1、管式加热炉管式加热炉一、加热炉热负荷及热平衡计算一、加热炉热负荷及热平衡计算 二、炉内燃烧过程计算二、炉内燃烧过程计算 三、炉内辐射换热计算三、炉内辐射换热计算 四、炉内对流传热计算四、炉内对流传热计算 五、阻力降计算五、阻力降计算 六、氮氧化物的生成和控制六、氮氧化物的生成和控制 一、加热炉热负荷及热平衡计算一、加热炉热负荷及热平衡计算 热负荷计算、热平衡计算、热效率计算热负荷计算、热平衡计算、热效率计算（一）热负荷计算（一）热负荷计算热负荷：加热炉单位时间炉管内介质吸收的热量称为有效热负荷，简称热负荷：加热炉单位时间炉管内介质吸收的热量称为有效热负荷，简称 热负荷，单位为热负荷，单位为千卡
2、千卡/时或时或kw/h。总热负荷：原料和水蒸汽通过加热炉所吸收的热量以及其他热负荷如注总热负荷：原料和水蒸汽通过加热炉所吸收的热量以及其他热负荷如注 水汽化热等称为总热负荷。水汽化热等称为总热负荷。加热炉的总热负荷可以根据各介质进出炉的热焓及汽化率来计算：加热炉的总热负荷可以根据各介质进出炉的热焓及汽化率来计算：式中式中Q 加热炉总热负荷，千卡时；加热炉总热负荷，千卡时；WF油料流量，公斤时；油料流量，公斤时；Ws过热蒸汽量，公斤时；过热蒸汽量，公斤时；e 原料气化率，；原料气化率，；IL加热炉炉出口温度下油料液相热焓，千卡公斤；加热炉炉出口温度下油料液相热焓，千卡公斤；IV加热炉炉出口温度下
3、油料气相热焓，千卡公斤；加热炉炉出口温度下油料气相热焓，千卡公斤；Ii加热炉炉进口温度下油料液相热焓，千卡公斤；加热炉炉进口温度下油料液相热焓，千卡公斤；Is1过热蒸汽进口时热焓，千卡公斤；过热蒸汽进口时热焓，千卡公斤；Is2过热蒸汽出口时热焓，千卡公斤；过热蒸汽出口时热焓，千卡公斤；Q其他热负荷，如注水汽化热等，千卡时。其他热负荷，如注水汽化热等，千卡时。加热炉的设计热负荷通常取计算热负荷的加热炉的设计热负荷通常取计算热负荷的1.151.2倍。倍。21(1)()FvLisssQWeIe IIW IIQ热负荷的影响因素：热负荷的影响因素：(1)(1)原料油的性质、流量、进出口温差、生产要求的汽
4、化率原料油的性质、流量、进出口温差、生产要求的汽化率(如果原料油如果原料油在炉管内有化学反应还应包括所需的反应热在炉管内有化学反应还应包括所需的反应热)；(2)(2)水蒸汽流量、进出口温差和进炉前蒸汽含水量。水蒸汽流量、进出口温差和进炉前蒸汽含水量。原料油处理量越大，流量越大，进出口温差越大，炉子热负荷越大。原料油处理量越大，流量越大，进出口温差越大，炉子热负荷越大。汽化率是液体原料油加热汽化的百分数，由生产工艺确定。汽化率越高，炉汽化率是液体原料油加热汽化的百分数，由生产工艺确定。汽化率越高，炉子热负荷越大。子热负荷越大。水蒸汽流量越高，进出口温差越大，炉子热负荷水蒸汽流量越高，进出口温差越
5、大，炉子热负荷越大。越大。蒸汽内含水量越多，过热蒸汽在炉内吸收较多的热量，炉子热负荷蒸汽内含水量越多，过热蒸汽在炉内吸收较多的热量，炉子热负荷越大越大。装置炉型流量 吨/时热负荷 万千卡/时总计辐射室对流室延迟焦化方箱炉24401.4276125.4蒸馏双斜顶炉22518961405491催化裂化立式炉77.6926-铂重整立式炉119.511142842300铂重整圆筒炉12.82133-延迟焦化无焰炉611240678562表表81 某些管式炉热负荷示例某些管式炉热负荷示例（二）热平衡计算（二）热平衡计算 1 热平衡通式热平衡通式 对于连续生产的管式炉，根据能量守恒定律，输入能量应等于输出
6、能量，即有下对于连续生产的管式炉，根据能量守恒定律，输入能量应等于输出能量，即有下列关系式：列关系式：式中：式中：Qgg供给能量，供给能量，Qyx有效能量，有效能量，Qss损失能量，损失能量，kcalh 2 热平衡体系的划分热平衡体系的划分 为进行热平衡计算而划分的范围，叫做热平衡体系。体系划分的范围不同，热平衡计算所为进行热平衡计算而划分的范围，叫做热平衡体系。体系划分的范围不同，热平衡计算所包括的项目也不同，计算所得的热效率也不相同。体系范围的划定取决于评价对象、测试目的包括的项目也不同，计算所得的热效率也不相同。体系范围的划定取决于评价对象、测试目的和要求。划分体系范围时，应该考虑整个体
