加熱爐課件：第十講 對(duì)流室的傳熱計(jì)算

1、中國(guó)石油大學(xué)第十講 對(duì)流室的傳熱計(jì)算熱平衡方程傳熱速率方程對(duì)流室傳熱面積表面熱強(qiáng)度一、對(duì)流室的傳熱計(jì)算 設(shè) 計(jì) 計(jì)算對(duì)流室傳熱面積和結(jié)構(gòu)尺寸。核 算 計(jì)算對(duì)流室的熱負(fù)荷計(jì)算方法 聯(lián)解傳熱速率方程和熱平衡方程關(guān)鍵問(wèn)題 解決綜合傳熱系數(shù)對(duì)流傳熱系數(shù)結(jié)構(gòu)尺寸 結(jié)垢熱阻平均溫度差 煙氣流動(dòng)方向與管束垂直為確保對(duì)流傳熱，煙氣出對(duì)流室的溫度T2與管內(nèi)介質(zhì)入爐的溫度ti1要保持適當(dāng)?shù)臏夭?，并?jù)此來(lái)確定煙氣出對(duì)流室的溫度（推薦溫差為100150）。 平均溫度差 煙氣流動(dòng)方向與管束平行光管、釘頭管或翅片管爐管型式：由燃料性質(zhì)確定，一般，在對(duì)流室中都應(yīng)安裝吹灰裝置，以減小污垢熱阻。對(duì)流室經(jīng)驗(yàn)選取尺寸光管：管間距

2、S1 /dc =1.52釘頭管：管間距S1 /dc =22.4說(shuō)明：一般 S1=2dc。 S1 受限于彎頭規(guī)范，特制彎頭需訂做 S2層間距受制于爐管的排列方式 S2對(duì)流管層間距并不總是的高(2)管間距S1與層間距S2 ： 煙氣的質(zhì)量速度Gg * 光管：SC = ( 1.52 ) dC Gg = ( 1.52 ) kg/(m2s) * 釘頭管或翅片管：SC = ( 22.4 ) dC Gg = ( 24 ) kg/(m2s) 式中，mg 煙氣的質(zhì)量流量，kg/h； af 每根光管或釘頭管或翅片管所占的流通截面積，m2； nW 每排對(duì)流管的根數(shù)。 ds 釘頭直徑或翅片厚度，m； dp縱向釘頭或翅片

3、間距，m； l 釘頭或翅片高度，m； LC 對(duì)流管有效長(zhǎng)度，m； 釘頭數(shù)。 (3)對(duì)流管有效長(zhǎng)度Lc： 對(duì)流管有效長(zhǎng)度： 原則：對(duì)流室最窄截面處煙氣的質(zhì)量流速在規(guī)定范圍： 光管：Gg=1.52kg/(m2S)； 釘頭管：Gg=24kg/(m2S)。a 對(duì)流室的長(zhǎng)度 對(duì)流室外形長(zhǎng)度：LK = D- ( 0.40.6 )b 對(duì)流管的有效長(zhǎng)度 LC = LK 2( 0.2 + h1 + h2 ) 對(duì)流管橫向排列的圓筒爐：c.對(duì)流室的寬度 * 采用光管，排列方式為三角形，且每排爐管根數(shù)相同時(shí)，對(duì)流室凈寬度為： b = ( nW 1 ) SC + 0.5SC + SC = ( nW + 0.5 ) SC

