加热炉辐射室传热计算

传热速率 方程式: 热平衡 方程式:
Hs
Tp
4 T 4 T p w h Rc A Rt (Tp Tw ) Q R Q Rr Q Rc Cs H s 100 100
BQl T B(mi ci )Tp (Tp T0 ) Q R
这三步就是为了得到辐射管表面积的数值Biblioteka Baidu进而计 算辐射室实际热负荷。待算出热负荷后，再用式
qR QR A Rt
检验炉管表面热强度是否合适。若合适，则计算出的 所有尺寸即为所求。
影响辐射管表面热强度的因素 被加热介质的热稳定性 注 意 选用炉管的材质
计算出的辐射管热强度是一个平均值，而实 际情况是当平均值尚未达到容许热强度以前，可 能在个别炉管的局部表面，早已超过了容许热强 度，甚至引起了炉管的鼓包或破裂。 炉管受热不均匀。一是沿管长方向受热不均 匀; 二是沿每根炉管的圆周方向受热不均匀。 热强度的不均匀系数：炉管的平均热强度与最高 热强度的比值。 表1-1列出了炼油厂中几种加热炉辐射管表 面热强度与管内介质流速的推荐值。
热平衡方程式中各参数的计算
Q n B Ql 燃料总发热量 空气、燃料、雾化蒸汽带入的热量 q a L 0Ca (Ta 273.15) 空气带入的热量 q C (T 273.15) 燃料带入的显热为 q s Ws Cs (Ts 273.15) 雾化蒸汽带入的显热 离开辐射室烟气带走的热量 按图2-2、图4-5查出 辐射室炉墙对外散热损失 燃料总发热量的1～3%
而
q g 是出辐射室烟气温度的函数。在 Q R / A cpF
对 t g的
坐标图上标绘出来，它也近乎一条直线。
图 解 的 方 法
遮蔽管
遮蔽管的表面积和当量 冷平面面积应分别计入辐射
管的面积和当量冷平面之内。
遮蔽管的冷平面面积同样可
用式（4-7）计算。
A cp (n 1) L ef S1 d o L ef
Q R c h R cA R t(Tg Tw )
辐射室的传热速率方程式
T 4 T 4 g w 5.67 A c pF h R cA R t(Tg Tw ) 100 100
衡 方 程 式
Q n Bqa Bqf Bqs Q R BqL Bqg
吸热面为管排时
A 1 R ε F ε g 1 ε 1 A c p g 1 1 ε g RC
F
R =f ( g , A ) A cp
AR A R cp A Acp
管外壁温度
t w τ c p ( d 1 δ Ri )qc p o hi λ di s
分区方法: 立式炉 把耐火墙表面或当量管表面划分成若干个正 方形或长方形，把烟气空间划分为若干立方 体或长方体； 圆筒炉 把侧墙和当量管表面划分为若干圆柱面，把 上下底耐火墙划分为若干环形和圆形，把烟 气空间划分为若干圆柱体和环柱体。
立式炉分区示意图 ｉ－表面区 j－气体区
圆筒炉分区示意图 i－环形表面区 ｊ－柱面表面区 ｋ－环柱体气体区
Q R Q n Bqa Bqf Bqs BqL Bqg
qa qf q s q L q g B Ql QR (1 ) A cpF Q l Q l Q l Q l Q l A cpF
改写成
Q R / A cpF 仅是出辐射室烟气带走热量
q g的函数,
Q R Q n Bqa Bqf Bqs BqL Bqg
联立求解辐射室的传热速率方程式和热平衡方程 式即可得到辐射室热负荷和烟气出辐射室温度。
传热速率方程式中各参数及其计算
烟气对管排的角系数
平 A c p (n 1) Le f S1 d o Le f 均 角 炉管数量较多时 A c p nLe fS1 系 数 A c p
计 算 方 法
经验公式法 威尔逊、罗伯和霍特尔计算式 理论分析法 罗伯-依万斯 法、别洛康法、 巴赫希杨法、蒙特卡罗法、网 络模拟法、热流量法等
