加熱爐輻射室傳熱計算課件

1、任務(wù)任務(wù)的復(fù)雜性的復(fù)雜性輻射室傳熱輻射室傳熱第四章第四章 輻射室傳熱計算輻射室傳熱計算傳熱計算確定輻射室熱負荷傳熱計算確定輻射室熱負荷煙氣出輻射室的溫度煙氣出輻射室的溫度結(jié)構(gòu)尺寸的計算結(jié)構(gòu)尺寸的計算煙氣流動方向上有溫度梯度煙氣流動方向上有溫度梯度整個爐膛內(nèi)的煙氣溫度不均勻整個爐膛內(nèi)的煙氣溫度不均勻甚至爐膛內(nèi)各點煙氣溫度都不同甚至爐膛內(nèi)各點煙氣溫度都不同各處管壁的溫度是不可能相等的各處管壁的溫度是不可能相等的暴露爐墻接受熱量、給管排反射暴露爐墻接受熱量、給管排反射熱量、還向大氣散熱損失熱量熱量、還向大氣散熱損失熱量計算方法計算方法輻射室傳熱輻射室傳熱經(jīng)驗公式法經(jīng)驗公式法 威爾遜、羅伯和霍特爾計算

2、式威爾遜、羅伯和霍特爾計算式理論分析法理論分析法 羅伯羅伯-依萬斯依萬斯 法、別洛康法、別洛康法、法、 巴赫希楊法、蒙特卡羅法、網(wǎng)巴赫希楊法、蒙特卡羅法、網(wǎng) 絡(luò)模擬法、熱流量法等絡(luò)模擬法、熱流量法等輻射室傳熱模型輻射室傳熱模型tggtRtwt對流對流wt管排管排爐墻爐墻煙氣煙氣gtRt反反射射散熱散熱輻射輻射輻射輻射對流對流 4-1 羅伯羅伯- -依萬斯法依萬斯法一個氣體一個氣體 煙氣溫度一致煙氣溫度一致 ，并與輻射，并與輻射 室的煙氣出口溫度相等。室的煙氣出口溫度相等。一個受熱面一個受熱面 管排，平均溫度管排，平均溫度一個反射面一個反射面 暴露爐墻，溫度相同暴露爐墻，溫度相同羅伯羅伯-依萬斯

3、法的基本計算式依萬斯法的基本計算式4 4w w4 4g gc cp pR Rr r1 10 00 0T T1 10 00 0T TF FA A5 5. .6 67 7Q QR Rc cR Rr rR RQ QQ QQ Q速率方程式速率方程式輻射室的傳熱輻射室的傳熱輻射傳熱速率輻射傳熱速率對流傳熱速率對流傳熱速率輻射室的傳熱速率方程式輻射室的傳熱速率方程式衡方程式衡方程式輻射室熱平輻射室熱平) )T T(T(TA Ah hQ Qw wg gt tR RRcRcRcRc) )T T( (T TA Ah h1 10 00 0T T1 10 00 0T TF FA A5 5. .6 67 7w wg

4、gt tR RR Rc c4 4w w4 4g gc cp pg gL LR Rs sf fa an nB Bq qB Bq qQ QB Bq qB Bq qB Bq qQ Qg gL Ls sf fa an nR RB Bq qB Bq qB Bq qB Bq qB Bq qQ QQ Q 聯(lián)立求解輻射室的傳熱速率方程式和熱平衡方程聯(lián)立求解輻射室的傳熱速率方程式和熱平衡方程式即可得到輻射室熱負荷和煙氣出輻射室溫度。式即可得到輻射室熱負荷和煙氣出輻射室溫度。傳熱速率方程式中各參數(shù)及其計算傳熱速率方程式中各參數(shù)及其計算 煙氣對管排的角系數(shù)煙氣對管排的角系數(shù) 冷平面面積冷平面面積 cpcpA Ae

5、ef fo o1 1e ef fc cp pL Ld dS SL L1 1) )( (n nA A爐管數(shù)量較多時爐管數(shù)量較多時當量冷平面當量冷平面總輻射交換因素總輻射交換因素 引用了霍特爾推導(dǎo)的結(jié)果：引用了霍特爾推導(dǎo)的結(jié)果：1 1e ef fc cp pS Sn nL LA Ac cp pA A F F) )T T5 5. .6 67 7A AF F( (T TQ Q4 4w w4 4g g1 11 11 11 1F FF Ft tRCRCg gg gR Rg gF F1 11 11 11 1A AA A1 1管心距/管外徑平均角系數(shù)R RC Cg gg gc cp pR Rg gF F1 1

6、1 11 11 1A AA A1 1 吸熱面為管排時吸熱面為管排時Fg cpRAA cpRAAcpRAA g =f ( , )F 管外壁溫度管外壁溫度i io oc cp ps si ii ic cp pw wd dd d) )q qR Rh h1 1( (t t) )( (2 21 12 21 1cpcp 當管外表面溫度低于當管外表面溫度低于500時，可以將管內(nèi)介質(zhì)的平均時，可以將管內(nèi)介質(zhì)的平均溫度加上溫度加上3060作為管壁作為管壁外表面的溫度進行計算。外表面的溫度進行計算。 輻射室內(nèi)煙氣對爐管表面的對流傳熱系數(shù)輻射室內(nèi)煙氣對爐管表面的對流傳熱系數(shù) 輻射室中，對流傳熱所占的比例一般為輻射室

7、中，對流傳熱所占的比例一般為10%15%，可以作一些簡化。羅伯，可以作一些簡化。羅伯-依萬斯建議取依萬斯建議取 W/m2；戴維斯等則認為在自然通風(fēng)時，可取為；戴維斯等則認為在自然通風(fēng)時，可取為 W/m2；在強制通風(fēng)時，可取為；在強制通風(fēng)時，可取為15.93 W/m2。RCh36.11hRC 19.14 燃料總發(fā)熱量燃料總發(fā)熱量 空氣、燃料、霧化蒸汽帶入的熱量空氣、燃料、霧化蒸汽帶入的熱量 空氣帶入的熱量空氣帶入的熱量 燃料帶入的顯熱為燃料帶入的顯熱為 霧化蒸汽帶入的顯熱霧化蒸汽帶入的顯熱 離開輻射室煙氣帶走的熱量離開輻射室煙氣帶走的熱量 按圖按圖2-2、圖、圖4-5查出查出 輻射室爐墻對外散熱

8、損失輻射室爐墻對外散熱損失 燃料總發(fā)熱量的燃料總發(fā)熱量的13%lnBQQ )15.273T(CLqaa0a )15.273T(Cqfff )15.273T(CWqssss 熱平衡方程式中各參數(shù)的計算熱平衡方程式中各參數(shù)的計算傳熱速率方程式的處理：傳熱速率方程式的處理：對流傳熱速率部分對流傳熱速率部分) )T T( (T TA Ah hQ Qw wg gt tR RR Rc cR Rc c)TT()57.0F()A2(36.11wgcp )TT(FA40wgcp 羅伯羅伯-依萬斯的圖解法依萬斯的圖解法傳熱速率方程式可改寫成傳熱速率方程式可改寫成)TT(FA40100T100TFA67. 5Qwg

9、cp4w4gcpR )TT(40100T100T67. 5FAQwg4w4gcpR cpRA/Q 僅是煙氣溫度僅是煙氣溫度Tg及爐管表面溫度及爐管表面溫度TW的函數(shù)，可的函數(shù)，可以作成如圖以作成如圖4-6 的曲線。的曲線。熱平衡方程式的處理熱平衡方程式的處理:改寫成改寫成FABQ)QqQqQqQqQq1(FAQcpllglLlslflacpR g gL Ls sf fa an nR RB Bq qB Bq qB Bq qB Bq qB Bq qQ QQ Q 僅是出輻射室煙氣帶走熱量僅是出輻射室煙氣帶走熱量 的函數(shù)的函數(shù), 而而 是出輻射室煙氣溫度的函數(shù)。在是出輻射室煙氣溫度的函數(shù)。在 對對 的

10、的坐標圖上標繪出來，它也近乎一條直線。坐標圖上標繪出來，它也近乎一條直線。FA/QcpR gqgqFA/QcpR gt圖解的方法圖解的方法 遮蔽管遮蔽管 遮蔽管的表面積和當量遮蔽管的表面積和當量冷平面面積應(yīng)分別計入輻射冷平面面積應(yīng)分別計入輻射管的面積和當量冷平面之內(nèi)。管的面積和當量冷平面之內(nèi)。遮蔽管的冷平面面積同樣可遮蔽管的冷平面面積同樣可用式（用式（4-7）計算。）計算。11)(4-2 別洛康法別洛康法特特 點點: 引入了當量絕對黑表面引入了當量絕對黑表面基本思路基本思路: 輻射室中輻射換熱是由兩個面積相等、輻射室中輻射換熱是由兩個面積相等、 相距極近、互相平行的相距極近、互相平行的絕對黑表

11、面絕對黑表面之間進行的。之間進行的。 其中一個平面的溫度等于管壁的平均溫度，它其中一個平面的溫度等于管壁的平均溫度，它 代表管排的作用；另一個平面的溫度等于離開代表管排的作用；另一個平面的溫度等于離開 輻射室煙氣的溫度，它代表火焰、煙氣的直接輻射室煙氣的溫度，它代表火焰、煙氣的直接 輻射作用。這種平面稱為當量絕對黑表面輻射作用。這種平面稱為當量絕對黑表面,兩個兩個 當量絕對黑表面間的輻射傳熱速率恰等于火焰、當量絕對黑表面間的輻射傳熱速率恰等于火焰、 煙氣及爐墻對輻射管的輻射傳熱速率。煙氣及爐墻對輻射管的輻射傳熱速率。傳熱速率傳熱速率方方 程程 式式 :熱熱 平平 衡衡方方 程程 式式 :RcR

12、rRQQQ )TT(Ah100T100THCwpRtRc4w4pss R0pTpiiTlQ)TT()cm(BBQ 當量絕對黑表面，當量絕對黑表面，m2離開輻射室煙氣的溫度，離開輻射室煙氣的溫度，K煙氣對輻射管的對流傳熱系數(shù)，煙氣對輻射管的對流傳熱系數(shù)， W/m24wpRcTT8 . 1h 輻射室的有效率（考慮輻射室對外的散輻射室的有效率（考慮輻射室對外的散熱損失），一般等于熱損失），一般等于0.970.99 系統(tǒng)的起始溫度系統(tǒng)的起始溫度, K (是空氣、燃料及霧是空氣、燃料及霧化蒸汽帶入的顯熱所折合的溫度化蒸汽帶入的顯熱所折合的溫度)sHpTRchT oT 把爐膛空間中的煙氣、耐火墻、爐管分成

13、若干塊，把爐膛空間中的煙氣、耐火墻、爐管分成若干塊，并把每一塊稱為一個區(qū)，這些區(qū)足夠小的話，每個區(qū)并把每一塊稱為一個區(qū)，這些區(qū)足夠小的話，每個區(qū)內(nèi)的溫度、性質(zhì)勢必趨于相同。每個區(qū)在發(fā)射輻射能內(nèi)的溫度、性質(zhì)勢必趨于相同。每個區(qū)在發(fā)射輻射能的同時又接受來自其它各區(qū)的輻射能。的同時又接受來自其它各區(qū)的輻射能。 核心核心 交換面積交換面積表面區(qū)表面區(qū) 劃分表面而形成的每一幾何圖形劃分表面而形成的每一幾何圖形氣體區(qū)氣體區(qū) 劃分煙氣空間形成的每一幾何圖形劃分煙氣空間形成的每一幾何圖形管表面區(qū)管表面區(qū) : 傳遞一定的熱量給管內(nèi)介質(zhì)傳遞一定的熱量給管內(nèi)介質(zhì)耐火墻表面區(qū)耐火墻表面區(qū) : 傳遞一定的熱量給周圍介質(zhì)

