加熱爐課件：第九講-輻射室的計算

1、中國石油大學(xué)第九講 輻射室的傳熱計算輻射室的傳熱計算羅伯-依萬斯（Lobo-Evans）方法任務(wù)的復(fù)雜性輻射室傳熱傳熱計算 確定輻射室熱負(fù)荷 確定煙氣出輻射室的溫度結(jié)構(gòu)尺寸的計算煙氣流動方向上有溫度梯度;整個爐膛內(nèi)的煙氣溫度不均勻;各處管壁的溫度不相等；暴露的爐墻接受熱量、給管排反射熱量、還向大氣散熱損失熱量。輻射室傳熱計算的方法 經(jīng)驗法：比較著名的有Wilson，Lobo，Hottel，但這類公式有很大局限性，所以較少采用。 理論分析法： Lobo-Evans：在煉油工業(yè)中無反應(yīng)的爐廣泛應(yīng)用。別洛康：化工中裂解爐應(yīng)用較多。區(qū)域法：霍特爾和科恩（Hottel and Cohen，1958），計

2、算比較精確，但耗機時間長。蒙特卡洛（Monte Carlo）法：霍威爾（Howell，1968），應(yīng)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計基本原理，來分析和解決輻射傳熱問題，理論和實踐證明，該法數(shù)學(xué)模型簡單，易于掌握，電算省時。 一 輻射室中的傳熱過程 輻射室中傳熱過程涉及的幾個溫度： Tmax 燃料燃燒時，理論火焰最高溫度；Tg 輻射室中煙氣的平均溫度；Tg離開輻射室的煙氣溫度；TR 暴露爐墻的溫度；Tt 管排的平均溫度。 tgtg1 輻射室中的高溫火焰及煙氣，在單位時間內(nèi)傳給輻射管的熱量由兩部分組成 火焰及煙氣直接輻射給爐管的熱量?；鹧婕盁煔馔ㄟ^反射墻間接傳給爐管的熱量。 火焰及煙氣以輻射方式傳給爐管的熱量

3、煙氣以對流的方式傳給爐管的熱量。 輻射室中的傳熱過程2 爐墻 接受火焰及煙氣以輻射和對流的方式放出的熱量。 將熱量透過半透明的氣體介質(zhì)反射給管排。 向大氣散失熱量。 3 管排吸收的熱量來自兩部分 來自火焰及煙氣的直接輻射和對流，8090%。來自暴露爐墻的反射，1020%。 輻射室傳熱模型Tmax Tg Tg TR Tt 羅伯-依萬斯（Lobo-Evans）方法 整個輻射室中，氣體只有一個溫度Tg，它是輻射傳熱的熱源。 吸熱只有一個溫度，即管外壁溫度Tt。 反射面也只有一個溫度，反射面為全反射。 吸熱面為灰表面。 簡化為：在有反射面的情況下，一個發(fā)熱面與一個吸熱面之間的傳熱。對流給未敷設(shè)爐管爐墻

4、的熱量等于其散熱損失，從輻射的角度將爐墻看成一全反射面； 假定：二 傳熱速率方程式 1. 輻射室內(nèi)以輻射方式傳遞的熱量(根據(jù)一物包一物的輻射換熱）： * 火焰和熾熱煙氣為發(fā)熱面； * 管排為吸熱面； * 除去敷設(shè)吸熱面以外的其它耐火磚墻為反射面。 Aef 煙氣對管排的有效輻射面積，m2, Aef = Acp; F總輻射交換因數(shù)，與黑度g、t、反射面的面積有關(guān)。 冷平面面積輻射傳遞的熱量： 2. 輻射室中對流傳遞的熱量： QRc = RcARt( Tg- Tw )因為對流傳熱在輻射室里不占主要地位，故進行一些簡化：F = 0.57 ARt 2 Aef Aef = Acp Rc- 對流傳熱系數(shù)，通

5、常取Rc = 11.36 W/(m2K) Art -輻射管外表面積3.傳熱速率方程式故輻射室中總的傳熱速率 = f ( Tg，Tw ) 只是煙氣溫度Tg和管壁溫度Tw的函數(shù)輻射室的傳熱速率可查表得出（圖表法）輻射室中總的傳熱速率 如何計算有效輻射面積Aef、總輻射交換系數(shù)F煙氣溫度Tg以及管壁溫度Tw？三 傳熱速率方程式中各參數(shù)的確定 （1）有效輻射面積的確定 -冷平面面積的計算冷平面面積：管排所占據(jù)的全部面積（包括間隙）Acp =( n 1 ) S1 + d0 Lef nS1Lef n-爐管根數(shù)S1-管心距d0-管外徑Lef-爐管有效長度火焰及煙氣直接輻射至冷平面的輻射能全部落在冷平面上，即