4-1 罗伯-依万斯法 一个气体 烟气温度一致 t g，并与辐射 室的烟气出口温度相等。 辐 一个受热面 管排，平均温度 t w 射 一个反射面 暴露炉墙，温度相同 t R 室 管排 t w 传 热 烟气 t g 反 模 射 型 炉墙 t R 散热
冷平面面积 A c p
当量冷平面
总辐射交换因素
F
4 4
引用了霍特尔推导的结果：
Q 5.67AF(T g Tw )
管心距/管外径
F
1 1 1 1 ε t ε F
1 AR ε ε 1 F g ε 1 A g 1 1 ε g R C
4-4 蒙特卡罗法(统计模拟法)
蒙特卡罗法 核心 用分区把炉膛中从整体来看是不均匀的 物理量和性质视为局部均匀 用能束来模拟发射、吸收、反射等实际过程， 统计每区能束的得失从而计算辐射热交换。 能束从发射开始直到最后被表面或气体吸收的全
部历程是由一系列随机数来决定的。这些随机数决定
其发射位置、方向、光谱区间、行程长度以及反射和 吸收。对能束进行跟踪，记录它自发射到被吸收的历 程，并为吸收区记分，最后可以统计出系统中各区发 射和吸收能束数的多少，作为温度分布、热通量的计 算基础。
A Rt nd o L ef
n D' S1
A Rt
D'
2 D' d o (1.7～2.5) S1
L ef 1.7～2.5D'
1.7～2.5 2d o
S1 A Rt
炉膛高度
表 1-2 根据国产钢管规格（见1-4-1 节）选用合适的 管长。炉膛的高度应根据炉管采用何种支撑形式 来决定，一般应比炉管有效长度约高出1米左右。
第四章 辐射室传热计算
4-1 罗伯-依万斯法
4-2 别洛康法 4-3 区域法 4-4 蒙特卡罗法(统计模拟法)
4-5 辐射室表面热强度及主要结构尺寸的确定
4-5 辐射室表面热强度及主要结构尺寸的确定
辐射管表面积
A Rt QR qR
辐射管表面热强度: 辐射室的热负荷 :
选定辐射管表面热强度 q R 按全炉热负荷的70～80%来估计
4-2 别洛康法 特 点: 引入了当量绝对黑表面 基本思路: 辐射室中辐射换热是由两个面积相等、 相距极近、互相平行的绝对黑表面之间进行的。 其中一个平面的温度等于管壁的平均温度，它 代表管排的作用；另一个平面的温度等于离开 辐射室烟气的温度，它代表火焰、烟气的直接 辐射作用。这种平面称为当量绝对黑表面,两个 当量绝对黑表面间的辐射传热速率恰等于火焰、 烟气及炉墙对辐射管的辐射传热速率。
圆 筒 炉
炉管总数
n
A Rt d o L ef
实际的炉管总数应选为管程数的整倍数
炉膛直径 根据实际炉管数算出实际的中心节圆直径， 再加上两倍的管中心至炉壁的距离（一般距离取 1.5），即为实际炉膛的直径。
立式炉炉体大致尺寸：
立 式 炉
宽/长＞0.25 宽/高＞0.25（一般约为0.5） 双室立式炉炉体大致尺寸：
tg
罗伯-依万斯法的基本计算式
辐 射 室 的 传 热
辐 射 室 热 平
速 率 方 程 式
辐射传热速率 对流传热速率
QR QRr QRc
QRr
T 4 T 4 g 5.67 A c pF w 100 100
F
1 τ τ (τ cp 1 2) 2
当管外表面温度低于500℃ 时，可以将管内介质的平均 温度加上30～60℃作为管壁 外表面的温度进行计算。
g
辐射室内烟气对炉管表面的对流传热系数h RC
辐射室中，对流传热所占的比例一般为10%～ 15%，可以作一些简化。罗伯-依万斯建议取 h RC 11.36 W/m2· ℃；戴维斯等则认为在自然通风时，可取为14.19 W/m2· ℃；在强制通风时，可取为15.93 W/m2· ℃。
长/高＜4（一般宽/高=0.5～0.6）