4、 * 對(duì)流管采用釘頭管或翅片管，三角形排列時(shí)，對(duì)流室凈寬度為： b = ( nW 1 ) SC + 0.5SC + dC + 2 l + ( 0.030.05 ) 對(duì)流室設(shè)計(jì)流程管式爐的對(duì)流室一般采用箱型，截面為長(zhǎng)方形煙氣的流速與截面的面積有關(guān)煙氣流速越高，傳熱系數(shù)增加，對(duì)流管減小煙囪增高煙氣流速越低，壓降越低，對(duì)流管增加煙囪降低截面長(zhǎng)寬的確定對(duì)流室外部長(zhǎng)度Lk，以及有效長(zhǎng)度Lc光管或者翅片管時(shí)的對(duì)流室寬度b（長(zhǎng)寬比對(duì)管長(zhǎng)的影響）對(duì)流室高度的確定根據(jù)截面積以及熱負(fù)荷5 對(duì)流總傳熱系數(shù) （一）管內(nèi)介質(zhì)的對(duì)流傳熱系數(shù)i使用條件：Re 104，0.7 Pr 60 考慮結(jié)垢熱阻： 西德?tīng)柼┨販?zhǔn)數(shù)式：?jiǎn)?/p>

5、相流，管內(nèi)，強(qiáng)制流動(dòng)當(dāng)爐管內(nèi)介質(zhì)只存在液體時(shí)，為單相流當(dāng)爐管內(nèi)介質(zhì)為氣液混合時(shí)，為兩相流對(duì)于單相流：說(shuō)明：a.，t管內(nèi)介質(zhì)在平均溫度和管壁溫度下的粘度，Pas； b.使用條件：Re104，0.7Pr60，特別適用于粘性流體。對(duì)于空氣，應(yīng)用0.023代替0.027； c.若關(guān)鍵性熱阻在氣膜，可選經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如：當(dāng)管內(nèi)為原油時(shí)：i=1163W/(m2K)；裂化原料：i=930W/(m2K)；重油：i=698W/(m2K)； d.加熱爐爐管內(nèi)的結(jié)垢熱阻Ri可查附錄，故包括Ri在內(nèi)的管內(nèi)對(duì)流傳熱膜系數(shù)為：（二）管外綜合傳熱系數(shù)ho 對(duì)流室中管外的傳熱過(guò)程與一般換熱器殼程不同，除了煙氣以對(duì)流方式向管束和爐

6、墻傳熱外，煙氣同時(shí)以輻射方式向管束和爐墻傳遞熱量，而爐墻還向管束輻射熱量。所以對(duì)流室管外綜合傳熱系數(shù)ho應(yīng)包括三部分。 煙氣的對(duì)流傳熱系數(shù)oc ho 煙氣的輻射系數(shù)hor 爐墻的輻射系數(shù)hoW -與管束的排列形式有關(guān)的系數(shù) 正三角排列： = 0.33 正方形排列： = 0.26 g -煙氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)cg-煙氣的定壓比熱容，J/(kgK)g-煙氣的粘度，Pa s努塞爾（Nusselt）準(zhǔn)數(shù)方程式： （1） 煙氣的對(duì)流傳熱系數(shù)oc： 兩種情況：煙氣與管束平行，煙氣與管束垂直（應(yīng)用條件：Re3000)Gmax 煙氣在最小自由截面處的質(zhì)量流速，kg/(m2.s)； Tg 煙氣平均溫度，等

7、于管內(nèi)介質(zhì)的平均溫度加上對(duì)數(shù)平均溫度，K；dc 對(duì)流管外徑蒙拉特(Monrad)關(guān)聯(lián)式：（1） 煙氣的對(duì)流傳熱系數(shù)oc： 釘頭管或翅片管的對(duì)流傳熱系數(shù)of f-翅片管或釘頭管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2K)A0-光管的外表面積，m2/mAt-翅片管或釘頭管的光管部分的面積，m2/mAf-翅片管或釘頭管的翅片或者釘頭部分的面積m2/m-翅片效率對(duì)于釘頭管，當(dāng)煙氣流動(dòng)方向與管束垂直時(shí)：可用蒙拉特關(guān)聯(lián)式翅片效率的確定對(duì)于釘頭管其中：f-鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)， f=43W/(mK)ds-釘頭的直徑，ml-翅片高，m翅片效率的確定(c)布里吉什（Briggs）準(zhǔn)數(shù)方程式： 式中：dp翅片與翅片的間隙，m；l翅片高