14、傳遞一定的熱量給周圍介質(zhì)燃料燃燒區(qū)燃料燃燒區(qū) : 接受一定量的燃燒熱接受一定量的燃燒熱氣體區(qū)氣體區(qū): 傳遞一定的熱量給管排傳遞一定的熱量給管排4-3 區(qū)域法區(qū)域法 立式爐分區(qū)示意圖立式爐分區(qū)示意圖 圓筒爐分區(qū)示意圖圓筒爐分區(qū)示意圖 表面區(qū)表面區(qū) j氣體區(qū)氣體區(qū) i環(huán)形表面區(qū)柱面表面區(qū)環(huán)形表面區(qū)柱面表面區(qū) 環(huán)柱體氣體區(qū)環(huán)柱體氣體區(qū)分區(qū)方法分區(qū)方法:立式爐立式爐 把耐火墻表面或當量管表面劃分成若干個正把耐火墻表面或當量管表面劃分成若干個正 方形或長方形，把煙氣空間劃分為若干立方方形或長方形，把煙氣空間劃分為若干立方 體或長方體；體或長方體；圓筒爐圓筒爐 把側(cè)墻和當量管表面劃分為若干圓柱面，把把側(cè)墻

15、和當量管表面劃分為若干圓柱面，把 上下底耐火墻劃分為若干環(huán)形和圓形，把煙上下底耐火墻劃分為若干環(huán)形和圓形，把煙 氣空間劃分為若干圓柱體和環(huán)柱體。氣空間劃分為若干圓柱體和環(huán)柱體。蒙特卡羅法蒙特卡羅法 用分區(qū)把爐膛中從整體來看是不均勻的用分區(qū)把爐膛中從整體來看是不均勻的 物理量和性質(zhì)視為局部均勻物理量和性質(zhì)視為局部均勻核心核心 用能束來模擬發(fā)射、吸收、反射等實際過程，用能束來模擬發(fā)射、吸收、反射等實際過程， 統(tǒng)計每區(qū)能束的得失從而計算輻射熱交換。統(tǒng)計每區(qū)能束的得失從而計算輻射熱交換。 能束從發(fā)射開始直到最后被表面或氣體吸收的全能束從發(fā)射開始直到最后被表面或氣體吸收的全 部歷程是由一系列隨機數(shù)來決定

16、的。這些隨機數(shù)決定部歷程是由一系列隨機數(shù)來決定的。這些隨機數(shù)決定 其發(fā)射位置、方向、光譜區(qū)間、行程長度以及反射和其發(fā)射位置、方向、光譜區(qū)間、行程長度以及反射和 吸收。對能束進行跟蹤，記錄它自發(fā)射到被吸收的歷吸收。對能束進行跟蹤，記錄它自發(fā)射到被吸收的歷 程，并為吸收區(qū)記分，最后可以統(tǒng)計出系統(tǒng)中各區(qū)發(fā)程，并為吸收區(qū)記分，最后可以統(tǒng)計出系統(tǒng)中各區(qū)發(fā) 射和吸收能束數(shù)的多少，作為溫度分布、熱通量的計射和吸收能束數(shù)的多少，作為溫度分布、熱通量的計 算基礎(chǔ)。算基礎(chǔ)。4-4 蒙特卡羅法蒙特卡羅法(統(tǒng)計模擬法統(tǒng)計模擬法)第四章第四章 輻射室傳熱計算輻射室傳熱計算4-1 羅伯羅伯- -依萬斯法依萬斯法4-2 別