小 结 任 务 传热计算 确定辐射室热负荷 烟气出辐射室的温度 由传热速率方程和热平衡方程计算 结构尺寸的确定
圆筒炉
辐射管的有效长度 中心节圆直径
立式炉
长、宽、高 炉管总数
炉膛高度
炉管总数 炉膛直径
表-2 常用炉管规格
炉管规格 （mm） （外径×壁厚） 60×5 60×6 60×8 89×6 89×8 89×10 102×6 102×8 102×10 114×6 114×8 114×10 127×6 6.78 7.99 10.26 12.28 15.98 19.48 14.21 18.58 22.69 15.98 20.91 25.65 17.90 管子重 （kg/m） 炉管规格 （mm） （外径×壁厚） 127×8 127×10 152×6 152×8 152×10 152×16 152×20 180×18 180×22 219×8 219×10 219×12 219×14 23.48 28.85 21.60 28.41 35.02 53.66 68.56 71.91 93.32 41.63 51.54 61.26 70.78 管子重 （kg/m）
当量绝对黑表面，m2 离开辐射室烟气的温度，K
h Rc
烟气对辐射管的对流传热系数， W/m2· ℃
h Rc 1.84 Tp Tw
T
To
辐射室的有效率（考虑辐射室对外的散 热损失），一般等于0.97～0.99 系统的起始温度, K (是空气、燃料及雾 化蒸汽带入的显热所折合的温度)
4-3 区域法
原 因
推 荐 值
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辐射管管径及管心距 管 径
WF 1 di 30 Nu
根据表1-1选择一 个管内介质流速 u
D'
管 心 一般在1.8～2.25 do S1 距 之间，推荐使用2 do
辐射室（或炉膛）尺寸
辐射管的有效长度和中心节圆直径的确定：
圆 筒 炉
高径比 炉管的有效长度与中心节圆直径的比值1.7～2.5
第四章 辐射室传热计算
传热计算 确定辐射室热负荷 烟气出辐射室的温度 结构尺寸的计算 烟气流动方向上有温度梯度 整个炉膛内的烟气温度不均匀 甚至炉膛内各点烟气温度都不同 各处管壁的温度是不可能相等的 暴露炉墙接受热量、给管排反射 热量、还向大气散热损失热量
任 务
辐 射 室 传 热
的 复 杂 性
辐 射 室 传 热
f f f
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罗伯-依万斯的图解法
传热速率方程式的处理： 对流传热速率部分 Q R c h R cA R t(Tg Tw )
11.36 (2Acp ) ( F ) (Tg Tw ) 40AcpF(Tg Tw ) 0.57
传热速率方程式可改写成
QR
4 T 4 T g w 40A cpF(Tg Tw ) 5.67A cpF 100 100
把炉膛空间中的烟气、耐火墙、炉管分成若干块， 并把每一块称为一个区，这些区足够小的话，每个区 内的温度、性质势必趋于相同。每个区在发射辐射能 的同时又接受来自其它各区的辐射能。
核心 交换面积 表面区 划分表面而形成的每一几何图形 气体区 划分烟气空间形成的每一几何图形 管表面区 : 传递一定的热量给管内介质 耐火墙表面区 : 传递一定的热量给周围介质 燃料燃烧区 : 接受一定量的燃烧热 气体区: 传递一定的热量给管排
4 4 T T QR g w 40(Tg Tw ) 5.67 A cpF 100 100
仅是烟气温度Tg及炉管表面温度TW的函数，可 以作成如图 4-6 图 4-6 的曲线。
Q R / A cp
热平衡方程式的处理: