2的角系数，1辐射面，

14、2接受面；,角系数为几何性质，与表面的大小，相对位置及形状有关，与表面的T及无关,讨论：,39,2.1.2 角系数的性质,1.互换性（相对性）：,对任意两表面i，j（面积分别为Ai，Aj）,均有：,证明：,表面1的总辐射能力为：,A1E01,表面1发射的被表面2吸收的能量为：,同理：表面2发射的被表面1吸收的能量为：,故两表面间交换的热量为：,显然，如果两黑表面温度相等（热平衡），T1=T2，则 E01=E02，Q12=0，有：,40,2.1.2 角系数的性质,2.可加性：,若表面K=K1+K2+K3，则：,但：,仅适用于对吸收表面进行分割,41,2.1.2 角系数的性质,3.归一性（完整性）

15、：,如果由n个表面组成一个封闭体系，则其中任意表面i对其它表面的角系数之和为1,即：,或：,42,2.1.3 几种简单情况下的角系数,两无限接近平面：,一物包一物：,43,2.1.3 几种简单情况下的角系数,形成密闭系统的三凸面：,44,2.1.3 几种简单情况下的角系数,两无限延伸表面（拉线法）：,45,2.2 黑体间的直接辐射换热,式中：,有效辐射面积， 当量冷平面面积 或辐射交换面积,46,2.3 有效辐射、灰体间的辐射换热,2.3.1 基本概念 2.3.2 Eefi的计算 2.3.3 几种简单情况下灰表面间辐射换热量的计算,47,2.3.1 基本概念,自身辐射：,投入辐射： Eti,反

16、射辐射： iEti,有效辐射： Eefi,净辐射：,48,2.3.2 Eefi的计算,对包含n个表面的封闭系统，对任意i表面：,表面i的投入辐射总计为：,i表面的有效辐射为：,注：对于黑体，由于不存在反射的问题，Eefi=E0i,49,两块平行放置的平板，温度分别保持t1527和t227 ， 板的黑度 0.8、板间距离远小于板的宽度和高度。 试求板1和板2的自身辐射；板1和板2的有效辐射； 对板1和板2的投入辐射;板1和板2的反射辐射； 板1和板2之间的辐射换热量；,例题,解：板1的本身辐射：,板2的本身辐射：,50,板的有效辐射： 由,解方程组得：,51,(3)投入辐射：,(4)反射辐射：,

17、52,(5)两板间的辐射换热量，即净辐射量：,53,2.3.3 几种简单情况下灰表面间辐射换热量的计算,两个无限接近平面：,由于12=21=1，灰体：1=1=1-1，2=2=1-2,联立求解：,54,2.3.3 几种简单情况下灰表面间辐射换热量的计算,一物包一物：,而：11=0，12=1，联立求解：,特例：A1=A2,A1/A20,55,用热电偶测量管道中热空气流的温度，热偶读数为200, 管道内壁温度为l00，热电偶热端的黑度为0.8，由空气流至热端的对流传热膜系数为46.52W/(m2K)，试求空气的真实温度和以热偶读数为空气温度的测量误差。,例题,热电偶与热空气的对流传热：,热电偶与管壁

18、的辐射传热：,解：热电偶的热端既与热空气进行对流传热，又与管内壁进行 辐射换热，当热电偶的读数稳定时，上述两个热量达到平衡， 即,56,其中式中下标1为热电偶，2为管壁，,误差：,57,如果上题中的热电偶外增加一遮热罩，其黑度为0.8。空气至热电偶热端的对流传热膜系数仍为46.52w/( m2K)，空气至遮热罩内、外壁的对流传热膜系数为11.63W/( m2K)。假设其它条件不变，试求以热电偶读数作为空气温度之测量误差。,热电偶与热空气的对流传热：,热电偶与遮热罩的辐射传热：,其中，下标1为热电偶，2为遮热罩，,58,对遮热罩作热量衡算： 空气对流传给遮热罩的热：,（1）,59,热电偶的热端辐

19、射给遮热罩的热：,遮热罩辐射给管壁的热：,60,其中式中下标1为遮热罩，2为管壁，,当遮热罩达到热平衡：,493.62K=220.47,467.19K=194.04,误差：,61,2.4 气体与外壳间的辐射换热,2.4.1 包壳为黑体 2.4.2 包壳为一灰体,62,2.4.1 包壳为黑体,包壳温度为Tt时，则气体对包壳的辐射速率应等于气体 的自身辐射gE0g减去气体吸收的投入辐射gE0g，即：,其中：g，g分别为气体的黑度和吸收率， 当TgTt时，gg,63,2.4.2 包壳为一灰体,包壳的黑度为t，温度为Tt时，其换热结果应比气体 与黑体包壳间的换热量小；可乘以一个修正系数（1+t）/2