17、洛康法別洛康法4-3 區(qū)域法區(qū)域法4-4 蒙特卡羅法蒙特卡羅法(統(tǒng)計模擬法統(tǒng)計模擬法)4-5 輻射室表面熱強度及主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定輻射室表面熱強度及主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定4-5 輻射室表面熱強度及主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定輻射室表面熱強度及主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定輻射管表面積輻射管表面積輻射管表面熱強度輻射管表面熱強度: 選定輻射管表面熱強度選定輻射管表面熱強度輻射室的熱負荷輻射室的熱負荷 : 按全爐熱負荷的按全爐熱負荷的7080%來估計來估計 這三步就是為了得到輻射管表面積的數(shù)值這三步就是為了得到輻射管表面積的數(shù)值,進而計進而計算輻射室實際熱負荷。待算出熱負荷后，再用式算輻射室實際熱負荷。待算出熱負荷后，再用

18、式檢驗爐管表面熱強度是否合適。若合適，則計算出的檢驗爐管表面熱強度是否合適。若合適，則計算出的所有尺寸即為所求。所有尺寸即為所求。RRRtqQA RqRtRRAQq 影響輻射管表面熱強度的因素影響輻射管表面熱強度的因素被加熱介質(zhì)的熱穩(wěn)定性被加熱介質(zhì)的熱穩(wěn)定性 選用爐管的材質(zhì)選用爐管的材質(zhì) 計算出的輻射管熱強度是一個計算出的輻射管熱強度是一個平均值平均值，而實，而實際情況是當平均值尚未達到容許熱強度以前，可際情況是當平均值尚未達到容許熱強度以前，可能在個別爐管的局部表面，早已超過了容許熱強能在個別爐管的局部表面，早已超過了容許熱強度，甚至引起了爐管的鼓包或破裂。度，甚至引起了爐管的鼓包或破裂。

19、注意注意原因原因 爐管受熱不均勻爐管受熱不均勻。一是沿管長方向受熱不均。一是沿管長方向受熱不均勻勻; 二是沿每根爐管的圓周方向受熱不均勻。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)：熱強度的不均勻系數(shù)：爐管的平均熱強度與最高爐管的平均熱強度與最高熱強度的比值。熱強度的比值。推薦值推薦值 表表1-11-1列出了煉油廠中幾種加熱爐輻射管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。面熱強度與管內(nèi)介質(zhì)流速的推薦值。輻射管管徑及管心距輻射管管徑及管心距 NuW301dFi 根據(jù)表根據(jù)表1-1選擇一選擇一個管內(nèi)介質(zhì)流速個管內(nèi)介質(zhì)流速u一般在一般在1.82.25 之間，推

20、薦使用之間，推薦使用2 odod管管徑徑管管心心距距輻射室（或爐膛）尺寸輻射室（或爐膛）尺寸 輻射管的有效長度和中心節(jié)圓直徑的確定：輻射管的有效長度和中心節(jié)圓直徑的確定：高徑比高徑比 爐管的有效長度與中心節(jié)圓直徑的比值爐管的有效長度與中心節(jié)圓直徑的比值1.72.5 efoRtLdnA 1SDn 1o2RtS2.571dDA).( .D5271Lef o2Rt1d5271ASD .圓圓 筒筒 爐爐DS1 爐膛高度爐膛高度 根據(jù)國產(chǎn)鋼管規(guī)格（見根據(jù)國產(chǎn)鋼管規(guī)格（見1-4-1節(jié)）選用合適的節(jié)）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來決定，一般應(yīng)比爐管有效長度約高出1米左右。米左右。 爐管總數(shù)爐管總數(shù)efoRtLdAn 實際的爐管總數(shù)應(yīng)選為管程數(shù)的整倍數(shù)實際的爐管總數(shù)應(yīng)選為管程數(shù)的整倍數(shù) 爐膛直徑爐膛直徑 根據(jù)實際爐管數(shù)算出實際的中心節(jié)圓直徑，根據(jù)實際爐管數(shù)算出實際的中心節(jié)圓直徑，再加上兩倍的管中心至爐壁的距離（一般距離取再加上兩倍的管中心至爐壁的距離（一般距離取1.5），即為實際爐膛的直徑。），即為實際爐