化工原理讲稿(上册)-应化第七章管式加热炉5-文档资料
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第八节 辐射室的传热计算
一、辐射室的设计计算
二、辐射室的校核计算 三、关于辐射室操作的几点说明
第八节 辐射室的传热计算
一、辐射室的设计计算
设计计算解决的问题包括：
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；
第八节 辐射室的传热计算
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：
但实际的炉管根数应选为管程数N的整数倍
第八节 辐射室的传热计算
(3)炉膛的直径D：
根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1.5do）， 即为实际炉膛的直径。即： D=D’+1.5do×2=D’+3do
第八节 辐射室的传热计算
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
A n d Rt oL ef
n
D '
S1
2 A D 'd L S Rt o ef/ 1
取 Lef=(1.7～3.0)D’
S 1A Rt D ' ( 1 .72 .5 ) 2do
第八节 辐射室的传热计算
(2)炉管根数n：
所需炉管总数n应为：
A Rt n d o L ef
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。
第八节 辐射室的传热计算
辐射室内的对流方式传热速率QRC为：
Q A ( T T RC RC Rt g t)
式中：α RC－对流给热系数，W/(m2.K)； ARt－辐射管外表面积，m2。
③炉管受热的不均匀性
第八节 辐射室的传热计算
2. 辐射管表面积ARt
A Q / q ( 70 80 %) Q / q Rt R R R
Q m eI ( 1 e ) I I v L i
第八节 辐射室的传热计算
3.辐射管管外径do及管心距S1 (1)dO的设计：
由管内冷介质流速u：
第八节 辐射室的传热计算
(2)基本假定：
Tmax >Tg > Tg’>TR >Tt
第八节 辐射室的传热计算
(2)基本假定：
①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)；
②将炽热的烟气与火焰看作一发热面，将管排看作 一吸热面，管壁温度为管内介质平均温度加上50℃； ③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；
第八节 辐射室的传热计算
辐射室中总的传热速率QR为：
T g 4 T t 4 Q Q Q A F { 5 . 67 [( ) ( ) ] 40 ( T T )} R Rr RC CP g t 100 100
第八节 辐射室的传热计算
(2)S1的设计：
增大S1 ，可使炉墙一面的炉管表面达到较大的 局部热强度，从而改善炉管沿圆周方向的受热不
均匀性，也就提高了炉管表面的平均热强度；
管心距一般在1.8～2.25do之间，推荐使用2do
第八节 辐射室的传热计算
4.辐射室或炉膛尺寸
(1)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：2.5～3.0，国内：1.7～2.5 确定：
u .N . d W /3600 i . 4
2
di
1 W 30 Nu
式中：W－管内介质流量，kg/h； N－管程数，一般不用奇数； ρ －管内介质在20℃的密度，kg/m3
第八节 辐射室的传热计算
讨论： a.u↗, di↙，对流传热系数α i↗，有利于传 热；但 u↗,Δ P↗；
b.do=di+2δ （管外径 = 管内径 + 2壁厚）， 壁厚根据压强选定，一般为6～12mm，然后 参照国产炉规格选定。
简化为：在有反射面的情况下，一个发热面与一个 吸热面之间的传热。
第八节 辐射室的传热计算
(3)传热速率方程式：
两黑表面间的辐射换热：
T T 1 4 2 4 Q 5 . 67 A ( ) ( ) 12 ef 100 100
引入F，辐射室内的辐射传热速率QRr为：
T T g 4 t 4 Q 5 . 67 A F ( ) ( ) Rr ef 100 100
q Q R R/A Rt
QR一定（QR=70～80%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
第八节 辐射室的传热计算
影响因素：
①被加热介质的热稳定性： 包括介质的热稳定性、油品芳香烃含量、被 加热介质的流速 ②选用炉管的材质
第八节 辐射室的传热计算
2.计算方法
经验方法：威尔逊· 罗伯－霍特尔计算式 理论方法
罗伯－伊万斯方法 别洛康法 区域法 热流量法 蒙特卡洛法
√
第八节 辐射室的传热计算
3.罗伯－依万斯(Lobo-Evans)法 传热速率方程式
Байду номын сангаас
(1)特点：
①只能计算辐射传热量QR及烟气离开辐射室的温 度Tg； ②不能得到烟气的温度分布及热强度分布； ③不适用于高径比Lef/D’>3的情况； ④适合于纯加热或热强度分布较均匀的加热炉。
第八节 辐射室的传热计算
取α RC=11.36W/( m2· K)；F=0.57； ARt≈2Aef。 而当量冷平面面积Aef=φ ACP 其中：φ －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 代入上式，则：
F Q 11 . 36 2 A T T ) 40 A F ( T T ) RC CP ( g t CP g t 0 . 57
其表面积和当量冷平面面积应分别计入辐射管的 面积和当量冷平面内 烟气对遮蔽管的角系数令其等于1
第八节 辐射室的传热计算
二、辐射室的校核计算 1.存在的问题 a.辐射室内的燃料燃烧机理尚不清楚； b.发热面即烟气的温度、组成处处不同，即： εg=f(PCO2，PH2O，L，Tg)， PCO2，PH2O=f(r，Z，θ )，Tg= f(r，Z，θ )； c.吸热面为一灰表面，炉管管壁温度与管内油品 温度有关，且处处不同； d.吸热面不连续，炉墙有反射作用
