加熱爐課件：第十講 對流室的傳熱計算

1、中國石油大學(xué)第十講 對流室的傳熱計算熱平衡方程傳熱速率方程對流室傳熱面積表面熱強(qiáng)度一、對流室的傳熱計算 設(shè) 計 計算對流室傳熱面積和結(jié)構(gòu)尺寸。核 算 計算對流室的熱負(fù)荷計算方法 聯(lián)解傳熱速率方程和熱平衡方程關(guān)鍵問題 解決綜合傳熱系數(shù)對流傳熱系數(shù)結(jié)構(gòu)尺寸 結(jié)垢熱阻平均溫度差 煙氣流動方向與管束垂直為確保對流傳熱，煙氣出對流室的溫度T2與管內(nèi)介質(zhì)入爐的溫度ti1要保持適當(dāng)?shù)臏夭睿?jù)此來確定煙氣出對流室的溫度（推薦溫差為100150）。 平均溫度差 煙氣流動方向與管束平行光管、釘頭管或翅片管爐管型式：由燃料性質(zhì)確定，一般，在對流室中都應(yīng)安裝吹灰裝置，以減小污垢熱阻。對流室經(jīng)驗選取尺寸光管：管間距

2、S1 /dc =1.52釘頭管：管間距S1 /dc =22.4說明：一般 S1=2dc。 S1 受限于彎頭規(guī)范，特制彎頭需訂做 S2層間距受制于爐管的排列方式 S2對流管層間距并不總是的高(2)管間距S1與層間距S2 ： 煙氣的質(zhì)量速度Gg * 光管：SC = ( 1.52 ) dC Gg = ( 1.52 ) kg/(m2s) * 釘頭管或翅片管：SC = ( 22.4 ) dC Gg = ( 24 ) kg/(m2s) 式中，mg 煙氣的質(zhì)量流量，kg/h； af 每根光管或釘頭管或翅片管所占的流通截面積，m2； nW 每排對流管的根數(shù)。 ds 釘頭直徑或翅片厚度，m； dp縱向釘頭或翅片

3、間距，m； l 釘頭或翅片高度，m； LC 對流管有效長度，m； 釘頭數(shù)。 (3)對流管有效長度Lc： 對流管有效長度： 原則：對流室最窄截面處煙氣的質(zhì)量流速在規(guī)定范圍： 光管：Gg=1.52kg/(m2S)； 釘頭管：Gg=24kg/(m2S)。a 對流室的長度 對流室外形長度：LK = D- ( 0.40.6 )b 對流管的有效長度 LC = LK 2( 0.2 + h1 + h2 ) 對流管橫向排列的圓筒爐：c.對流室的寬度 * 采用光管，排列方式為三角形，且每排爐管根數(shù)相同時，對流室凈寬度為： b = ( nW 1 ) SC + 0.5SC + SC = ( nW + 0.5 ) SC

4、 * 對流管采用釘頭管或翅片管，三角形排列時，對流室凈寬度為： b = ( nW 1 ) SC + 0.5SC + dC + 2 l + ( 0.030.05 ) 對流室設(shè)計流程管式爐的對流室一般采用箱型，截面為長方形煙氣的流速與截面的面積有關(guān)煙氣流速越高，傳熱系數(shù)增加，對流管減小煙囪增高煙氣流速越低，壓降越低，對流管增加煙囪降低截面長寬的確定對流室外部長度Lk，以及有效長度Lc光管或者翅片管時的對流室寬度b（長寬比對管長的影響）對流室高度的確定根據(jù)截面積以及熱負(fù)荷5 對流總傳熱系數(shù) （一）管內(nèi)介質(zhì)的對流傳熱系數(shù)i使用條件：Re 104，0.7 Pr 60 考慮結(jié)垢熱阻： 西德爾泰特準(zhǔn)數(shù)式：單

5、相流，管內(nèi)，強(qiáng)制流動當(dāng)爐管內(nèi)介質(zhì)只存在液體時，為單相流當(dāng)爐管內(nèi)介質(zhì)為氣液混合時，為兩相流對于單相流：說明：a.，t管內(nèi)介質(zhì)在平均溫度和管壁溫度下的粘度，Pas； b.使用條件：Re104，0.7Pr60，特別適用于粘性流體。對于空氣，應(yīng)用0.023代替0.027； c.若關(guān)鍵性熱阻在氣膜，可選經(jīng)驗數(shù)據(jù)，如：當(dāng)管內(nèi)為原油時：i=1163W/(m2K)；裂化原料：i=930W/(m2K)；重油：i=698W/(m2K)； d.加熱爐爐管內(nèi)的結(jié)垢熱阻Ri可查附錄，故包括Ri在內(nèi)的管內(nèi)對流傳熱膜系數(shù)為：（二）管外綜合傳熱系數(shù)ho 對流室中管外的傳熱過程與一般換熱器殼程不同，除了煙氣以對流方式向管束和爐

6、墻傳熱外，煙氣同時以輻射方式向管束和爐墻傳遞熱量，而爐墻還向管束輻射熱量。所以對流室管外綜合傳熱系數(shù)ho應(yīng)包括三部分。 煙氣的對流傳熱系數(shù)oc ho 煙氣的輻射系數(shù)hor 爐墻的輻射系數(shù)hoW -與管束的排列形式有關(guān)的系數(shù) 正三角排列： = 0.33 正方形排列： = 0.26 g -煙氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)cg-煙氣的定壓比熱容，J/(kgK)g-煙氣的粘度，Pa s努塞爾（Nusselt）準(zhǔn)數(shù)方程式： （1） 煙氣的對流傳熱系數(shù)oc： 兩種情況：煙氣與管束平行，煙氣與管束垂直（應(yīng)用條件：Re3000)Gmax 煙氣在最小自由截面處的質(zhì)量流速，kg/(m2.s)； Tg 煙氣平均溫度，等

7、于管內(nèi)介質(zhì)的平均溫度加上對數(shù)平均溫度，K；dc 對流管外徑蒙拉特(Monrad)關(guān)聯(lián)式：（1） 煙氣的對流傳熱系數(shù)oc： 釘頭管或翅片管的對流傳熱系數(shù)of f-翅片管或釘頭管表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2K)A0-光管的外表面積，m2/mAt-翅片管或釘頭管的光管部分的面積，m2/mAf-翅片管或釘頭管的翅片或者釘頭部分的面積m2/m-翅片效率對于釘頭管，當(dāng)煙氣流動方向與管束垂直時：可用蒙拉特關(guān)聯(lián)式翅片效率的確定對于釘頭管其中：f-鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)， f=43W/(mK)ds-釘頭的直徑，ml-翅片高，m翅片效率的確定(c)布里吉什（Briggs）準(zhǔn)數(shù)方程式： 式中：dp翅片與翅片的間隙，m；l翅片高

8、度，m。環(huán)形（橫向）翅片管 ，正三角形排列的管束： （1） 煙氣的對流傳熱系數(shù)oc： 對于翅片管(2) 煙氣的輻射系數(shù)hor 式中：t管壁的黑度， t=0.9；g煙氣的黑度；g 煙氣的吸收率；Tg，Tt分別為氣體和管壁的溫度，K。按照氣體與外殼間的輻射換熱處理：需要知道氣體的吸收率g和黑度g(2) 煙氣的輻射系數(shù)hor 當(dāng) 時， 平均輻射長度L 光管 釘頭管或翅片管 L = ( 46 ) dp= ( 46 ) ( dc 2l ) 當(dāng) 時， 氣體的吸收率g和黑度g與氣體的分壓p和輻射長度L有關(guān)其中：Sc是管心距，Sb是排心距分壓黑度煙氣平均溫度： 管壁平均溫度： 其中，T 對流室對數(shù)平均溫差；

9、1，1分別為油品進(jìn)出對流室的溫度，K。 當(dāng)管壁溫度較低時，Tg4 Tt4，可取g g 。 經(jīng)驗取值：(3) 爐墻的輻射系數(shù)hoW 近似假定： 不考慮爐墻的散熱損失； 煙氣對爐墻與煙氣對管束的對流傳熱系數(shù)相等。 其中，oc 煙氣的對流傳熱系數(shù)，W/(m2.K) （如果是釘頭管或翅片管,則為f ）； hor，how 分別為煙氣和爐墻的輻射系數(shù)，W/(m2.K)； Aw 爐墻的表面積； Tg，Tw，Tt 分別為煙氣，爐墻和管壁的溫度，K。 ( oc + hor ) ( Tg Tw ) Aw = how ( Tw Tt ) Aw 蒙拉特（Monrad）假定：爐墻和管束為兩個無限大的平行平面間的換熱，兩

10、者面積相等，所以角系數(shù)為1。 其中，Tt 管壁的平均溫度，K； t 管壁的黑度。 包括煙氣輻射和爐墻輻射在內(nèi)的對流管管外綜合傳熱系數(shù)為： 光管： ho = ( 1 + f ) ( oc + hor ) 翅片管或釘頭管： ho = ( 1 + f ) (f + hor ) 定義：爐墻輻射校正系數(shù)f 包括結(jié)垢熱阻在內(nèi)的管外綜合傳熱系數(shù)為:（三）對流管的總傳熱系數(shù)Kc 光管：翅片管或釘頭管： 6 對流管的全表面積與表面熱強(qiáng)度 對流管全表面積對流管的總排數(shù)對流管的表面熱強(qiáng)度作用：提高加熱爐的熱效率 排列：需根據(jù)溫差合理安排，盡量將其放置在煙氣溫度不超過450之處，這樣就可以使用碳鋼管；管程數(shù)應(yīng)采用偶數(shù)