20、：,假设：,得到与对流传热系数相当的辐射系数：,W/(m2K),64,2.5 设备热损失的计算,由对流散失的热量：,由辐射散失的热量：,或：,其中：,65,2.5 设备热损失的计算,总热损失：,空气作自然对流：,平壁保温层外：,圆筒壁或管道保温层外：,空气沿粗糙壁面作强制对流：,其中：,对流辐射联合传热系数,空气流速u5m/s：,空气流速u5m/s：,66,第3节 管式加热炉概述,3.1 管式加热炉在石油加工和石化中的重要性 3.2 加热炉的一般结构 3.3 管式加热炉的分类 3.4 加热炉的主要工艺指标 3.5 管式加热炉的主要部件,67,3.1 管式加热炉在炼油和石化中的重要性,3.1.1

21、 管式加热炉的定义 3.1.2 管式炉的特性-必要性,68,3.1.1 管式加热炉的定义,一种火力加热设备 利用燃料在炉膛内燃烧时产生的高温火焰和炽热的烟气作为热源，加热炉管内流动的介质 使之达到工艺规定的温度,燃烧的必要条件： 可燃物、助燃剂、必要的温度,69,3.1.2 管式加热炉的必要性,加热温度高、传热速率快,火焰温度1000以上，其它加热设备难觅；,传热速率快；,70,3.1.2 管式加热炉的必要性,整个炼油和石化中能耗最大的设备之一,原油处理量的315%要被作为燃料烧掉 比值随着原油的加工深度的加深而增加 常减压炉每天就要烧掉30万元/百万吨的燃料,71,3.1.2 管式加热炉的必

22、要性,是控制运转周期及自动化程度的关键设备,高温下的温度测量问题 燃料燃烧情况的控制 燃料燃烧情况和风门开度之间的关系复杂,“三高一低”（高处理量、高质量、高效率和低 能耗）及“长周期安全运转”,72,3.2 加热炉的一般结构,1.辐射室（炉膛） 2.对流室 3.燃烧器（火嘴） 4.通风系统 5.余热回收系统,73,3.2 加热炉的一般结构,1.辐射室（炉膛）,位于加热炉的底部 主要传热方式：辐射 传热份额：7080% 加热炉的主要部位,74,3.2 加热炉的一般结构,2.对流室,位于辐射室的上部 主要传热方式：对流 传热份额：2030% 增加加热炉热效率的主要部位,75,3.2 加热炉的一般

23、结构,3.燃烧器（火嘴）,燃料在其中燃烧放出热量 决定炉子性能的部件 多个火嘴应注意分布合理性 圆筒炉中应杜绝两个火嘴出现,76,3.2 加热炉的一般结构,4.通风系统,作用：将空气引入加热炉中 将烟气排放出炉体 高空排放减少地面污染,分类：,强制通风,自然通风,利用外部气体输送机械鼓风 一般炉膛内微正压,利用烟囱产生抽力实现引入空气和排除烟气 炉膛内负压,77,3.2 加热炉的一般结构,4.通风系统,烟囱挡板：调节烟气排出量和空气入炉量,78,3.2 加热炉的一般结构,5.余热回收系统,作用：回收出对流室烟气中高品位热量， 提高炉子热效率,分类：,空气预热器,废热锅炉,79,3.3 管式加热

24、炉的分类,3.3.1 箱式炉 3.3.2 斜顶炉 3.3.3 立式炉 3.3.4 圆筒炉,80,分类：,按用途分：纯加热炉、加热反应炉 纯加热炉如常压炉、减压炉、催化裂化炉 加热反应炉如裂解炉和焦化炉 按传热方式分：纯对流炉、辐射炉、对流辐射炉 按燃烧方式分：火炬式、无焰燃烧炉 按炉型分：箱式炉、立式炉、圆筒炉,81,3.3.1 箱式炉,优点：操作和维修简单； 可使用低质量的燃料油； 缺点：钢材耗量多；占地面积大； 造价较高；炉管受热不均； 顶部炉管因局部过热易烧毁； 需在炉外另设烟囱等。,82,3.3.2 斜顶炉,比方箱炉减少了死角，炉管表面热强度略有提高，应用范围比放箱炉广，至今在中小化工