8、度，m。環(huán)形（橫向）翅片管 ，正三角形排列的管束： （1） 煙氣的對(duì)流傳熱系數(shù)oc： 對(duì)于翅片管(2) 煙氣的輻射系數(shù)hor 式中：t管壁的黑度， t=0.9；g煙氣的黑度；g 煙氣的吸收率；Tg，Tt分別為氣體和管壁的溫度，K。按照氣體與外殼間的輻射換熱處理：需要知道氣體的吸收率g和黑度g(2) 煙氣的輻射系數(shù)hor 當(dāng) 時(shí)， 平均輻射長(zhǎng)度L 光管 釘頭管或翅片管 L = ( 46 ) dp= ( 46 ) ( dc 2l ) 當(dāng) 時(shí)， 氣體的吸收率g和黑度g與氣體的分壓p和輻射長(zhǎng)度L有關(guān)其中：Sc是管心距，Sb是排心距分壓黑度煙氣平均溫度： 管壁平均溫度： 其中，T 對(duì)流室對(duì)數(shù)平均溫差；

9、1，1分別為油品進(jìn)出對(duì)流室的溫度，K。 當(dāng)管壁溫度較低時(shí)，Tg4 Tt4，可取g g 。 經(jīng)驗(yàn)取值：(3) 爐墻的輻射系數(shù)hoW 近似假定： 不考慮爐墻的散熱損失； 煙氣對(duì)爐墻與煙氣對(duì)管束的對(duì)流傳熱系數(shù)相等。 其中，oc 煙氣的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2.K) （如果是釘頭管或翅片管,則為f ）； hor，how 分別為煙氣和爐墻的輻射系數(shù)，W/(m2.K)； Aw 爐墻的表面積； Tg，Tw，Tt 分別為煙氣，爐墻和管壁的溫度，K。 ( oc + hor ) ( Tg Tw ) Aw = how ( Tw Tt ) Aw 蒙拉特（Monrad）假定：爐墻和管束為兩個(gè)無(wú)限大的平行平面間的換熱，兩

10、者面積相等，所以角系數(shù)為1。 其中，Tt 管壁的平均溫度，K； t 管壁的黑度。 包括煙氣輻射和爐墻輻射在內(nèi)的對(duì)流管管外綜合傳熱系數(shù)為： 光管： ho = ( 1 + f ) ( oc + hor ) 翅片管或釘頭管： ho = ( 1 + f ) (f + hor ) 定義：爐墻輻射校正系數(shù)f 包括結(jié)垢熱阻在內(nèi)的管外綜合傳熱系數(shù)為:（三）對(duì)流管的總傳熱系數(shù)Kc 光管：翅片管或釘頭管： 6 對(duì)流管的全表面積與表面熱強(qiáng)度 對(duì)流管全表面積對(duì)流管的總排數(shù)對(duì)流管的表面熱強(qiáng)度作用：提高加熱爐的熱效率 排列：需根據(jù)溫差合理安排，盡量將其放置在煙氣溫度不超過(guò)450之處，這樣就可以使用碳鋼管；管程數(shù)應(yīng)采用偶數(shù)

11、，以便使進(jìn)出口聯(lián)接都安置在爐子的同一側(cè)。 7 過(guò)熱水蒸氣管的計(jì)算7 過(guò)熱水蒸氣管的計(jì)算7 過(guò)熱水蒸氣管的計(jì)算總傳熱系數(shù) 其中，2 水蒸氣（管內(nèi)）的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2.K)； h1 煙氣對(duì)管束（管外）的綜合傳熱系數(shù)，W/(m2.K)； GW 管內(nèi)過(guò)熱水蒸氣的質(zhì)量流速，kg/( m2.s)； di 水蒸氣管內(nèi)徑。 例76 根據(jù)例74和例75的條件及計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行對(duì)流室的傳熱計(jì)算。 思路：求解對(duì)流室的長(zhǎng)、寬、高，管子的管徑、管長(zhǎng)、管數(shù)等對(duì)流室傳熱面積溫差熱負(fù)荷傳熱系數(shù)對(duì)流室長(zhǎng)度對(duì)流室寬度管數(shù)、管心距輻射室節(jié)心圓直徑管徑通常選取與輻射室管子相同的直徑解：1 對(duì)流室的熱負(fù)荷 Qc = Q QR =