7、系的收入和支出项目尽可能的少，同时所有项目的和要求。划分体系范围时，应该考虑整个体系的收入和支出项目尽可能的少，同时所有项目的测量是简单可行的。根据这些原则，常见的管式炉及其余热回收系统的体系划分如图测量是简单可行的。根据这些原则，常见的管式炉及其余热回收系统的体系划分如图8.18.3所所示。示。ggyxssQQQ空 气空 气 图8.1 仅加热工艺介质 图8.2 烟气预热燃烧空气 图8.3 闭路循环热载体预热燃烧空气 式中：B燃料用量；QD燃料低热值和显热及雾化蒸汽显热之和，kcal/kg燃料；Qk空气带入体系的显热，lcal/kg燃料；Q2-Q1 有效热量，即热负荷kcal/h；q1-3排烟
8、损失与燃料低热值之比；q4散热量与供给热量之比；Qz排烟中蒸汽带走的热量，kcal/kg燃料。3 热平衡的基准温度热平衡的基准温度在进行热平衡计算时，涉及到计算的起始温度，即基准温度。在进行热平衡计算时，涉及到计算的起始温度，即基准温度。世界各国采用的热平衡基准温度不尽相同，如世界各国采用的热平衡基准温度不尽相同，如0、15.6(60F)、20、25、大气温度等。其中采用大气温度等。其中采用15.6的较多。我国国家标准的较多。我国国家标准热设备能量平衡通则热设备能量平衡通则(GB 258781)规定：规定：“原则上以环境温度原则上以环境温度(如外如外界空气温度界空气温度)为基准。若采用其它温度
9、基准时应予以说明。为基准。若采用其它温度基准时应予以说明。”对于同一体系，在其他条件和参数完全相同的情况下，基准温度不对于同一体系，在其他条件和参数完全相同的情况下，基准温度不同，计算出的热效率值就不相同，按此求得的燃料用量当然也不同。同，计算出的热效率值就不相同，按此求得的燃料用量当然也不同。所以对基准温度有必要作出统一的规定。所以对基准温度有必要作出统一的规定。以环境温度作为基准温度较符合实际，适用于对运转中的管式炉以环境温度作为基准温度较符合实际，适用于对运转中的管式炉进行实际考核。但是，环境温度是一个变量，用于设计炉子或对全国进行实际考核。但是，环境温度是一个变量，用于设计炉子或对全国
10、各地同类炉子进行热效率比较时，又会产生困难。在这种情况下还是各地同类炉子进行热效率比较时，又会产生困难。在这种情况下还是以某一固定的温度以某一固定的温度(如如15.6或或0)为基准温度较为方便。为基准温度较为方便。（三）热效率（三）热效率1 1、热效率：热效率表示管式炉体系中参与热交换过程的热能的利用程度。它的、热效率：热效率表示管式炉体系中参与热交换过程的热能的利用程度。它的供给能量中一般只包括燃料低热值和燃料、空气及雾化蒸汽带入的显热。损失能量供给能量中一般只包括燃料低热值和燃料、空气及雾化蒸汽带入的显热。损失能量包括排烟带走的热量和散失的热量。它便于计算燃料耗量，是衡量管式炉燃料利用包括
11、排烟带走的热量和散失的热量。它便于计算燃料耗量，是衡量管式炉燃料利用情况的一项重要指标。从这个意义上说，它也可以叫做情况的一项重要指标。从这个意义上说，它也可以叫做“燃料效率燃料效率”，用，用 表示表示。2 2、综合热效率：国家标准、综合热效率：国家标准GB2588-81GB2588-81中定义的热效率，在供给能量中还包括了中定义的热效率，在供给能量中还包括了外界供给体系的电和功（如鼓风机、引风机和吹灰器电耗，吹灰器蒸汽消耗等）。外界供给体系的电和功（如鼓风机、引风机和吹灰器电耗，吹灰器蒸汽消耗等）。这些电和功一般不转化为有效能，几乎全部变为由于摩擦引起的能量损失。因此在这些电和功一般不转化为
12、有效能，几乎全部变为由于摩擦引起的能量损失。因此在供给能量中加上表示电和功的项供给能量中加上表示电和功的项 N N，在损失能量中也增加一项数值与在损失能量中也增加一项数值与 N N 相等的损相等的损失能量，以失能量，以 N N 表示。这样定义的热效率，称为综合热效率，是一项综合性的技表示。这样定义的热效率，称为综合热效率，是一项综合性的技术经济指标，用术经济指标，用 表示。表示。3、热效率计算式：管式炉的热效率是其供给能量的有效利用程度在数量上的表、热效率计算式：管式炉的热效率是其供给能量的有效利用程度在数量上的表示。即有效能量对供给能量的百分数：、示。即有效能量对供给能量的百分数：、（正平衡
13、）（正平衡）（8.4）（反平衡）（反平衡）（8.5）1100YXGGQQ(1)100SSGGQQ12二、炉内燃烧过程计算二、炉内燃烧过程计算 （一）燃料的热值（一）燃料的热值燃料的热值与燃料的组成有关，热值分高热值与低热值两种。燃料的热值与燃料的组成有关，热值分高热值与低热值两种。高热值是燃料完全燃烧后生成的水已冷凝为液体水的状态时计算出来的热值。高热值是燃料完全燃烧后生成的水已冷凝为液体水的状态时计算出来的热值。低热值是燃料完全燃烧后生成的水为蒸汽状态时的热值。在计算中常常只用到低低热值是燃料完全燃烧后生成的水为蒸汽状态时的热值。在计算中常常只用到低热值（露点问题）。热值（露点问题）。1、液
14、体燃料的高、低热值由下列公式计算：、液体燃料的高、低热值由下列公式计算：Qh81C十十300H十十26(SO)(8.6)Ql81C十十246H十十26(SO)6W (8.7)式中式中Qh、Ql-液体燃料的高、低热值，千卡公斤液体燃料的高、低热值，千卡公斤(燃料燃料)；C、H、O、S、W在燃料中的碳、氢、氧、硫和水分重量百分率，常用在燃料中的碳、氢、氧、硫和水分重量百分率，常用1号原油燃料油中含号原油燃料油中含C 88，H 12，S、O、W微量。微量。9号原油燃料油中含号原油燃料油中含C 88.3，H10.5，S1.2，O、W微量。微量。2、气体燃料的高、低热值由下式计算：、气体燃料的高、低热值
15、由下式计算：Qhqhiyi (8.8)Qlqliyi (8.9)式中式中Qh、Ql气体燃料的高、低热值，千卡标米气体燃料的高、低热值，千卡标米3(燃料气燃料气)；qhi、qli气体燃料中各组分的高、低热值，千卡标米气体燃料中各组分的高、低热值，千卡标米3；yi气体燃料内各组分的体积百分率，气体燃料内各组分的体积百分率，qhi和和qli的值由表的值由表8-3查得。查得。气体组分重量热值 千卡/公斤体积热值 千卡/标米3高热值qhi低热值qli高热值qhi低热值qli甲烷133001195495008529乙烷12300113501640015186丙烷12000110702300021742异丁
16、烷-109042830026100正丁烷11800109323000028281异戊烷1170010183-32200正戊烷1160010840-34818正己烷1150010780-42100正庚烷-107374720043700正辛烷-107055400050000乙烯1210011272-14204丙烯1180010942-20638异丁烯118110835-27400乙炔1200011600-13483苯101009698-34870氢3450029450-2650一氧化碳-2420-3018硫化氢39503650-3710乙醚8900-表表8-3：气体组分的高低热值：气体组分的高低热
17、值 表表84 常用燃料油的高低热值常用燃料油的高低热值燃料油比重燃料油比重低热值低热值 千卡千卡/公斤公斤高热值高热值 千卡千卡/公斤公斤0.924810025106800.96009720103001.0000961010170注：为1号原油减压渣油数据。为9号原油减压渣油数据。（二）理论空气量（二）理论空气量 燃料完全燃烧时所需的空气量为理论空气量。燃料完全燃烧时所需的空气量为理论空气量。液体燃料所需理论空气量可用下式计算：液体燃料所需理论空气量可用下式计算：(8.10)(8.11)式中式中 Lo燃料的理论空气量燃料的理论空气量(重量重量)，公斤空气公斤燃料；，公斤空气公斤燃料；Vo燃料的
18、理论空气量燃料的理论空气量(体积体积)，标米，标米3空气公斤燃料。空气公斤燃料。气体燃料所需理论空气量可用下式计算：气体燃料所需理论空气量可用下式计算：(8.12)式中式中 气体燃料的重度，公斤标米气体燃料的重度，公斤标米3。气体组成均为体积百分率。气体组成均为体积百分率。对于不知道化学组成的液体或气体燃料可由图对于不知道化学组成的液体或气体燃料可由图8.4、图、图8.5查得所需理论空气查得所需理论空气量。量。2.67823.2/%oCHSOL1.293ooLV 2220.06190.50.5()1.54omnnLHCOmC HH SO燃料油的低发热值，千卡/公斤燃烧烟气量与理论空气量，标立米
19、/公斤燃料油过剩空气系数 1.40理论空气量燃料气的低发热值，千卡/标立米过剩空气系数 1.40理论空气量燃烧烟气量与理论空气量，标立米/标立米 燃料气图图8.4 燃料油的低发热值与燃烧烟气量的关系燃料油的低发热值与燃烧烟气量的关系 图图8.5 燃烧气的低发热值与燃烧烟气量的关系燃烧气的低发热值与燃烧烟气量的关系（三）过剩空气系数（三）过剩空气系数实际进入炉膛的空气量与理论空气量之比叫做实际进入炉膛的空气量与理论空气量之比叫做过剩空气系数。过剩空气系数。在合理控制炉子燃烧的条件下，烧油时过剩空在合理控制炉子燃烧的条件下，烧油时过剩空气系数应为气系数应为1.2，烧气时应为，烧气时应为1.1。过剩