11、，以便使進(jìn)出口聯(lián)接都安置在爐子的同一側(cè)。 7 過熱水蒸氣管的計算7 過熱水蒸氣管的計算7 過熱水蒸氣管的計算總傳熱系數(shù) 其中，2 水蒸氣（管內(nèi)）的對流傳熱系數(shù)，W/(m2.K)； h1 煙氣對管束（管外）的綜合傳熱系數(shù)，W/(m2.K)； GW 管內(nèi)過熱水蒸氣的質(zhì)量流速，kg/( m2.s)； di 水蒸氣管內(nèi)徑。 例76 根據(jù)例74和例75的條件及計算結(jié)果，進(jìn)行對流室的傳熱計算。 思路：求解對流室的長、寬、高，管子的管徑、管長、管數(shù)等對流室傳熱面積溫差熱負(fù)荷傳熱系數(shù)對流室長度對流室寬度管數(shù)、管心距輻射室節(jié)心圓直徑管徑通常選取與輻射室管子相同的直徑解：1 對流室的熱負(fù)荷 Qc = Q QR =

12、 9.650 7.438 = 2.212 (MW) 2 對流室的對數(shù)平均溫差（按照垂直換熱）煙氣： T1 = 1051 K T2 = 710 K油品： 1= 629 K 1 = 610 K t1 = 422 K t2 = 100 K油品平均溫度： 煙氣平均溫度： Tg = m + T = 843.1 K管壁平均溫度： Tt = m + 50 = 669.5 K煙氣的輻射系數(shù)3 對流室主要尺寸 對流管擬選用1278釘頭管，管心距為2dC，每排為nW = 8根爐管。 對流室寬度： b = ( nW 0.5 ) SC + dC + 2 l + ( 0.030.05 ) = ( 8 0.5 )20.1

13、27 + 0.127 + 2( 0.025 + 0.03 ) = 2.142 (m)選取釘頭管： 釘頭直徑ds = 12mm 每周釘頭數(shù)12個 釘頭縱向間距dp= 16mm 釘頭高l = 25mm 煙氣在最小截面處的質(zhì)量速度：選Gg = 2.0kg/(m2s) 對流室長度： LC = 3.20 (m)每根釘頭管所占的流通截面積： 相鄰兩周釘頭交錯排列 dp= 20.016m每側(cè)釘頭數(shù): (kg/(m2.s) 計算出來的Gg符合選取的Gg4 總傳熱系數(shù)（1）管內(nèi)油品的對流傳熱系數(shù)i 也可以直接取值：i = 698 W/(m2.K) Ri = 0.000344 m2.K/W (W/(m2.K) 若

14、關(guān)鍵性熱阻在氣膜，可選經(jīng)驗數(shù)據(jù)，如：當(dāng)管內(nèi)為原油時：i=1163W/(m2K)；裂化原料：i=930W/(m2K)；重油：i=698W/(m2K)； 可采用進(jìn)行計算（2） 管外綜合傳熱系數(shù)ho 蒙拉特關(guān)聯(lián)式（光管）：對于釘頭管：其中：需要求解自由截面積、傳熱周邊長對于管外對流系數(shù)：管外對流系數(shù)自由截面積 = Lcb nWaf = 3.22.142 - 80.4664 = 3.1232 (m2)傳熱周邊長 = 2lnp + Lc 28W/(m2.K) 計算總的傳熱系數(shù)用翅片管或釘頭管： L = ( 46 ) 相鄰兩爐管的釘頭頂端距離p = 5( dc 2l )= 5( 0.127 - 20.02

15、5 ) = 0.385 (m) 查值得煙氣黑度：g = 0.17 取 g g = 0.17 W/(m2.K) 對于煙氣的輻射系數(shù)W/(m2.K) AW = 2Sc = 220.1270.866 = 0.440 (m2/m) 對于爐墻的輻射系數(shù)：求解爐墻輻射校正系數(shù)：爐墻表面積：管外表面積：釘頭管外表面積：計算總傳熱系數(shù)ho = ( 1 + f ) ( f + hor ) = ( 1 + 0.0311 )( 28.79 + 16.05 ) = 46.23 W/(m2.K)選取管外結(jié)垢熱阻：Ro = 0.0086 m2.K/WW/(m2.K) （3）對流管的總傳熱系數(shù)光管管內(nèi)表面積：Ai = dinW = 0.1118 =