25、厂中还有采用。,83,84,3.3.3 立式炉,立管立式炉,卧管立式炉,无焰燃烧炉,85,特点：,火焰垂直向上，与烟气流动方向相同，连成片状燃烧，传热比较均匀； 烟气向下流动的对流室改为向上抽风式，阻力损失小，大大降低了烟囱高度，切无需在炉体外另行建设； 取消炉顶吊挂，使结构简化，造价降低。,86,3.3.4 圆筒炉,有反射锥的圆筒炉 无反射锥的圆筒炉 大型圆筒炉,87,3.3.4 圆筒炉,有反射锥的圆筒炉 无反射锥的圆筒炉 大型圆筒炉,88,3.3.4 圆筒炉,有反射锥的圆筒炉 无反射锥的圆筒炉 大型圆筒炉,89,优点：结构简单紧凑，占地面积小， 金属耗量少，便于建造维修；,3.3.4 圆筒

26、炉,炼厂使用 较多,缺点：炉管沿长度受热不均， 炉管表面热强度不高， 对流室较小，热效率低。,90,3.4 加热炉的主要工艺指标,全炉热负荷Q 炉膛体积热强度qV 炉管表面热强度qA 全炉热效率 管内冷介质流速和全炉压降,91,1.全炉热负荷Q,炉子单位时间内传给被加热物料的总热量以Q表示 单位为kJ/h或W、MW Q值越大，炉子的生产能力也越大,92,2.炉膛体积热强度qV,指单位时间单位炉膛体积所传递的热量 单位为：kJ/(m3h)或W/m3 此值越大，完成相同任务所需的炉子越紧凑 一般情况下控制在3kW/m3左右，不易过大,93,3.炉管表面热强度qA,单位面积（按炉管外径计算）炉管，单

27、位时间内所传 递的热量；单位为：kW/m2 可分为辐射炉管表面热强度和对流炉管表面热强度 钉头管或翅片管的对流表面热强度习惯上仍然使用管 外表面面积（即doL），而不计算钉头或翅片本身 的表面面积 此值越大，完成相同的传热任务所需的传热面越小,94,4.全炉热效率,炉子传递给被加热物料的 有效热量与燃料完全燃烧 所放出的总热量之比 小型炉效率约在7080%，大型炉效率约在90%左右 此值越高，完成相同任务 所消耗的燃料越少,95,5.管内冷介质流速和全炉压降,将20下，被加热介质在炉管内的流速称为冷介质流速 常压炉的全炉压降一般为0.6861.47MPa(715at) 减压炉的全炉压降一般为0

28、.2940.588MPa(36at),96,3.5 管式加热炉的主要部件,3.5.1 炉体 3.5.2 炉管系统 3.5.3 燃烧器,97,3.5.1 炉体,炉墙,98,99,钢架,钢架的作用在于保持炉形和支撑炉子各系统 结构简单，足够的强度 节省钢材，便于操作和检修,100,3.5.2 炉管系统,辐射炉管 对流炉管 炉管连接件,101,辐射炉管,a.炉管材质的选择,传热性能好； 在一般管壁厚度下，具有较高的机械强度；耐腐蚀； 能够实现长时间安全运转的要求； 10#、20#优质钢、Cr5Mo、1Cr18Ni9Ti合金钢等； 其中以20#优质钢应用较多。,102,辐射炉管,b.管径的选择,若管径

29、过大，传热不良，管壁温度升高，油品易结焦； 若管径过小，油品在管内流速过大，阻力损失大； 外径在60152mm之间； 最常见的范围是100150mm。,c.炉管长度的选择,管式炉炉管一般在78m之间； 有加长趋势，有采用1518m炉管长度的实例。,103,辐射炉管,d.炉管的支撑与安装,管架,底部支撑,U型螺栓吊柱,104,对流炉管,一般水平（卧管）安装 等腰三角形排列,105,对流炉管型式,钉头管,翅片管,106,炉管连接件,180急弯弯头,高压同心异径管,高压无缝三通,107,108,3.5.3 燃烧器,燃烧器的分类:,按使用燃料分,按通风方式分,自然通风,强制通风,气体火嘴,油火嘴,油-

30、气联合火嘴,109,气体火嘴,预混式,外混式,半预混式,110,各种气体火嘴的性能比较,111,蒸汽雾化：采用蒸汽作为雾化剂,油火嘴,112,蒸汽雾化：,优点：雾化效果好，火焰刚直有力，生产能力大，加热负荷调节范围广 缺点：蒸汽消耗量大，蒸汽不能回收，加重了供水系统的负担，在雾化过程中，伴有强烈的噪声 雾化蒸汽的压力一般在48kgf/cm2,113,机械雾化,使高压燃料油通过喷嘴的切向槽和旋流室，以很大的流速经小孔喷出使燃料雾化的方式,优点： 不需要雾化剂，成本低，噪声小,缺点： 但部件结构复杂，雾化效果差,一般用于锅炉燃料的雾化,114,联合雾化,先机械雾化，再采用适量蒸汽雾化的方法,优点：

31、一般雾化效果良好 缺点：但结构复杂，控制难度较大,115,油-气联合火嘴,半预混式气体火嘴和油火嘴的联合使用 可以同时或单独使用气体燃料和液体燃料 液体燃料时多采用二次风门调节 气体燃料时多采用一次风门调节,116,第4节 燃料的燃烧,4.1 燃料的种类、组成和发热值 4.2 理论空气用量与过剩空气系数 4.3 全炉热效率、燃料用量及火嘴个数的确定 4.4 提高加热炉热效率的方法,117,4.1 燃料的种类、组成和发热值,4.1.1 燃料的种类 4.1.2 燃料的组成 4.1.3 燃料的发热值,118,4.1.1 燃料的种类,气体燃料：,气体燃料的来源多是生产过程中产生的利用价值不高或不足利用

32、的轻烃 催化干气、焦化干气、不凝气（烃类）等 主要组成是甲烷、乙烷和少量的C3、C4,119,液体燃料大都是在生产过程中产生的重质油品 常压重油、减压渣油以及原油 在使用液体燃料时，要注意的问题： 雾化效果要好 燃料粘度适中,4.1.1 燃料的种类,液体燃料：,120,4.1.2 燃料的组成,元素组成： 碳(C)、氢(H)、硫(S)、氧(O)、氮(N)、水(W)、灰分(A),确定方法,说明：d420 ：燃料油在20时的相对密度比重； C、H、S：质量百分数，如C=86表示86%。,元素分析法 经验公式法,121,4.1.3 燃料的发热值,定义：指单位燃料完全燃烧所放出的热量,发热值基准： 气体

33、燃料：kJ/nm3Fuel (0、1atm) 液体燃料：kJ/kgFuel,分类：低发热值Ql ：生成的水呈气态 高发热值Qh ：生成的水呈液态 Qh- Ql = r水,122,发热值的计算：,气体燃料,Qh=qhiyi，kJ/nm3Fuel,Ql=qliyi，kJ/nm3Fuel,4.1.3 燃料的发热值,123,发热值的计算：,液体燃料- 门捷列夫公式,Qh=81C+300H+26(S-O)4.187，kJ/kgFuel,Ql=81C+246H+26(S-O)-6W4.187，kJ/kgFuel,4.1.3 燃料的发热值,说明：各元素放热：C：8100kcal/kg；H：30000kcal

34、/kg； S：2600kcal/kg；H2O：600kcal/kg； 故C、H、S、O为质量百分数，如C=24，H=70，O=6。 标油(Eo)指的是,Ql=104kCal/kg=41870kJ/kgFuel,124,4.2 理论空气用量与过剩空气系数,4.2.1 理论空气用量 4.2.2 燃料的燃烧机理 4.2.3 过剩空气系数,125,4.2.1 理论空气用量,定义：单位燃料完全燃烧所需的最小空气量,液体燃料：,每kg液体燃料燃烧所需的理论空气量为：,126,4.2.1 理论空气用量,气体燃料：,Nm3air/Nm3Fuel,V0 = V0i.yi,127,4.2.2 燃烧机理,烃类：键式

35、反应脱氢、断链 烃类一般在200-300时开始氧化； T400时供氧不足，可能发生析碳反应(结焦) 析碳能力：渣油重油重柴轻柴汽油液化气天然气 燃烧过程：物理扩散外混式 化学反应预混式 实现完全燃烧，必须供给过量的空气,128,4.2.3 过剩空气系数,定义：管式炉操作中实际入炉空气量与理论空气量之比,对的影响： 太小O2供应不足燃料燃烧不充分热效率 太大烟气量烟气带走的热量热损失 烟气中含氧量炉管表面氧化使用寿命 (每增加0.1，降低1.5%左右) 加热炉操作应在确保燃料完全燃烧的前提下，尽量降低,129,燃料性质：气体燃料：1.11.2 液体燃料：1.21.3，提高雾化 燃烧器的性能：自然

