火筒式加热炉烟管的优化设计
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师。在中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司主要从事油气
田热 工设 备的 设计 和开 发 。
式 中 ： ａ。 一 烟气对 管壁 的对 流换热 系数 ，
Ｗ／ （ ｍ ． ℃） ； ． 导热系数，Ｗ／ （ ｍ． ℃） ；Ｄ ｉ ． 烟 管 内径 ，ｍ；Ｌ． 烟 管长 度 ，ｍ；ｂ一 螺纹 烟 管 节 距 ，
Ｏ． Ｏ６
Ｐ ｒ
０ ．６ ６
ｅ （ Ｉ Ⅲ ｎ ）
ｂ （ 【 Ｉ 】 Ｉ ｒ Ｉ ）
Ｉ ｃ Ｗ ／ （ ｍ ２ ． ℃）
ｆ
光 管 螺 纹 烟 管
５５ ．５
３ １ ． ３ ３ ２ ２ ５ ５ ４ ． ７
０ ． ０ ３ ３ ５ ０ ． ０ ７ ９ ９
以下 举 例 说 明光 管和 螺 纹 烟 管 在 传 热 效 果和 流 动 阻力 上 的差别 。在 烟 管 内径Ｄ． 、长度 Ｌ 、雷 诺 数Ｒｅ 、烟 气 导热 系 数 入、普 朗 特 数Ｐ ｒ 相 同 的情 况 下 ，其烟 气 对 管壁 的对 流 换热 系数 ｎ 通 道 的摩
光 管碾 压成外 形为螺 纹状 的凹槽 ，管子 的 内表 面 为 相应 的螺纹状 。螺纹烟管具 体形状如 图１ 所示。
表１ 中， ｏ。 的计算 公式分 别 为 ：
光管：
ｍ；ｅ． 螺 纹烟 管槽深 ，ｍ；Ｒ ｅ一 雷诺数 ；Ｐ ｒ ． 普 朗特 数 ；ｕ一 烟气流 速 ，ｍ／ ｓ ； ｕ． 烟 气运 动黏 度 ，ｒ ｎ ２ ／ ｓ
Ｒ ｅ ＝ ｕ Ｄ／ｕ （ ３ ）
２ ５ 一 ［ １ ＋ （ ］㈣
２ ８ 一 ■ 论文广场
，
石 ２ ０ 油 １ ３ 和 ｇ 化 第１ 工 ６ 石 油集 团工程设计有限责任公司北京分 公司 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ５ ）
［ 摘 要］ 对火筒式加热炉烟管结构形式及热力计算进行 了分析 ，提 出了加热 炉烟管结构形式 中，螺纹烟管在强化传热的 同
螺 纹烟 管 ：
ｃ ｚ ＝ ： 。 ． 。 ６ ９
通道 的摩擦 阻力 系数啪 计 算公 式分别 为 ： 光管：
（ ） 一 。 。 （ 专 ］ 。 Ｒ ｅ 。 ９ ２ 。 Ｐ ｒ 。 ｃ ２
ｆ＝０ ． １ １ 螺 纹烟管 ：
作者简介 ：安 慕华 （ １ ９ ８ ｏ 一）， 女， 山 东 莱阳人， 工 科硕 士， 工程
螺 纹 烟 管 的 结 构 使 管 内 流 体 不 但 有 轴 向流
大，烟管设计对火筒式加热炉至关重要。 １ 烟管结构设计分析
通 常用 的烟 管有光 管和 螺纹烟 管 两种 。
螺 纹烟 管用碾压 法制成 ，用特 制 的碾压设 备将
动 ，还 存 在 螺旋 状 运 动 ，烟 气 受 到螺 纹 形 凸 出界 面 的周 期 性扰 动 ，在 强 化传 热 作 用 的 同时 必然 增 加 流 动 阻 力 。采 用 螺 纹烟 管 强化 传 热 时 必 须 考虑 流 动 阻力的 影响 。
上 述 结 构 条 件 下 的螺 纹 烟 管 优 化 的 结 构 参 数推 荐 为ｅ ＝ ０ ． ０ ５ ４ Ｄ ｉ ，ｂ ＝ ０ ． ５ ￣ ０ ． ７ Ｄ ｉ 。 在 对 流 受 热 面 中 ， 高温 烟 气 主 要 以对 流 的方 式进 行 放热 ，因此 对 流受 热 面 的传热 系 数ｋ 主要 由 烟气对 管 壁 的对 流换 热系 数 Ｑ。 所 决定 。 以螺 纹 烟 管 为 例 ， 当６×１ ０ ３ ＜Ｒ ｅ ＜ ３ ０×１ ０ ，
时增加 了烟风 阻力，在烟风 阻力要 求不高的情况下可采用螺纹烟管，烟管 的管径和流速对传热效果影响较 大，应控制在合理
的 范围内
［ 关键词］火筒式加热 炉；烟管结构；螺纹烟管 ；优化设计