20、空气系数太小。过剩空气系数太小会使热分布恶化，小于会使热分布恶化，小于1.05时将腐蚀炉管。过剩空时将腐蚀炉管。过剩空气系数太大会降低火焰温度，减少三原子气体浓度气系数太大会降低火焰温度，减少三原子气体浓度，降低辐射热的吸收率，使炉效率降低。过剩空气，降低辐射热的吸收率，使炉效率降低。过剩空气系数每降低系数每降低10可使炉子热效率提高可使炉子热效率提高11.5。由于过剩空气系数对炉效率影响很大，故在操由于过剩空气系数对炉效率影响很大，故在操作中应注意控制炉子的燃烧条件，使过剩空气系数作中应注意控制炉子的燃烧条件，使过剩空气系数的数值不超过允许范围。的数值不超过允许范围。在进行加热炉核算时，如已
21、知烟气分析结果，在进行加热炉核算时，如已知烟气分析结果，可根据下列公式计算实际过剩空气系数：可根据下列公式计算实际过剩空气系数：（8.13）式中式中:过剩空气系数；过剩空气系数；O2、N2烟气烟气中氧、氮的体积百分率，。中氧、氮的体积百分率，。若只知道烟气中氧含量时可用图若只知道烟气中氧含量时可用图8.6查出查出 值。值。222121 79ON过剩空气系数，烟 气 中 氧 含 量，%图图8.6 烟气中氧含量与过剩烟气中氧含量与过剩 空气系数的关系空气系数的关系 11（四）炉效率（四）炉效率 加热炉的热效率取决于加热炉的排气温度，合理的控制排气温度可以得到理想的热效率。在加热炉的热效率取决于加热
22、炉的排气温度，合理的控制排气温度可以得到理想的热效率。在计算时，当对流段采用光管时，离开对流段的烟气温度计算时，当对流段采用光管时，离开对流段的烟气温度t ts s可假定较对流段油料入口温度可假定较对流段油料入口温度 高高80-80-120120；对流段采用翼片管或钉头管时，可假定；对流段采用翼片管或钉头管时，可假定t ts s 1 十十(45-80(45-80)；采用废热回收并使用翼片管；采用废热回收并使用翼片管时，可假定时，可假定t ts s饱和蒸汽温度十饱和蒸汽温度十(25-45(25-45)。对于某些大负荷的加热炉或进料温度较高的加热炉，。对于某些大负荷的加热炉或进料温度较高的加热炉，
23、对流段排出热量较大时应考虑废热回收以提高炉子的热效率。目前带有预热或余热回收系统的加对流段排出热量较大时应考虑废热回收以提高炉子的热效率。目前带有预热或余热回收系统的加热炉，热效率常在热炉，热效率常在85-90%。根据文献介绍，按加热炉热负荷确定热效率的大致数字如下：根据文献介绍，按加热炉热负荷确定热效率的大致数字如下：热负荷，千卡时热负荷，千卡时 热效率，热效率，252510106 6以上以上 80809090 7.6 7.610106 6-25-2510106 6以上以上 75758585 0.76 0.7610106 6-7.6-7.610106 6以上以上 70708080 0.76
24、0.7610106 6以下以下 55557070 热效率由下式计算：热效率由下式计算：（8.148.14）式中式中:热效率，；热效率，；辐射段加对流段总热损失，；辐射段加对流段总热损失，；烟气出对流段带走的热量，烟气出对流段带走的热量，。根据过剩空气系数。根据过剩空气系数 和烟气出对流段温度和烟气出对流段温度t ts s，由图由图8.78.7可查得烟气带走的热量。可查得烟气带走的热量。通常老式方箱炉辐射段热损失约通常老式方箱炉辐射段热损失约3 36 6，对流段热损失约，对流段热损失约1 12 2。立式炉和圆筒炉辐射段热。立式炉和圆筒炉辐射段热损失约损失约1 13 3，对流段热损失约，对流段热损
25、失约1 12 2。1(100)LqqLq1q1烟 气 温 度 t s,Cq1/Qm%,千卡/公斤 1.3 1.4 1.5过剩空气系数 1.6 1.0 1.1 1.2图8.7烟气带走热量百分率图 图8.7烟气带走热量百分率图（五）燃料用量（五）燃料用量 （8.15）式中式中 B燃料用量，公斤时；燃料用量，公斤时；Q加热炉总热负荷；加热炉总热负荷；Q1燃料低热值。燃料低热值。（六）烟气流量（六）烟气流量由下式求得：由下式求得：（8.16）式中式中Wg烟烟气流量，公斤时；气流量，公斤时；Ws雾化蒸汽流量，雾化蒸汽流量，%。当烧油时当烧油时 Ws0.5(或按喷嘴要求决定或按喷嘴要求决定)。当烧气时当烧