12、 9.650 7.438 = 2.212 (MW) 2 對(duì)流室的對(duì)數(shù)平均溫差（按照垂直換熱）煙氣： T1 = 1051 K T2 = 710 K油品： 1= 629 K 1 = 610 K t1 = 422 K t2 = 100 K油品平均溫度： 煙氣平均溫度： Tg = m + T = 843.1 K管壁平均溫度： Tt = m + 50 = 669.5 K煙氣的輻射系數(shù)3 對(duì)流室主要尺寸 對(duì)流管擬選用1278釘頭管，管心距為2dC，每排為nW = 8根爐管。 對(duì)流室寬度： b = ( nW 0.5 ) SC + dC + 2 l + ( 0.030.05 ) = ( 8 0.5 )20.1

13、27 + 0.127 + 2( 0.025 + 0.03 ) = 2.142 (m)選取釘頭管： 釘頭直徑ds = 12mm 每周釘頭數(shù)12個(gè) 釘頭縱向間距dp= 16mm 釘頭高l = 25mm 煙氣在最小截面處的質(zhì)量速度：選Gg = 2.0kg/(m2s) 對(duì)流室長(zhǎng)度： LC = 3.20 (m)每根釘頭管所占的流通截面積： 相鄰兩周釘頭交錯(cuò)排列 dp= 20.016m每側(cè)釘頭數(shù): (kg/(m2.s) 計(jì)算出來(lái)的Gg符合選取的Gg4 總傳熱系數(shù)（1）管內(nèi)油品的對(duì)流傳熱系數(shù)i 也可以直接取值：i = 698 W/(m2.K) Ri = 0.000344 m2.K/W (W/(m2.K) 若

14、關(guān)鍵性熱阻在氣膜，可選經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如：當(dāng)管內(nèi)為原油時(shí)：i=1163W/(m2K)；裂化原料：i=930W/(m2K)；重油：i=698W/(m2K)； 可采用進(jìn)行計(jì)算（2） 管外綜合傳熱系數(shù)ho 蒙拉特關(guān)聯(lián)式（光管）：對(duì)于釘頭管：其中：需要求解自由截面積、傳熱周邊長(zhǎng)對(duì)于管外對(duì)流系數(shù)：管外對(duì)流系數(shù)自由截面積 = Lcb nWaf = 3.22.142 - 80.4664 = 3.1232 (m2)傳熱周邊長(zhǎng) = 2lnp + Lc 28W/(m2.K) 計(jì)算總的傳熱系數(shù)用翅片管或釘頭管： L = ( 46 ) 相鄰兩爐管的釘頭頂端距離p = 5( dc 2l )= 5( 0.127 - 20.02

15、5 ) = 0.385 (m) 查值得煙氣黑度：g = 0.17 取 g g = 0.17 W/(m2.K) 對(duì)于煙氣的輻射系數(shù)W/(m2.K) AW = 2Sc = 220.1270.866 = 0.440 (m2/m) 對(duì)于爐墻的輻射系數(shù)：求解爐墻輻射校正系數(shù)：爐墻表面積：管外表面積：釘頭管外表面積：計(jì)算總傳熱系數(shù)ho = ( 1 + f ) ( f + hor ) = ( 1 + 0.0311 )( 28.79 + 16.05 ) = 46.23 W/(m2.K)選取管外結(jié)垢熱阻：Ro = 0.0086 m2.K/WW/(m2.K) （3）對(duì)流管的總傳熱系數(shù)光管管內(nèi)表面積：Ai = dinW = 0.1118 =