烟 管是 火 筒 式 加 热炉 的对 流 受 热 面 ， 以对 流 换 热 为 主 ，直接 承 受 高 温烟 气 的 冲刷 。加 热 炉 的 主 要 吸 热 量在 火 管 中获 得 ，但 是 烟 风 阻力 主 要存 在 于 烟 管 ，烟 管尺 寸 的不 同对 传 热 效 果 的 影 响较
ｒ － … … 一 一 一 ■ —＿ ＿ … 一 、 ＿ ＿ ¨ － 一
图１ 螺纹烟管形状结构图 表 １ 光管和螺纹烟管 Ⅸｌ ｃ 、ｆ 计算结果比较
一
Ｄ ｉ （ Ｉ Ｉ ｇ ｌ １ ）
Ｌ （ 咖）
５０ ０ ０
Ｒ ｅ
１ ０ ４
ｗ ／ （ ｍ ． ℃）
第１ １ 期
安慕华 火筒式加热炉烟 管的优化设计
一 ２ ９．
ｋ ＝ Ｑ
Ｒｅ
（ ６ ）
厂： 一
！
（ ～ ５ ）
式 中 ：ｋ一 传 热 系数 ，Ｗ／ （ ｍ ． ℃） ； ‘． 利用 系 数 ，燃 气 时： ‘一Ｏ ． ９ 一Ｏ ． ９ ５ ；燃油 时 ： ＝Ｏ ． ８ ５ — ０ ． ９ ；ｏ 一 烟气 对管 壁 的换热 系数 ，Ｗ／ （ ｍ ． ℃）
擦 阻力系数 ｆ 相 差较 大 ，具 体计算 结 果如表 ｌ 所示 。
广 一 一 一 … — ｒ 一 ’’ 一 … 一 ｆ ｊ 『 一 一 一～ ～ 一 一 ≮ 一 … 一 ～～ Ｌ— —— — ——— — — —— — ， — — ， ． ． — — ， ． — — — — — — — — — — ： 、 — — 一— — Ｌ— — — ． — ｊ ． — — ． ． — — ｊ 一 — ． — — ， 一 — ＿ ．
由表 １ 可 以看 出 ：在 其他 条 件 相 同的 情况 下 ， 系 数 ａ。 。 提高７ ４ ． ５ ９ ％，通 道 的摩 擦 阻 力 系 数 艰 高 １ ３ ８ ． ５ ％。国 内研 究者 对 螺 纹 烟 管传 热 和 流 动特 性 纹 烟 管 的对流 换 热 系数 比光 管 可提 高 １ ． ２ ３ ～ ２ ． ２ 倍， 特 别 是 在 低 雷 诺 数 的 紊 流 区 域 ， 提 高 得 较 为 突
田热 工设 备的 设计 和开 发 。
式 中 ： ａ。 一 烟气对 管壁 的对 流换热 系数 ，
Ｗ／ （ ｍ ． ℃） ； ． 导热系数，Ｗ／ （ ｍ． ℃） ；Ｄ ｉ ． 烟 管 内径 ，ｍ；Ｌ． 烟 管长 度 ，ｍ；ｂ一 螺纹 烟 管 节 距 ，
Ｏ． Ｏ６
Ｐ ｒ
０ ．６ ６
ｅ （ Ｉ Ⅲ ｎ ）
ｂ （ 【 Ｉ 】 Ｉ ｒ Ｉ ）
Ｉ ｃ Ｗ ／ （ ｍ ２ ． ℃）
ｆ
光 管 螺 纹 烟 管
５５ ．５
３ １ ． ３ ３ ２ ２ ５ ５ ４ ． ７
０ ． ０ ３ ３ ５ ０ ． ０ ７ ９ ９
以下 举 例 说 明光 管和 螺 纹 烟 管 在 传 热 效 果和 流 动 阻力 上 的差别 。在 烟 管 内径Ｄ． 、长度 Ｌ 、雷 诺 数Ｒｅ 、烟 气 导热 系 数 入、普 朗 特 数Ｐ ｒ 相 同 的情 况 下 ，其烟 气 对 管壁 的对 流 换热 系数 ｎ 通 道 的摩
光 管碾 压成外 形为螺 纹状 的凹槽 ，管子 的 内表 面 为 相应 的螺纹状 。螺纹烟管具 体形状如 图１ 所示。
表１ 中， ｏ。 的计算 公式分 别 为 ：
光管：
ｍ；ｅ． 螺 纹烟 管槽深 ，ｍ；Ｒ ｅ一 雷诺数 ；Ｐ ｒ ． 普 朗特 数 ；ｕ一 烟气流 速 ，ｍ／ ｓ ； ｕ． 烟 气运 动黏 度 ，ｒ ｎ ２ ／ ｓ
Ｒ ｅ ＝ ｕ Ｄ／ｕ （ ３ ）
２ ５ 一 ［ １ ＋ （ ］㈣
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，
石 ２ ０ 油 １ ３ 和 ｇ 化 第１ 工 ６ 石 油集 团工程设计有限责任公司北京分 公司 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ５ ）
