化工原理講稿上冊(cè)應(yīng)化管式加熱爐

化工原理講稿上冊(cè)應(yīng)化管式加熱爐第1頁(yè)/共33頁(yè)一、輻射室的設(shè)計(jì)計(jì)算爐管：外徑dO，內(nèi)徑di，管心距S1，管子數(shù)n；結(jié)構(gòu)尺寸：爐膛直徑D，節(jié)圓直徑D’，有效輻射長(zhǎng)度Lef；

設(shè)計(jì)計(jì)算解決的問(wèn)題包括：第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第2頁(yè)/共33頁(yè)1.輻射管表面熱強(qiáng)度qR

定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)每平方米爐管表面積所傳遞的熱量

討論：QR一定（QR=70～80%Q），qR↑→ARt↓→基建投資費(fèi)用↓；Art相同，qR↑→生產(chǎn)能力↑;熱強(qiáng)度qR的大小標(biāo)志著爐子傳熱面積的高低容許熱強(qiáng)度第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第3頁(yè)/共33頁(yè)影響因素：①被加熱介質(zhì)的熱穩(wěn)定性：包括介質(zhì)的熱穩(wěn)定性、油品芳香烴含量、被加熱介質(zhì)的流速②選用爐管的材質(zhì)

③爐管受熱的不均勻性

第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第4頁(yè)/共33頁(yè)2.輻射管表面積ARt

第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第5頁(yè)/共33頁(yè)3.輻射管管外徑do及管心距S1

(1)dO的設(shè)計(jì)：由管內(nèi)冷介質(zhì)流速u：

式中：W－管內(nèi)介質(zhì)流量，kg/h；

N－管程數(shù)，一般不用奇數(shù)；

ρ－管內(nèi)介質(zhì)在20℃的密度，kg/m3第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第6頁(yè)/共33頁(yè)討論：a.u↗,di↙，對(duì)流傳熱系數(shù)αi↗，有利于傳熱；但u↗,ΔP↗；b.do=di+2δ（管外徑=管內(nèi)徑+2壁厚），壁厚根據(jù)壓強(qiáng)選定，一般為6～12mm，然后參照國(guó)產(chǎn)爐規(guī)格選定。

第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第7頁(yè)/共33頁(yè)(2)S1的設(shè)計(jì)：

增大S1

，可使?fàn)t墻一面的爐管表面達(dá)到較大的局部熱強(qiáng)度，從而改善爐管沿圓周方向的受熱不均勻性，也就提高了爐管表面的平均熱強(qiáng)度；管心距一般在1.8～2.25do之間，推薦使用2do第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第8頁(yè)/共33頁(yè)4.輻射室或爐膛尺寸(1)爐膛的高度：

高徑比－爐管的有效長(zhǎng)度與中心節(jié)圓直徑之比國(guó)外：2.5～3.0，國(guó)內(nèi)：1.7～2.5確定：取Lef=(1.7～3.0)D’

第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第9頁(yè)/共33頁(yè)(2)爐管根數(shù)n：

所需爐管總數(shù)n應(yīng)為：

但實(shí)際的爐管根數(shù)應(yīng)選為管程數(shù)N的整數(shù)倍第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第10頁(yè)/共33頁(yè)(3)爐膛的直徑D：

根據(jù)實(shí)際爐管數(shù)算出中心節(jié)圓直徑D’，再加上2倍的管中心至爐壁的距離（一般距離取1.5do），即為實(shí)際爐膛的直徑。即：

D=D’+1.5do×2=D’+3do第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第11頁(yè)/共33頁(yè)5.遮蔽管無(wú)反射錐的空心圓筒爐中對(duì)流室下部的第一排管

其表面積和當(dāng)量冷平面面積應(yīng)分別計(jì)入輻射管的面積和當(dāng)量冷平面內(nèi)煙氣對(duì)遮蔽管的角系數(shù)令其等于1

第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第12頁(yè)/共33頁(yè)二、輻射室的校核計(jì)算1.存在的問(wèn)題a.輻射室內(nèi)的燃料燃燒機(jī)理尚不清楚；b.發(fā)熱面即煙氣的溫度、組成處處不同，即：

εg=f(PCO2，PH2O，L，Tg)，

PCO2，PH2O=f(r，Z，θ)，Tg=f(r，Z，θ)；c.吸熱面為一灰表面，爐管管壁溫度與管內(nèi)油品溫度有關(guān)，且處處不同；d.吸熱面不連續(xù)，爐墻有反射作用第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第13頁(yè)/共33頁(yè)2.計(jì)算方法經(jīng)驗(yàn)方法：威爾遜·羅伯－霍特爾計(jì)算式理論方法羅伯－伊萬(wàn)斯方法別洛康法區(qū)域法熱流量法蒙特卡洛法

√第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第14頁(yè)/共33頁(yè)3.羅伯－依萬(wàn)斯(Lobo-Evans)法傳熱速率方程式(1)特點(diǎn)：

①只能計(jì)算輻射傳熱量QR及煙氣離開(kāi)輻射室的溫度Tg；②不能得到煙氣的溫度分布及熱強(qiáng)度分布；③不適用于高徑比Lef/D’>3的情況；④適合于純加熱或熱強(qiáng)度分布較均勻的加熱爐。