26、气时 Ws01QQB(1)gosWLWB 1QBQ三、管式加热炉内辐射换热计算三、管式加热炉内辐射换热计算（一）辐射传热的基本概念（一）辐射传热的基本概念 物质受热引起其内部原子结构中电子的振动或激发后，会对外发射出辐射能，这种能量以物质受热引起其内部原子结构中电子的振动或激发后，会对外发射出辐射能，这种能量以电磁波的形式发射并传播，当辐射到另一物体被吸收时转变为热能。能全部吸收辐射能的物体电磁波的形式发射并传播，当辐射到另一物体被吸收时转变为热能。能全部吸收辐射能的物体称为绝对黑体或黑体，能全部反射辐射能的物体称为白体，自然界中绝对黑体和绝对白体都是称为绝对黑体或黑体，能全部反射辐射能的物体
27、称为白体，自然界中绝对黑体和绝对白体都是不存在的。能全部透过辐射能的物体称为透热体。能部分吸收和反射辐射能的物体称为灰体。不存在的。能全部透过辐射能的物体称为透热体。能部分吸收和反射辐射能的物体称为灰体。（二）（二）物体的辐射能力物体的辐射能力1 绝对黑体的辐射能力绝对黑体的辐射能力 物体在一定温度下，单位时间内从单位面积上以辐射形式放出的热量称为该物体在该温度物体在一定温度下，单位时间内从单位面积上以辐射形式放出的热量称为该物体在该温度下的辐射能力，单位为下的辐射能力，单位为W/。实验证明，物体的温度越高，其辐射能力越强，绝对黑体的辐射实验证明，物体的温度越高，其辐射能力越强，绝对黑体的辐射
28、能力与热力学温度的四次方成正比。能力与热力学温度的四次方成正比。即即 （8.17）式中式中 0黑体的辐射常数，其数值为：黑体的辐射常数，其数值为：5.6710-8W/（m2k4）T黑体表面的热力学温度，黑体表面的热力学温度，K。上式为斯蒂芬上式为斯蒂芬-波尔兹曼定律的数学表达式，表明了黑体的辐射能力与温度的关系。为了方波尔兹曼定律的数学表达式，表明了黑体的辐射能力与温度的关系。为了方便起见，工程上常用下式表示：便起见，工程上常用下式表示：（8.18）式中式中C0=5.67W/（m2k4），），为黑体的辐射系数。为黑体的辐射系数。2 灰体的辐射能力灰体的辐射能力 任何物体的辐射能力和吸收率之比是
29、定值，所以一定温度下物体的辐射能力越大，则吸收任何物体的辐射能力和吸收率之比是定值，所以一定温度下物体的辐射能力越大，则吸收率越大。黑体的吸收能力最大，它的辐射能力也最大。灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射率越大。黑体的吸收能力最大，它的辐射能力也最大。灰体的辐射能力与同温度下黑体的辐射能力之比称为黑度，用下式表示能力之比称为黑度，用下式表示 （8.19）故灰体的辐射力为故灰体的辐射力为 （8.20）400ET400100TEC00ECEC40100TEC（三）管式加热炉辐射传热计算（三）管式加热炉辐射传热计算 1 1、经验公式法经验公式法（1 1）辐射室辐射传热的特点）辐射室辐射传热的特点
30、在辐射室存在两股温度相差悬殊的流体，一股是以炽热的火焰和烟气流为主体的热流体，一在辐射室存在两股温度相差悬殊的流体，一股是以炽热的火焰和烟气流为主体的热流体，一股是在管内流动着的温度较低的冷流体。高温烟气流的辐射热通过管排表面传递给低温冷流体。股是在管内流动着的温度较低的冷流体。高温烟气流的辐射热通过管排表面传递给低温冷流体。因此若把高温烟气流视为热面，而把通过管排轴线的布管平面因此若把高温烟气流视为热面，而把通过管排轴线的布管平面 视为一个假想的冷面，则热面和视为一个假想的冷面，则热面和冷面相互之间进行辐射传热，使冷面净增的的辐射热量可以用下式计算：冷面相互之间进行辐射传热，使冷面净增的的辐
31、射热量可以用下式计算：（8.218.21）总辐射系数；总辐射系数；A A传热面积传热面积 角系数，表示从热面发射的辐射能投到冷面上的百分数。角系数，表示从热面发射的辐射能投到冷面上的百分数。cpA44121 2100100TTQCA 但实际上，辐射室的传热情况要比上述的情况更为复杂。但实际上，辐射室的传热情况要比上述的情况更为复杂。燃料在辐射室燃烧的结果，生成含有燃料在辐射室燃烧的结果，生成含有COCO2 2、H H2 2O O、SOSO2 2等组分的等组分的高温烟气。在燃烧中，从燃料中分解出许多悬浮着的游离碳，高温烟气。在燃烧中，从燃料中分解出许多悬浮着的游离碳，形成了火焰。在火焰形成的同时