36、引风式：1.21.4(国内) 大能量燃烧器1.11.15(国外) 新型平行气流燃烧器1.05 炉体密封性 加热炉的测控水平,4.2.3 过剩空气系数,影响过剩空气系数的主要因素,130,奥氏分析仪：将烟气中的水蒸气冷凝； 用KOH、C6H3O3(焦性食子酸)测定CO2、O2含量,计算公式：,4.2.3 过剩空气系数,过剩空气系数的测定：,氧化锆计算公式： yO2 =3%，4%，5% =1.19，1.26，1.35,131,14.某燃料油相对密度 0.970，含硫1.4(质量)，试求其低发热值和理论空气用量。,解：燃料油的族组成：,132,15加热炉的燃料为重油，其组成(质量百分比)为：C84；

37、H13；S1.5；01.5试求： (1)重油的低发热值；(2)理论空气用量；(3)过剩空气系数,为1.3时的实际空气用量。,解：(1),(2),(3),(3),133,17.如将天然气甲烷作为加热炉的燃料，试求当过剩空气系数,1.25时，甲烷完全燃烧后烟气的分析组成，(体)。,134,4.3 全炉热效率、燃料用量 及火嘴个数的确定,4.3.1 热平衡确定全炉热效率 4.3.2 燃料用量B的确定 4.3.3 火嘴数量的确定 4.3.4 燃烧产物烟道气的流量的确定,135,4.3.1 热平衡确定全炉热效率,1kg燃料：,正平衡,反平衡,136,说明：各项热能的确定：,热负荷Q：a.若有过热蒸汽管：

38、Q包括过热蒸汽吸收的热量； b.反应炉：Q=油品吸热反应热； c.纯加热炉：,q1/Ql：a.自然通风系统：可忽略； b.空气已被预热：,q2/Ql： q2/Ql=f(，Tg)，P315：Fig7-28；,qL/Ql：立式炉、圆筒炉： qL/Ql=0.020.05,辐射室：0.010.03,对流室：0.010.02,137,4.3.2 燃料用量B的确定,4.3.3 火嘴数量的确定,说明：总额定喷油能力/实际喷油能力1.21.35； 圆筒炉：不采用2个火嘴，火嘴间距1m； 必须由燃料的性质选用合适的火嘴,B=Q/Ql,NF=B/B额,138,说明：0.5-雾化蒸汽量，kgSteam/kgFuel

39、； 若为机械雾化或用气体燃料，则不计。,4.3.4 燃烧产物-烟道气流量的确定,mg=(L+1+0.5)B = B(1.5+L0),例7-4,139,4.4 提高加热炉热效率的方法,4.4.1 加热炉热效率降低的原因 4.4.2 露点腐蚀 4.4.3 提高管式加热炉热效率的途径,140,4.4.1 加热炉热效率降低的原因,炉墙散热； 烟气带热； 燃料燃烧不完全,每增加0.1，降低1.5%左右 排烟温度增加55， 降低2%左右,141,4.4.2 露点腐蚀,有的燃料中含有微量的硫元素，在燃烧的过程中，硫被氧化生成二氧化硫或三氧化硫。如果管壁温度低于水蒸汽的露点温度，水蒸汽就会凝结在炉管上和三氧化

40、硫就结合生成硫酸溶液，二氧化硫和水蒸汽生成亚硫酸溶液，二者对铁具有很强的腐蚀能力，它们的存在加速了炉管的腐蚀过程，大大缩短了设备的运转周期，这种现象叫作露点腐蚀。,142,4.4.3 提高管式加热炉的热效率的途径,q1/Ql燃料、空气、水蒸汽的显热， q1/Ql； q2/Ql烟气带走的热量， q2/Ql； qL/Ql炉墙散热损失， qL/Ql。,143,预热入炉空气，是目前提高加热炉热效率的主要手段。 有些加热炉受工艺的限制，排烟温度超过400，可考虑在对流室和烟囱间装空气预热器回收烟气余热。当加热炉排烟温度500时，考虑装废热锅炉，利用烟气余热产生过热蒸汽以提高炉子热效率。,提高空气的入炉温

41、度,降低烟气出炉温度及减少烟气流量。 降低烟气温度，须注意烟气与油的传热温差和露点腐蚀问题；减少烟道气流量，只能通过降低达到，而降低必须选用合适的火嘴，以保证燃料充分燃烧。,尽量降低烟气带走的热量,144,选择合适的火嘴，改进燃料燃烧状况，使燃料能够完全燃烧；,尽可能降低散热损失,提高炉子的测控水平和操作水平,改善保温材料的保温性能，减少炉壁热损失； 减少冷空气的非常进入； 防止热烟气漏出炉体。,145,第5节辐射室的传热计算,5.1 辐射室的设计计算 5.2 辐射室的校核计算 5.3 关于辐射室操作的几点说明,146,5.1 辐射室的设计计算,5.1.1 辐射管表面热强度qR 5.1.2 辐