第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第15頁(yè)/共33頁(yè)(2)基本假定：

Tmax>Tg>Tg’>TR>Tt第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第16頁(yè)/共33頁(yè)(2)基本假定：①煙氣在爐膛內(nèi)的有效輻射溫度Tg等于煙氣離開(kāi)輻射室溫度Tg’(煙氣在爐膛內(nèi)充分混合，各處溫度相等，且等于煙氣出口溫度)；②將熾熱的煙氣與火焰看作一發(fā)熱面，將管排看作一吸熱面，管壁溫度為管內(nèi)介質(zhì)平均溫度加上50℃；

③對(duì)流給未敷設(shè)爐管爐墻的熱量等于其散熱損失，從輻射的角度將爐墻看成一全反射面；

簡(jiǎn)化為：在有反射面的情況下，一個(gè)發(fā)熱面與一個(gè)吸熱面之間的傳熱。第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第17頁(yè)/共33頁(yè)(3)傳熱速率方程式：

兩黑表面間的輻射換熱：引入F，輻射室內(nèi)的輻射傳熱速率QRr為：

式中：Tg、Tt－煙氣和管壁的平均溫度，K；

Aef－煙氣對(duì)管排的有效輻射面積，m2；

F－總輻射交換因數(shù)。第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第18頁(yè)/共33頁(yè)輻射室內(nèi)的對(duì)流方式傳熱速率QRC為：式中：αRC－對(duì)流給熱系數(shù)，W/(m2.K)；

ARt－輻射管外表面積，m2。

第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第19頁(yè)/共33頁(yè)取αRC=11.36W/(m2·K)；F=0.57；ARt≈2Aef。而當(dāng)量冷平面面積Aef=φACP代入上式，則：其中：φ－煙氣對(duì)管排的角系數(shù)；

ACP－管排所占據(jù)的全部面積（包括管間空隙面積），或稱為冷平面面積第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第20頁(yè)/共33頁(yè)輻射室中總的傳熱速率QR為：可以看出：故輻射室的傳熱速率方程式為：第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第21頁(yè)/共33頁(yè)(4)傳熱速率方程式中各參數(shù)的確定：

①冷平面面積ACP及煙氣對(duì)管排的角系數(shù)φ：

冷平面面積ACP是指管排所占據(jù)的全部面積：

煙氣對(duì)管排的角系數(shù)φ是煙氣輻射給管排的能量所占煙氣輻射總能量的分率,

φ與管排的排列方式（單排或雙排）、管排的受熱方式（單面或雙面）、管排的排列密度（S1/do）有關(guān)。第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第22頁(yè)/共33頁(yè)②總輻射交換因素F:F是用來(lái)修正由于模型偏差而進(jìn)行修正的參數(shù)：第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第23頁(yè)/共33頁(yè)②總輻射交換因素F:第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第24頁(yè)/共33頁(yè)③煙氣的黑度εg：εg=f(CO2和H2O的組成，爐膛的形狀和大小,Tg，Tt)↑

與其分壓成正比←取決于燃燒時(shí)的α計(jì)算：由α查圖7-46(P375)→CO2和H2O的分壓之和查表7-7(P375)→不同形狀氣體層的平均輻射長(zhǎng)度

Tg查圖7-47(P376)→εg

→第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第25頁(yè)/共33頁(yè)④管壁溫度Tt：

管壁溫度與輻射管的熱強(qiáng)度、管內(nèi)介質(zhì)的溫度、管內(nèi)對(duì)流傳熱膜系數(shù)、管壁的熱阻以及管壁的結(jié)垢情況有關(guān)?！鎸?duì)于純加熱爐，取

式中：τ1’－管內(nèi)介質(zhì)在輻射室入口的溫度，℃

τ1，τ2－分別為管內(nèi)介質(zhì)在對(duì)流室入口和輻射室出口的溫度，℃。第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第26頁(yè)/共33頁(yè)(5)熱平衡方程式：或改寫成與速率方程式相同的形式：

式中：qg=f(tg，α)，α一定時(shí)，qg=f(tg)代入上式：式中只有QR和tg是求解的未知數(shù)

第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第27頁(yè)/共33頁(yè)(6)圖解法確定輻射室QR和tg：①假定一個(gè)tg，查圖得到qg/Ql，帶入熱平衡方程式，得到一個(gè)QR/φAcPF，在圖7-42上找到一點(diǎn)；②如果該點(diǎn)落在傳熱速率曲線的左上方，則再假設(shè)一個(gè)tg’，使tg’=tg+（100～200）℃，重新計(jì)算(QR/φAcPF)’

，使第二點(diǎn)落在曲線的右下方；③連接上述兩點(diǎn)，連線與曲線交點(diǎn)的坐標(biāo)(tg，QR/φAcPF)即為所求：

第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第28頁(yè)/共33頁(yè)第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第29頁(yè)/共33頁(yè)三、關(guān)于輻射室操作的幾點(diǎn)說(shuō)明1.強(qiáng)化輻射室內(nèi)傳熱過(guò)程的措施(1)降低過(guò)?？諝庀禂?shù)α(2)增加燃料用量B(3)加強(qiáng)加熱爐的保溫措施

第八節(jié)輻射室的傳熱計(jì)算第30頁(yè)/共33頁(yè)2.輻射室熱負(fù)荷改變?nèi)绾握{(diào)節(jié)

若小范圍的變化可以采用改變?nèi)剂嫌昧康姆椒?，若輻射室熱?fù)荷變化較大，