32、，便向周围空间辐射热能，形成了火焰。在火焰形成的同时，便向周围空间辐射热能，辐射线的一部分投射到向火面一侧炉管外表面，另一部分通辐射线的一部分投射到向火面一侧炉管外表面，另一部分通过炉管与炉管之间的间隙投射到炉墙上。炉墙将接受的辐射过炉管与炉管之间的间隙投射到炉墙上。炉墙将接受的辐射热以直接反射的方式投射到炉墙一侧的炉管外表面和附近的热以直接反射的方式投射到炉墙一侧的炉管外表面和附近的烟气。由此可见，辐射室中实际的传热状况与两个温度不同烟气。由此可见，辐射室中实际的传热状况与两个温度不同的绝对黑体平行平面的简单传热状况有很大差别。的绝对黑体平行平面的简单传热状况有很大差别。1 2C2、区域法、
33、区域法 管式加热炉炉膛空间中的烟气、耐火墙、炉管各自的温度、性质不均匀。如管式加热炉炉膛空间中的烟气、耐火墙、炉管各自的温度、性质不均匀。如果把它们分成若干块，并把每一块称为一个区，当这些区足够小的话，或者说炉果把它们分成若干块，并把每一块称为一个区，当这些区足够小的话，或者说炉膛一定，区的数量足够多的话，每一区的温度、性质必趋于相同。每一区在发射膛一定，区的数量足够多的话，每一区的温度、性质必趋于相同。每一区在发射辐射能的同时又接受来自其他各区的辐射能。这样，计算炉膛的辐射热交换就变辐射能的同时又接受来自其他各区的辐射能。这样，计算炉膛的辐射热交换就变成了具体地计算各区之间的辐射热交换。计算
34、出各区的温度，也就相应的得到了成了具体地计算各区之间的辐射热交换。计算出各区的温度，也就相应的得到了温度分布。温度分布。3 3、蒙特卡罗法蒙特卡罗法 蒙特卡罗法在进行计算时把系统分为若干表面区和气体区。在区域法中，提蒙特卡罗法在进行计算时把系统分为若干表面区和气体区。在区域法中，提出交换面积这一概念，并用之计算辐射热交换，在蒙特卡罗法中则用能束来模拟出交换面积这一概念，并用之计算辐射热交换，在蒙特卡罗法中则用能束来模拟发射、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
35、部历程是由一系列随机数来决定的。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。和热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。和热射线的运行一样，能束在均匀介质中按直线前进。如果对能束进行跟踪，记录它射线的运行一样，能束在均匀介质中按直线前进。如果对能束进行跟踪，记录它自发射到被吸收的历程，最后可以统计出系统中各区发射和吸收能束数的多少，自发射到被吸收的历程，最后可以统计出系统中各区发射和吸收能束数的多少，作为工程上感兴趣的温度分布、热通量的计算基础。作为工程上感兴趣的温度分布、热通
36、量的计算基础。四、对流传热计算四、对流传热计算 对流传热是指流体各部分之间发生相对位移所引起的热量传递方式。加热炉对流传热是指流体各部分之间发生相对位移所引起的热量传递方式。加热炉对流室的热负荷占全炉热负荷的对流室的热负荷占全炉热负荷的20-30%20-30%。对流过程分为两种：一种是自然对流，其原因是流体各部分温度、密度有差对流过程分为两种：一种是自然对流，其原因是流体各部分温度、密度有差异；另一种是强制对流，其原因是受到了外力作用（如泵输送液体，压缩机输送异；另一种是强制对流，其原因是受到了外力作用（如泵输送液体，压缩机输送气体等）。气体等）。流体流动状态对对流传热效果有显著影响。根据其雷
37、诺数流体流动状态对对流传热效果有显著影响。根据其雷诺数ReRe的大小，流体流的大小，流体流动可以分为层流、湍流和过渡流三种。动可以分为层流、湍流和过渡流三种。ReRe小于小于23002300时，流体处于层流流动，其质时，流体处于层流流动，其质点沿管轴线做规则的平行流动，各质点互不碰撞混合。点沿管轴线做规则的平行流动，各质点互不碰撞混合。ReRe大于大于1000010000时，流体流动时，流体流动属于湍流，其质点做不规则的杂乱运动，互相碰撞产生旋涡。属于湍流，其质点做不规则的杂乱运动，互相碰撞产生旋涡。ReRe介于介于23002300和和1000010000之间时，流体流动状态属于过渡流，稍有扰