6、角系數(shù)等于1！（1）有效輻射面積的確定 -煙氣對管排的角系數(shù)1. 并不是所有輻射能都被管排吸收，部分輻射能會從管子之間的間隙通過2. 管排后的耐火磚，會反射輻射能，反射的輻射能會再次被管排吸收一部分首要解決問題：高溫?zé)煔馀c火焰發(fā)出的輻射能有多少被管排吸收角系數(shù)問題火焰及煙氣對管排的角系數(shù)（用交叉線法）：對爐墻的角系數(shù)：（1）有效輻射面積的確定 -煙氣對管排的角系數(shù)假設(shè)輻射能為1，則由爐墻反射的輻射能再次被管排吸收的能量為：落在管排上的總輻射能（分率）：（1）有效輻射面積的確定 -煙氣對管排的角系數(shù)影響的因素： 管排排列方式（單排，雙排）； 管排密度 ； 管排受熱方式（單面或雙面輻射）。 1對單

7、排管的直接輻射2對雙排管的直接輻射或單排管受直接輻射及反射更加復(fù)雜條件下的管排平均角系數(shù)圖（2）總交換因素F的確定L-E方法引用了霍特爾推導(dǎo)的結(jié)果： 式中，t 管壁黑度，碳鋼管0.9，不銹鋼管0.8； g 煙氣的黑度； AR 有效反射面面積，約等于爐墻總面積減去有效輻射面積：AR = A - Acp 3 反射面對管排的角系數(shù)。 當(dāng)t給定時： （2）總交換因素F的確定（2）總交換因素F的確定煙氣黑度的確定根據(jù)氣體熱輻射的特點煙氣中CO2和H2O的分壓平均輻射長度L煙氣溫度Tg 煙氣的黑度g煙氣黑度的確定通過過?？諝庀禂?shù)確定CO2和水蒸氣分壓過剩空氣系數(shù)對煙氣的影響？煙氣黑度的確定通過氣體pL值與

8、煙氣溫度確定煙氣黑度注意：實際中除了CO2和水蒸氣之外，火焰中懸浮的炭粒也具有較強的輻射能力，并發(fā)出發(fā)光火焰，這種火焰也具有相當(dāng)大的黑度，在設(shè)計中也要加入對火焰輻射的考慮（2）總交換因素F的確定式中，t 管壁黑度，碳鋼管0.9，不銹鋼管0.8； g 煙氣的黑度； AR 有效反射面面積，約等于爐墻總面積減去有效輻射面積：AR = A - Acp 3 反射面對管排的角系數(shù)。 當(dāng)t給定時： 確定煙氣黑度之后，便可以得出總交換因素F（三）管壁溫度Tw 的確定 壁溫低于773K時，可按經(jīng)驗以管內(nèi)介質(zhì)的平均溫度加上50K，即： 式中，1 、2 管內(nèi)介質(zhì)在輻射室入口、出口的溫度，K。 對于純加熱爐： 1 =

9、 2 - （0.70.8）（ 2 1） 1 管內(nèi)介質(zhì)在對流室入口的溫度，K。 傳熱速率方程:在計算出Aef、F以及Tw之后，現(xiàn)在需要確定Tg，從而才能確定QR四 輻射室熱平衡方程輸入的熱量：* 燃料燃燒產(chǎn)生的熱量BQ1； * 燃料、空氣、霧化劑帶入的顯熱，如空氣未預(yù)熱（此項在本課程中忽略）輸出的熱量：* 管排吸收的熱量QR； * 輻射室爐墻散失的熱量BqL，通常為（1%3%）BQ1； * 離開輻射室的煙氣帶走的顯熱量Bqg。 輻射室熱平衡方程由能量守恒，可得熱平衡方程： BQ1 = QR + BqL + Bqg 或 QR = B( Q1 qL qg ) 注： ，而qg主要與煙氣出輻射室的溫度T

10、g和過?？諝庀禂?shù)有關(guān)。當(dāng)過?？諝庀禂?shù)一定時，qg僅是Tg的函數(shù) ，表示為qg=f(Tg) 五 用圖解法確定QR和Tg 步驟： 假定一個Tg(1)，通過熱平衡方程求出 ； 在圖730上找到一點(Tg(1)， )； 如果這一點落在傳熱速率方程曲線的左上方，則Tg(2)= Tg(1)+ ( 100200 )； 由新的Tg(2)通過熱平衡方程求出 ； （Tg(1)， ）與（Tg(2)， ）兩點連線（熱平衡方程）與傳熱速率方程曲線的交點的橫坐標(biāo)，即為所求的Tg，縱坐標(biāo)為 。圖7-30六 迭代法 傳熱速率方程為： 熱平衡方程為： 令Tg的函數(shù)為： 對上式微分得： 用牛頓迭代法進行迭代： 六 迭代法 煙氣出