［ 摘 要］ 对火筒式加热炉烟管结构形式及热力计算进行 了分析 ，提 出了加热 炉烟管结构形式 中，螺纹烟管在强化传热的 同
螺 纹烟 管 ：
ｃ ｚ ＝ ： 。 ． 。 ６ ９
通道 的摩擦 阻力 系数啪 计 算公 式分别 为 ： 光管：
（ ） 一 。 。 （ 专 ］ 。 Ｒ ｅ 。 ９ ２ 。 Ｐ ｒ 。 ｃ ２
ｆ＝０ ． １ １ 螺 纹烟管 ：
作者简介 ：安 慕华 （ １ ９ ８ ｏ 一）， 女， 山 东 莱阳人， 工 科硕 士， 工程
螺 纹 烟 管 的 结 构 使 管 内 流 体 不 但 有 轴 向流
大，烟管设计对火筒式加热炉至关重要。 １ 烟管结构设计分析
通 常用 的烟 管有光 管和 螺纹烟 管 两种 。
螺 纹烟 管用碾压 法制成 ，用特 制 的碾压设 备将
动 ，还 存 在 螺旋 状 运 动 ，烟 气 受 到螺 纹 形 凸 出界 面 的周 期 性扰 动 ，在 强 化传 热 作 用 的 同时 必然 增 加 流 动 阻 力 。采 用 螺 纹烟 管 强化 传 热 时 必 须 考虑 流 动 阻力的 影响 。
上 述 结 构 条 件 下 的螺 纹 烟 管 优 化 的 结 构 参 数推 荐 为ｅ ＝ ０ ． ０ ５ ４ Ｄ ｉ ，ｂ ＝ ０ ． ５ ￣ ０ ． ７ Ｄ ｉ 。 在 对 流 受 热 面 中 ， 高温 烟 气 主 要 以对 流 的方 式进 行 放热 ，因此 对 流受 热 面 的传热 系 数ｋ 主要 由 烟气对 管 壁 的对 流换 热系 数 Ｑ。 所 决定 。 以螺 纹 烟 管 为 例 ， 当６×１ ０ ３ ＜Ｒ ｅ ＜ ３ ０×１ ０ ，
时增加 了烟风 阻力，在烟风 阻力要 求不高的情况下可采用螺纹烟管，烟管 的管径和流速对传热效果影响较 大，应控制在合理
的 范围内
［ 关键词］火筒式加热 炉；烟管结构；螺纹烟管 ；优化设计
烟 管是 火 筒 式 加 热炉 的对 流 受 热 面 ， 以对 流 换 热 为 主 ，直接 承 受 高 温烟 气 的 冲刷 。加 热 炉 的 主 要 吸 热 量在 火 管 中获 得 ，但 是 烟 风 阻力 主 要存 在 于 烟 管 ，烟 管尺 寸 的不 同对 传 热 效 果 的 影 响较
ｒ － … … 一 一 一 ■ —＿ ＿ … 一 、 ＿ ＿ ¨ － 一
图１ 螺纹烟管形状结构图 表 １ 光管和螺纹烟管 Ⅸｌ ｃ 、ｆ 计算结果比较
一
Ｄ ｉ （ Ｉ Ｉ ｇ ｌ １ ）
Ｌ （ 咖）
５０ ０ ０
Ｒ ｅ
１ ０ ４
ｗ ／ （ ｍ ． ℃）
第１ １ 期
安慕华 火筒式加热炉烟 管的优化设计
一 ２ ９．
ｋ ＝ Ｑ
Ｒｅ
（ ６ ）
厂： 一
！
（ ～ ５ ）
式 中 ：ｋ一 传 热 系数 ，Ｗ／ （ ｍ ． ℃） ； ‘． 利用 系 数 ，燃 气 时： ‘一Ｏ ． ９ 一Ｏ ． ９ ５ ；燃油 时 ： ＝Ｏ ． ８ ５ — ０ ． ９ ；ｏ 一 烟气 对管 壁 的换热 系数 ，Ｗ／ （ ｍ ． ℃）
擦 阻力系数 ｆ 相 差较 大 ，具 体计算 结 果如表 ｌ 所示 。
广 一 一 一 … — ｒ 一 ’’ 一 … 一 ｆ ｊ 『 一 一 一～ ～ 一 一 ≮ 一 … 一 ～～ Ｌ— —— — ——— — — —— — ， — — ， ． ． — — ， ． — — — — — — — — — — ： 、 — — 一— — Ｌ— — — ． — ｊ ． — — ． ． — — ｊ 一 — ． — — ， 一 — ＿ ．
由表 １ 可 以看 出 ：在 其他 条 件 相 同的 情况 下 ， 系 数 ａ。 。 提高７ ４ ． ５ ９ ％，通 道 的摩 擦 阻 力 系 数 艰 高 １ ３ ８ ． ５ ％。国 内研 究者 对 螺 纹 烟 管传 热 和 流 动特 性 纹 烟 管 的对流 换 热 系数 比光 管 可提 高 １ ． ２ ３ ～ ２ ． ２ 倍， 特 别 是 在 低 雷 诺 数 的 紊 流 区 域 ， 提 高 得 较 为 突