42、射管表面积ARt 5.1.3 辐射管管外径dO及管心距S1 5.1.4 辐射室或炉膛尺寸 5.1.5 遮蔽管,147,炉管： 外径dO，内径di， 管心距S1，管子数n； 结构尺寸： 炉膛直径D，节圆直径D， 有效辐射长度Lef；,设计计算解决的问题包括：,148,5.1.1 辐射管表面热强度qR,定义：单位时间内通过每平方米炉管表面积所传递的热量,讨论：,QR一定（QR=7080%Q），qR ARt基建投资费用； ARt相同， qR 生产能力;,热强度qR的大小标志着炉子传热面积的高低 容许热强度,P329 图7-36，37，表7-6,149,5.1.1 辐射管表面热强度qR,影响因素：,被

43、加热介质的热稳定性： 介质热稳定性、油品芳香烃含量、被加热介质的流速,选用炉管的材质,炉管受热的不均匀性,150,5.1.2 辐射管表面积ARt,151,5.1.3 辐射管管外径do及管心距S1,do的设计：,由管内冷介质流速u：,式中：W管内介质流量，kg/h； N管程数，一般不用奇数； 管内介质在20的密度，kg/m3,152,5.1.3 辐射管管外径do及管心距S1,do的设计：,讨论：,a.u, di，对流传热系数i，有利于传热；但 u,P；,b. do=di+2(管外径=管内径+2壁厚)，壁厚根据压强选定，一般612mm，然后参照国产炉规格选定。,153,5.1.3 辐射管管外径do

44、及管心距S1,S1的设计：,增大S1，使炉墙侧炉管表面达到较大的局部热强度，改善炉管沿周向受热不均匀性，提高炉管表面平均热强度； 管心距一般在1.82.25do之间，推荐使用2do,154,5.1.4 辐射室或炉膛尺寸,炉膛的高度：,高径比炉管的有效长度与中心节圆直径之比 国外：2.53.0，国内：1.72.5,确定：,取 Lef=(1.73.0)D,155,5.1.4 辐射室或炉膛尺寸,炉管根数n：,所需炉管总数n应为：,但实际的炉管根数应选为管程数N的整数倍,156,5.1.4 辐射室或炉膛尺寸,炉膛的直径D：,据实际炉管数算出中心节圆直径D，再加上2倍的管中心至炉壁的距离（一般距离取1.

45、5do），即为实际炉膛的直径。即： D=D+1.5do2=D+3do,157,5.1.5 遮蔽管,无反射锥的空心圆筒炉中对流室下部的第一排管 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 烟气对遮蔽管的角系数令其等于1,158,5.2 辐射室的校核计算,5.2.1 传热校核难点 5.2.2 计算方法 5.2.3 罗伯依万斯(Lobo-Evans)法传热速率方程,159,5.2.1 存在的问题,影响燃料燃烧因素复杂； 烟气温度组成处处不同 炉管吸热量与燃烧、烟气湍流流动与辐射、炉管温度、炉膛结构之间的定量关系复杂,160,5.2.2 计算方法,经验方法：威尔逊罗伯霍特尔,半经验半理

46、论,罗伯伊万斯方法 别洛康法 等,理论方法,区域法 热流量法 蒙特卡洛法 等,161,5.2.3 罗伯依万斯(Lobo-Evans)法传热速率方程,特点：,只能计算辐射传热量QR及烟气离开辐射室的温度Tg； 不能得到烟气的温度分布及热强度分布； 不适用于高径比Lef/D3的情况； 适合于纯加热或热强度分布较均匀的加热炉。,162,基本假定：,Tmax Tg TgTR Tt,5.2.3 罗伯依万斯(Lobo-Evans)法传热速率方程,163,基本假定：,烟气在炉膛内的有效辐射温度Tg等于烟气离开辐射室温度Tg(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) ，将炽热的烟气与火焰看作一

47、等温发热面；,将管排看作一等温吸热面，管壁温度为管内介质平均温度加上50；,烟气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；,简化为：在有全反射面的情况下，一等温发热面与一等温吸热面之间的换热过程。,164,传热速率方程式：,火焰及烟气和炉管间热量交换主要以对流和辐射传热进行,引入F，辐射室内的辐射传热速率QRr为：,式中：Tg、Tt烟气和管壁的平均温度，K； Aef烟气对管排的有效辐射面积，m2； F总辐射交换因数。,两黑表面间的辐射换热：,165,传热速率方程式：,辐射室内的对流方式传热速率QRC为：,式中：RC对流给热系数，W/(m2.K)； ARt辐射管