11、輻射室時帶走的熱量qg，可以由煙氣在溫度Tg時的焓值求得。工程運算中常以T = 273.16K為基準(zhǔn)，即在273.16K時各組分的熱焓值為零。 煙氣帶走的熱量對Tg求導(dǎo)： 計算框圖 羅伯依萬斯(Lobo-Evans)法局限性： 只能計算輻射傳熱量QR及煙氣離開輻射室的溫Tg；不能得到煙氣的溫度分布及熱強度分布；不適用于高徑比Lef/D3的情況；適合于熱強度分布較均勻的加熱爐。 幾點說明 遮蔽管及處理 無反射錐的空心圓筒爐中對流室下部的第一排管其表面積和當(dāng)量冷平面面積應(yīng)分別計入輻射管的面積和當(dāng)量冷平面內(nèi) 煙氣對遮蔽管的角系數(shù)令其等于1 3.強化輻射室內(nèi)傳熱過程的措施降低過?？諝庀禂?shù)雙面輻射減少控

12、制熱阻4. 輻射室熱負(fù)荷改變?nèi)绾握{(diào)節(jié)熱負(fù)荷變化較小可以采用改變?nèi)剂嫌昧康姆椒ㄗ⒁鉅t膛溫度及火嘴的燃燒情況變化。5.高溫涂料與管內(nèi)強化傳熱 如果爐墻保溫良好，原理上涂料不應(yīng)有用； 即使發(fā)揮作用應(yīng)該是爐墻涂料的黑度很??；爐管涂料黑度很大；輻射室結(jié)構(gòu)設(shè)計對于現(xiàn)有加熱爐的計算：爐子結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)是已知的，可以直接適用輻射室的傳熱速率方程進行計算在新設(shè)計加熱爐時：爐膛大小、爐管直徑、管心距、管數(shù)等參數(shù)都是未知的。故需要先確定參數(shù)，再利用傳熱速率方程進行核算一、輻射管表面熱強度及主要結(jié)構(gòu)尺寸 （一）輻射管表面熱強度qR （W/m2） qR指單位時間內(nèi)通過單位爐管表面積所傳遞的熱量。 QR一定時，qR越大，

13、ARt越小，基建費用就越低ARt一定時， qR越大，生產(chǎn)能力越強熱強度qR的大小決定了爐子傳熱面積的大小熱強度也不能太大，受到很多實際因素的限制 影響輻射管表面熱強度qR的因素被加熱介質(zhì)的熱穩(wěn)定性 選用的爐管材質(zhì)注意：計算出的輻射管熱強度是一個平均值，而實際情況是當(dāng)平均值尚未達到容許熱強度之前，可能在個別爐管的局部表面，早已超過了容許熱強度，甚至引起爐管的鼓泡或者破裂原因：爐管受熱不均勻，一是沿管長方向受熱不均，二是沿每根爐管的圓周方向受熱不均勻。熱強度的不均勻系數(shù)：爐管的平均熱強度與最高熱強度的比值。沿管長方向受熱不均勻：由于火嘴布置在爐子的一端。如圖736。 沿圓周方向受熱不均勻：如圖73

14、7。 （二）輻射管表面積ARt 在設(shè)計新加熱爐時，先根據(jù)表77選定爐管表面熱強度qR，而輻射室的熱負(fù)荷由工藝條件確定，所以： 其中QR可按全爐熱負(fù)荷的（7080）%來賦初值，即： QR = （0.70.8）Q 下表列出了煉油廠中幾種加熱爐輻射管表面熱強度與管內(nèi)介質(zhì)流速的推薦值（三）輻射管管徑d0及管心距S1 根據(jù)表7-7選擇一個管內(nèi)介質(zhì)流速u。d0 = di +2 一般在(1.82.25)d0之間，推薦使用2d0。 管徑管心距dO的設(shè)計： u, di，對流傳熱系數(shù)i，有利于傳熱； u,P 管內(nèi)冷介質(zhì)流速u20由設(shè)計規(guī)范得到； 管程數(shù)N不易為奇數(shù)，一般8 do=di+2；壁厚根據(jù)壓強選定，一般為

15、612mm （三）輻射管管徑d0及管心距S1 S1的設(shè)計： 管心距一般在1.82.25do之間，推薦使用2do（三）輻射管管徑d0及管心距S1 （四）輻射室或爐膛尺寸 輻射管的有效長度和中心節(jié)圓直徑的確定：高徑比: 爐管的有效長度與中心節(jié)圓直徑的比值。 DS1（四）輻射室或爐膛尺寸 圓 筒 爐取 Lef=(1.73.0)D Lef/D國外：2.53.0，國內(nèi)：1.72.5 爐管總數(shù)n選為管程數(shù)N的整數(shù)倍管中心至爐壁的距離一般取1.5do（四）輻射室或爐膛尺寸 （四）輻射室或爐膛尺寸 爐膛高度 根據(jù)國產(chǎn)鋼管規(guī)格選用合適的管長。爐膛的高度應(yīng)根據(jù)爐管采用何種支撐形式來決定，一般應(yīng)比爐管有效長度約高出1米左右，即：H = Lef + 1 。 爐膛直徑 根