一、辐射室的设计计算
二、辐射室的校核计算 三、关于辐射室操作的几点说明
第八节 辐射室的传热计算
一、辐射室的设计计算
设计计算解决的问题包括：
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；
第八节 辐射室的传热计算
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：
但实际的炉管根数应选为管程数N的整数倍
第八节 辐射室的传热计算
(3)炉膛的直径D：
根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1.5do）， 即为实际炉膛的直径。即： D=D’+1.5do×2=D’+3do
第八节 辐射室的传热计算
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
A n d Rt oL ef
n
D '
S1
2 A D 'd L S Rt o ef/ 1
取 Lef=(1.7～3.0)D’
S 1A Rt D ' ( 1 .72 .5 ) 2do
第八节 辐射室的传热计算
(2)炉管根数n：
所需炉管总数n应为：
A Rt n d o L ef
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。
第八节 辐射室的传热计算
辐射室内的对流方式传热速率QRC为：
Q A ( T T RC RC Rt g t)
式中：α RC－对流给热系数，W/(m2.K)； ARt－辐射管外表面积，m2。
③炉管受热的不均匀性
第八节 辐射室的传热计算
2. 辐射管表面积ARt
A Q / q ( 70 80 %) Q / q Rt R R R
Q m eI ( 1 e ) I I v L i
第八节 辐射室的传热计算
3.辐射管管外径do及管心距S1 (1)dO的设计：
由管内冷介质流速u：
第八节 辐射室的传热计算
(2)基本假定：
Tmax >Tg > Tg’>TR >Tt
第八节 辐射室的传热计算
(2)基本假定：
①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)；
②将炽热的烟气与火焰看作一发热面，将管排看作 一吸热面，管壁温度为管内介质平均温度加上50℃； ③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；
第八节 辐射室的传热计算
辐射室中总的传热速率QR为：
T g 4 T t 4 Q Q Q A F { 5 . 67 [( ) ( ) ] 40 ( T T )} R Rr RC CP g t 100 100
第八节 辐射室的传热计算
(2)S1的设计：
增大S1 ，可使炉墙一面的炉管表面达到较大的 局部热强度，从而改善炉管沿圆周方向的受热不
均匀性，也就提高了炉管表面的平均热强度；
管心距一般在1.8～2.25do之间，推荐使用2do
第八节 辐射室的传热计算
4.辐射室或炉膛尺寸
(1)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：2.5～3.0，国内：1.7～2.5 确定：
u .N . d W /3600 i . 4
2
di
1 W 30 Nu
式中：W－管内介质流量，kg/h； N－管程数，一般不用奇数； ρ －管内介质在20℃的密度，kg/m3
第八节 辐射室的传热计算
讨论： a.u↗, di↙，对流传热系数α i↗，有利于传 热；但 u↗,Δ P↗；
b.do=di+2δ （管外径 = 管内径 + 2壁厚）， 壁厚根据压强选定，一般为6～12mm，然后 参照国产炉规格选定。
简化为：在有反射面的情况下，一个发热面与一个 吸热面之间的传热。
第八节 辐射室的传热计算
(3)传热速率方程式：
两黑表面间的辐射换热：
T T 1 4 2 4 Q 5 . 67 A ( ) ( ) 12 ef 100 100
引入F，辐射室内的辐射传热速率QRr为：
T T g 4 t 4 Q 5 . 67 A F ( ) ( ) Rr ef 100 100
q Q R R/A Rt
QR一定（QR=70～80%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
第八节 辐射室的传热计算
影响因素：
①被加热介质的热稳定性： 包括介质的热稳定性、油品芳香烃含量、被 加热介质的流速 ②选用炉管的材质
第八节 辐射室的传热计算
2.计算方法
经验方法：威尔逊· 罗伯－霍特尔计算式 理论方法
罗伯－伊万斯方法 别洛康法 区域法 热流量法 蒙特卡洛法
√
第八节 辐射室的传热计算
3.罗伯－依万斯(Lobo-Evans)法 传热速率方程式
Байду номын сангаас
(1)特点：
①只能计算辐射传热量QR及烟气离开辐射室的温 度Tg； ②不能得到烟气的温度分布及热强度分布； ③不适用于高径比Lef/D’>3的情况； ④适合于纯加热或热强度分布较均匀的加热炉。
第八节 辐射室的传热计算
取α RC=11.36W/( m2· K)；F=0.57； ARt≈2Aef。 而当量冷平面面积Aef=φ ACP 其中：φ －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 代入上式，则：
F Q 11 . 36 2 A T T ) 40 A F ( T T ) RC CP ( g t CP g t 0 . 57
其表面积和当量冷平面面积应分别计入辐射管的 面积和当量冷平面内 烟气对遮蔽管的角系数令其等于1
第八节 辐射室的传热计算
二、辐射室的校核计算 1.存在的问题 a.辐射室内的燃料燃烧机理尚不清楚； b.发热面即烟气的温度、组成处处不同，即： εg=f(PCO2，PH2O，L，Tg)， PCO2，PH2O=f(r，Z，θ )，Tg= f(r，Z，θ )； c.吸热面为一灰表面，炉管管壁温度与管内油品 温度有关，且处处不同； d.吸热面不连续，炉墙有反射作用