48、外表面积，m2。,取RC=11.36W/( m2K)；F=0.57；ARt2Aef。 而当量冷平面面积Aef=ACP,代入上式，则：,其中：烟气对管排的角系数； ACP管排所占据的全部面积（包括管间空隙面积），或称为冷平面面积,166,传热速率方程式：,辐射室中总的传热速率QR为：,可以看出：,故辐射室的传热速率方程式为：,167,传热速率方程式中各参数的确定,冷平面面积ACP及烟气对管排的角系数,冷平面面积ACP是指管排所占据的全部面积：,烟气对管排的角系数是烟气辐射给管排的能量所占烟 气辐射总能量的分率, 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 度（S

49、1/do）有关。,图7-31、7-32,168,传热速率方程式中各参数的确定,烟气的黑度g,g=f(CO2和H2O的组成，炉膛的形状和大小,Tg，Tt) 与其分压成正比取决于燃烧时的,计算：,由查图7-34(P325)CO2和H2O的分压之和,查表7-5(P325)不同形状气体层的平均辐射长度,Tg,查图7-35(P326)g,169,传热速率方程式中各参数的确定,F是用来修正由于模型偏差而引入的参数：, 总辐射交换因数F,170,传热速率方程式中各参数的确定, 总辐射交换因数F,P325表7-5,171,传热速率方程式中各参数的确定,管壁温度Tt,管壁温度与辐射管的热强度、管内介质的温度、管

50、内对流传热膜系数、管壁的热阻以及管壁的结垢情况有关。,对于纯加热炉，取,式中：1管内介质在辐射室入口的温度， 1，2分别为管内介质在对流室入口和辐射室 出口的温度，。,QR和Tg待求,172,热平衡方程式,或,改写成与速率方程式相同的形式：,式中：,qg =f(tg，)，一定时， qg =f(tg),代入上式：,式中只有QR和tg是待求解的未知数,173,图解法确定辐射室QR和Tg：,假定一个Tg，查图7-28得到qg/Ql，带入热平衡方程式，得到一个QR/AcPF，在P322图7-30上找到一点；,如果该点落在传热速率曲线的左上方，则再假设一个Tg，使Tg=Tg+（100200），重新计算(

51、QR/AcPF) ，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(Tg，QR/AcPF)即为所求：,174,图解法确定辐射室QR和Tg：,175,5.3 关于辐射室操作的几点说明,5.3.1 强化辐射室内传热过程的措施 5.3.2 辐射室热负荷改变如何调节 5.3.3 炉管被烧弯的原因,176,5.3.1 强化辐射室内传热过程的措施,降低过剩空气系数,增加燃料用量B,加强加热炉的保温措施,177,5.3.2 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，采用此方法的同时应考虑增加

52、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。,178,5.3.3 炉管被烧弯的原因,炉管表面热强度太大； 火烧偏了，火焰舔炉管； 炉管内部结焦，使炉管管壁温度升高，使炉管变弯。,179,第6节对流室的传热计算,6.1 概述 6.2 对流室的计算,180,6.1 概述,6.1.1 对流室的作用及特点 6.1.2 对流室的主要计算内容,181,6.1.1 对流室的作用及特点,作用：降低排出烟气的温度； 减少加热炉因为烟气排空而带来的热损失； 提高加热炉的热效率,特点：以对流传热为主； 烟气除与炉管进行对流传热外，其辐射传热也占据很大份额； 对流室的炉墙参与辐射换热过程,182,6.

53、1.2 对流室的主要计算内容,目的：确定对流室的传热面积Act； 确定对流室炉管表面平均热强度qc,方法：与在第五章传热中的计算方法类似； 但既考虑对流传热，又要考虑辐射传热； 计算过程更为复杂,183,6.2 对流室的计算,6.2.1 对流室的可选尺寸 6.2.2 对流室尺寸的确定 6.2.3 对流室传热面积Act的确定 6.2.4 过热蒸汽管的计算,184,6.2.1 对流室的可选尺寸,燃料中含重金属较少时：一般采用钉头管或翅片管，以增加换热面积强化传热； 采用较劣质燃料时：采用光管，因其生成的灰比较多；采用钉头管、翅片管，污垢热阻会由于灰尘迅速集结而急剧增加；,炉管的型式：,注：无论采用