38、动就会发展为湍流。之间时，流体流动状态属于过渡流，稍有扰动就会发展为湍流。在层流状态下，各流体层之间互不混杂，对流传热主要依靠流体层间的热传在层流状态下，各流体层之间互不混杂，对流传热主要依靠流体层间的热传导，导热系数低，传热系数较低。在湍流情况下，不仅存在热传导，而且有热对导，导热系数低，传热系数较低。在湍流情况下，不仅存在热传导，而且有热对流，并且热对流占主导作用，对流传热系数显著提高。流，并且热对流占主导作用，对流传热系数显著提高。管式加热炉内的对流传热主要在流体与管壁之间，与流体的流动状态密切相管式加热炉内的对流传热主要在流体与管壁之间，与流体的流动状态密切相关，主要有管内膜传热和管外
39、膜传热。关，主要有管内膜传热和管外膜传热。（一）管内膜传热系数（一）管内膜传热系数 管内膜传热系数指炉管内流体与炉管内壁间的传热系数。管内膜传热系数指炉管内流体与炉管内壁间的传热系数。1、单相流内膜传热系数、单相流内膜传热系数 加热炉炉管内，当流体温度尚未达到泡点以前只存在着液相或者气相，故为单相流。流体的加热炉炉管内，当流体温度尚未达到泡点以前只存在着液相或者气相，故为单相流。流体的流动流动般为强制紊流。般为强制紊流。1930年，年，D1ttus和和 Boelter用在圆管中得到的湍流传热数据进行关联，得到用在圆管中得到的湍流传热数据进行关联，得到了如下的准数方程式了如下的准数方程式 Nu
40、0.023Re 0.8Prb (8.26)式式(8.26)适用于下列条件：适用于下列条件：Re104，0.7Pr100，60。当加热时当加热时b0.4，冷却时冷却时b=0.3。对于粘度比较大的流体，如各种石油馏分，采用对于粘度比较大的流体，如各种石油馏分，采用S1eder和和Tate的公式则更为适用，其准数式的公式则更为适用，其准数式表达如下：表达如下：（8.27）式中式中 努塞尔特准数努塞尔特准数 ；雷诺准数；雷诺准数 ；普兰特准数；普兰特准数 ，w分别为管内流体在平均温度下和管壁温度下的粘度分别为管内流体在平均温度下和管壁温度下的粘度,kgm 2h;hi管内膜传热系数，管内膜传热系数，kc
41、alm 2h；Di管内径，对非圆形管则为当量直径，管内径，对非圆形管则为当量直径，m；Gi管内流体的重量流速，管内流体的重量流速，kgm 2h；Ci，管内流体的比热，管内流体的比热，kcalkg；ki，管内流体的导热系数，管内流体的导热系数，kcalmh。使用式使用式(8.27)时，应注意流体的物性，除时，应注意流体的物性，除w外，其他各种物性都应采用平均温度进行计算。所谓外，其他各种物性都应采用平均温度进行计算。所谓平均温度指管段进、出口流体的算术平均温度。式平均温度指管段进、出口流体的算术平均温度。式(8.27)适用于下列条件：适用于下列条件：Re104，0.7P rl 6700，60。L
42、Di0.1410.88Rpreuw iiuihDNkiieDGRiriCpkLDi2、混相流的内膜传热系数混相流的内膜传热系数 当加热炉炉管内流体温度达到泡点时，管内开始出现气相。随着温度的升高，气相所占的当加热炉炉管内流体温度达到泡点时，管内开始出现气相。随着温度的升高，气相所占的比例愈来愈大，管内流体转变为两相流或称混相流。起初的流动状态是气泡流，逐渐发展为块比例愈来愈大，管内流体转变为两相流或称混相流。起初的流动状态是气泡流，逐渐发展为块状流、环状流，最后成为喷雾流。状流、环状流，最后成为喷雾流。水平管内混相流的发展情况水平管内混相流的发展情况竖直管内混相流的发展情况竖直管内混相流的发展
43、情况(1)气泡流、块状流和环状流区域气泡流、块状流和环状流区域 在气泡流、块状流和环状流区域中，实质上是泡核沸腾传热与混相流强制对流传热的在气泡流、块状流和环状流区域中，实质上是泡核沸腾传热与混相流强制对流传热的综合传热过程。综合传热过程。Chen提供的混相流内膜传热系数为提供的混相流内膜传热系数为 hjShb十十htp (8.28)式中式中h b为泡核沸腾膜传热系数，其计算式系为泡核沸腾膜传热系数，其计算式系Chen利用利用Foster和和Zuber的结果修正得到，即的结果修正得到，即 (8.29)式中式中 kL液相的导热系数，液相的导热系数，kcalmh；CL液相的比热，液相的比热，kca
44、lkg；液体的表面张力；液体的表面张力；kgmL液相的粘度，液相的粘度，kgm2h；入入液体的汽化潜热，液体的汽化潜热，kcalkg；L L,g g分别为液相和气相的密度，分别为液相和气相的密度，kgm 3；t管壁温度和液体沸腾温度之差，管壁温度和液体沸腾温度之差，；P在对应的管壁温度和液体沸腾温度之差在对应的管壁温度和液体沸腾温度之差tt下，液体的蒸气压之差，下，液体的蒸气压之差，kgm2；gc换算系数，换算系数，gc127108 kgmh2kg。0.790.450.490.250.240.750.50.290.240.240.00122cLLLbgLkCghtp 10.8480.10.01