54、哪种管子型式，在对流室中都应安装吹灰装置，以减小污垢热阻。,185,6.2.1 对流室的可选尺寸,对流室炉管排列方式与换热器中一样，有正三角形排列和正方形旋转45o排列，一般采用正三角形排列。,炉管的排列方式：,186,6.2.1 对流室的可选尺寸,光管：管间距S1=（1.52）dc，对流室最小截面处烟气的质量流速Mg=1.52kg/(m2S)； 钉头管：管间距S1=（22.4）dc，质量流速Mg=24kg/(m2S)。 一般情况下，多采用S1=2dc。,管间距：,187,6.2.1 对流室的可选尺寸,对流室管径尺寸同辐射室，尺寸范围为60152mm，多采用60150mm。 在对流室为水平放置

55、的圆筒炉内，对流室通常选用与辐射管相同的直径及相同的管程数。,管径：,188,6.2.2 对流室尺寸的确定,对流室宽度S：,式中：dc对流管的外径； nW每排对流管根数； S1管心距； 3dc相当于最外侧的对流炉管与对流室炉墙之间的距离。,189,6.2.2 对流室尺寸的确定,长度L：,式中：mg 烟气的质量流量，kg/h； af 每根光管或钉头管所占的流通截面积，m2； nW 每排对流管的根数； Lc 对流管有效长度，m。,烟气的质量流速 ：,对流管有效长度：,190,6.2.2 对流室尺寸的确定,对流室的高度HC：,HC由对流室炉管的排数（传热面积）而定：,其中：,Af 每根对流管的表面积

56、，m2； nW 每排对流管的根数； S层 -对流管的排间距，m,191,6.2.3 对流室传热面积Act的确定,计算思路和换热器传热面积的计算思路一样。设对流室热负荷为Qc，对数平均温差为tm，总传热系数为Kc，则有：,192,6.2.3 对流室传热面积Act的确定,对流室的热负荷：,说明：对流室的热负荷等于加热炉的总热负荷Q减去辐射室热负荷QR ； 遮蔽管包括在辐射室中； 对流室中敷设有过热蒸汽管，这部分蒸汽所吸收的热量，应记在对流室的热负荷中。,193,6.2.3 对流室传热面积Act的确定,2.对数平均温差tm：,为确保对流传热，烟气出对流室的温度t2与管内介质入炉的温度1要保持适当的温

57、差，并据此来确定烟气出对流室的温度（推荐温差为100150）。,194,6.2.3 对流室传热面积Act的确定,3.总传热系数的Kc的计算：,管内介质的对流传热系数i：,单相流，管内，受迫运动， 西德尔泰特准数式：,195,说明：,a.、t管内介质在平均温度和管壁温度下的粘度，Pas；,b.使用条件：Re104，0.760，特别适用于粘性流体。对于空气，应用0.023代替0.027；,c.若关键性热阻在气膜，可选经验数据，如：当管内为原油时：i=1163W/(m2K)；裂化原料：i=930W/(m2K)；重油：i=698W/(m2K)；,d.加热炉炉管内的结垢热阻Ri可查附录，故包括Ri在内的

58、管内对流传热膜系数为：,196,6.2.3 对流室传热面积Act的确定,3.总传热系数的Kc的计算：,管外综合传热系数o:,炉墙的辐射系数ow,o,烟气的对流传热膜系数oc,烟气的辐射系数or,197,A烟气的对流传热膜系数oc：,a努塞尔（Nusselt）准数方程式：,式中：a与管束的排列形式有关的系数， 正三角形排列时，a=0.33；正方形排列时，a=0.26； Gg 烟气在最小截面处的质量流速，kg/(m2s)； dc 对流管的外径，m。,应用条件：烟气的雷诺数Reg30000,198,A烟气的对流传热膜系数oc：,b. 蒙拉特（Monrad）准数方程式：,钉头管和翅片管：,光管：,19

59、9,A烟气的对流传热膜系数oc：,c布里吉什（Briggs）准数方程式：,式中：S翅片与翅片的间隙，m； X翅片高度，m。,环形（横向）翅片管 ，正三角形排列的管束：,200,B烟气的辐射系数or：,式中：t管壁的黑度，t=0.9； g气体的黑度； g 气体的吸收率； Tg，Tt分别为气体和管壁的温度，K。,201,C炉墙的辐射系数ow：,式中：Tt管壁平均温度，K； t、w分别为管壁和炉墙的黑度。,202,综上所述，管外综合传热系数 ：,管外的结垢热阻：,烧气体燃料或带有吹灰装置的烧液体燃料的炉子 ： 不大于0.0043m2K/W,没有吹灰装置的采用液体燃料的加热炉： 一般取为0.0086 m2K/W,故包括Ro在内的管外综合传热系数为：,203,6.2.3 对流室传热面积Act的确定,3.总传热系数的Kc的计算：,对流室的总传热系数Kc：,忽略金属