45、621ggggiiggikDGChXDk(2)喷雾流区域喷雾流区域 在喷雾流区域的管内膜传热系数，在喷雾流区域的管内膜传热系数，Lavin和和young 用弗利昂用弗利昂12和弗利昂和弗利昂22进行实验，结果归进行实验，结果归纳出了下述关系式：纳出了下述关系式：（8.30）上式中各种物性，如导热系数上式中各种物性，如导热系数k，比热比热C，粘度等均标以下标粘度等均标以下标g，表示气相性质。表示气相性质。式中式中:Gg气体的重量流速，气体的重量流速，kgm 2h；X-气体的流量分率；气体的流量分率；WL，Wg分别表示液体和气体的流量，分别表示液体和气体的流量，kgh。3 3、管内结垢热阻管内结垢
46、热阻 加热炉炉管在操作一段时间以后，管内流体可能会析出一部分固体，或者是炉加热炉炉管在操作一段时间以后，管内流体可能会析出一部分固体，或者是炉管局部过热使流体分解、缩合引起结焦，这种现象一般叫做管内结垢。结垢物严重管局部过热使流体分解、缩合引起结焦，这种现象一般叫做管内结垢。结垢物严重妨碍传热的进行。由于结垢而产生的热阻叫做结垢热阻。妨碍传热的进行。由于结垢而产生的热阻叫做结垢热阻。对流管的总传热系数对流管的总传热系数KcKc与管内、外传热系数与管内、外传热系数hihi、h0h0，管内、外结垢热阻管内、外结垢热阻RiRi、R0R0，及金属壁热阻及金属壁热阻/kwkw的关系为：的关系为：（8.3
47、18.31）式中式中 KcKc以管外表面积为基准的总传热系数，以管外表面积为基准的总传热系数，kcal/kcal/m 2h ；-管壁厚，管壁厚，m m；kwkw管管壁的导热系数，壁的导热系数，kcal/kcal/m h 00000111iiiiwmDDDRRKchDDkDh（二）管外膜传热系数（二）管外膜传热系数 烟气对炉管的外膜传热系数，应根据管子的种类烟气对炉管的外膜传热系数，应根据管子的种类(光管，翅片管或钉头管光管，翅片管或钉头管)以及烟气的流向与以及烟气的流向与管子的相互关系管子的相互关系(平行，垂直或斜交平行，垂直或斜交)，而采用不同的计算公式。同时，不论烟气是自然对流或是，而采用
48、不同的计算公式。同时，不论烟气是自然对流或是强制对流，一般都可认为流动状态处于湍流区内。强制对流，一般都可认为流动状态处于湍流区内。1 1 光管的外膜传热系数光管的外膜传热系数 (1)(1)烟气流动的方向与管束平行烟气流动的方向与管束平行管束的管外膜传热系数的公式为：管束的管外膜传热系数的公式为：（8.318.31）式中：式中：k kg g烟气的导热系数，烟气的导热系数，kcal/mkcal/m2 2h h；ReReg g烟气的雷诺数，；烟气的雷诺数，；PrPrg g烟气的普朗德准数，；烟气的普朗德准数，；GgGg烟气的质量流速，烟气的质量流速，kg/mkg/m2 2h h；C Cg g烟气的
49、比热，烟气的比热，kcal/kgkcal/kg；烟气的粘度，烟气的粘度，kg/mkg/mh h；DeDe对流室的当量直径，对流室的当量直径，m m；LwLw对流室高度，对流室高度，m m。(2)(2)烟气流动的方向与管束垂直烟气流动的方向与管束垂直管束的管外膜传热系数，可用管束的管外膜传热系数，可用FishindenFishinden和和SaunderSaunder提出的准数方程式：提出的准数方程式：（8.328.32）式中式中 C CH H与管束的排列方式（正方形或三角形），管心距与管外径之比值，以及雷诺数有关与管束的排列方式（正方形或三角形），管心距与管外径之比值，以及雷诺数有关的系数；的
50、系数；管排数的校正系数。当管排在管排数的校正系数。当管排在1010排以上时，排以上时，l.0l.0；D D0 0管外径，管外径，m m；G Gmaxmax烟气在最小自由截面处的质量流速。烟气在最小自由截面处的质量流速。0.710.8800.023RePr1gggekDehDLw0.60.8max0000.33gggHggkcD GhCDkg 2、翅片管和钉头管的外膜传热系数翅片管和钉头管的外膜传热系数 在加热炉的对流室中，由于管外烟气的膜传热系数比管内介质的膜传热系数小得多，所以在加热炉的对流室中，由于管外烟气的膜传热系数比管内介质的膜传热系数小得多，所以起控制作用的热阻在烟气一侧。一般为了提
