輻射室傳熱計(jì)算

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(jì)算輻射室傳熱計(jì)算傳熱計(jì)算確定輻射室熱負(fù)荷傳熱計(jì)算確定輻射室熱負(fù)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(jì)算結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算煙氣流動(dòng)方向上有溫度梯度煙氣流動(dòng)方向上有溫度梯度整個(gè)爐膛內(nèi)的煙氣溫度不均勻整個(gè)爐膛內(nèi)的煙氣溫度不均勻甚至爐膛內(nèi)各點(diǎn)煙氣溫度都不同甚至爐膛內(nèi)各點(diǎn)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(jì)算方法計(jì)算方法輻射室傳熱輻射室傳熱經(jīng)驗(yàn)公式法經(jīng)驗(yàn)公式法 威爾遜、羅伯和霍特爾計(jì)算

2、式威爾遜、羅伯和霍特爾計(jì)算式理論分析法理論分析法 羅伯羅伯-依萬(wàn)斯依萬(wàn)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(duì)流對(duì)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(duì)流對(duì)流 4-1 羅伯羅伯- -依萬(wàn)斯法依萬(wàn)斯法一個(gè)氣體一個(gè)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(gè)受熱面一個(gè)受熱面 管排，平均溫度管排，平均溫度一個(gè)反射面一個(gè)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(wàn)斯

3、法的基本計(jì)算式依萬(wàn)斯法的基本計(jì)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 QRcRcRrRrR 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(duì)流傳熱速率對(duì)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 RR Rc cR Rc c) )T T(T(TA Ah h100100T T100100T TF FA A5.675.67w wg gt tR RRcR

4、c4 4w w4 4g gcpcpg gL LR Rs sf fa an nBqBqBqBqQ QBqBqBqBqBqBqQ 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(fù)荷和煙氣出輻射室溫度。式即可得到輻射室熱負(fù)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(jì)算傳熱速率方程式中各參數(shù)及其計(jì)算 煙氣對(duì)管排的角系數(shù)煙氣對(duì)管排的角系數(shù) 冷平面面積冷平面面積 cpcpA Ae ef fo o1 1e ef fc cp pL

5、Ld dS SL L1 1) )( (n nA A爐管數(shù)量較多時(shí)爐管數(shù)量較多時(shí)當(dāng)量冷平面當(dāng)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 11 11 11 1A AA A1 1 吸熱面為管

6、排時(shí)吸熱面為管排時(shí)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 1c cp p 當(dāng)管外表面溫度低于當(dāng)管外表面溫度低于500時(shí)，可以將管內(nèi)介質(zhì)的平均時(shí)，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(jìn)行計(jì)算。外表面的溫度進(jìn)行計(jì)算。 輻射室內(nèi)煙氣對(duì)爐管表面的對(duì)流傳熱系數(shù)輻射室內(nèi)煙氣對(duì)爐管表面的對(duì)流傳熱系數(shù) 輻射室中，對(duì)流傳熱所占的比例一般為輻射室中，對(duì)流傳熱所占的比例一般為10%15%，可

7、以作一些簡(jiǎn)化。羅伯，可以作一些簡(jiǎn)化。羅伯-依萬(wàn)斯建議取依萬(wàn)斯建議取 W/m2；戴維斯等則認(rèn)為在自然通風(fēng)時(shí)，可取為；戴維斯等則認(rèn)為在自然通風(fēng)時(shí)，可取為 W/m2；在強(qiáng)制通風(fēng)時(shí)，可取為；在強(qiáng)制通風(fēng)時(shí)，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(kāi)輻射室煙氣帶走的熱量離開(kāi)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(duì)外散熱損失輻射室爐墻對(duì)外散熱損失 燃料總發(fā)熱量的燃

8、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(jì)算熱平衡方程式中各參數(shù)的計(jì)算返回返回傳熱速率方程式的處理：傳熱速率方程式的處理：對(duì)流傳熱速率部分對(duì)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(wàn)斯的圖解法依萬(wàn)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. 5Qwgcp4w4gcpR )TT(4010

9、0T100T67. 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。圖圖4-6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?jī)H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(duì)對(duì) 的的坐標(biāo)圖上標(biāo)繪出來(lái)，它也近

10、乎一條直線。坐標(biāo)圖上標(biāo)繪出來(lái)，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(dāng)量遮蔽管的表面積和當(dāng)量冷平面面積應(yīng)分別計(jì)入輻射冷平面面積應(yīng)分別計(jì)入輻射管的面積和當(dāng)量冷平面之內(nèi)。管的面積和當(dāng)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(jì)算。）計(jì)算。11)(4-2 別洛康法別洛康法特特 點(diǎn)點(diǎn): 引入了當(dāng)量絕對(duì)黑表面引入了當(dāng)量絕對(duì)黑表面基本思路基本思路: 輻射室中輻射換熱是由兩個(gè)面積相等、輻射室中輻射換熱是由兩個(gè)面積相等、 相距極近、互相平行的相距極近、互相平行的絕對(duì)黑表面絕對(duì)黑表面之間進(jìn)行的。之

11、間進(jìn)行的。 其中一個(gè)平面的溫度等于管壁的平均溫度，它其中一個(gè)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(gè)平面的溫度等于離開(kāi)代表管排的作用；另一個(gè)平面的溫度等于離開(kāi) 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(dāng)量絕對(duì)黑表面輻射作用。這種平面稱為當(dāng)量絕對(duì)黑表面,兩個(gè)兩個(gè) 當(dāng)量絕對(duì)黑表面間的輻射傳熱速率恰等于火焰、當(dāng)量絕對(duì)黑表面間的輻射傳熱速率恰等于火焰、 煙氣及爐墻對(duì)輻射管的輻射傳熱速率。煙氣及爐墻對(duì)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 :RcRrRQQQ )TT(Ah1

12、00T100THCwpRtRc4w4pss R0pTpiiTlQ)TT()cm(BBQ 當(dāng)量絕對(duì)黑表面，當(dāng)量絕對(duì)黑表面，m2離開(kāi)輻射室煙氣的溫度，離開(kāi)輻射室煙氣的溫度，K煙氣對(duì)輻射管的對(duì)流傳熱系數(shù)，煙氣對(duì)輻射管的對(duì)流傳熱系數(shù)， W/m24wpRcTT8 . 1h 輻射室的有效率（考慮輻射室對(duì)外的散輻射室的有效率（考慮輻射室對(duì)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、爐管分成若干塊，把爐膛空間中的煙氣

13、、耐火墻、爐管分成若干塊，并把每一塊稱為一個(gè)區(qū)，這些區(qū)足夠小的話，每個(gè)區(qū)并把每一塊稱為一個(gè)區(qū)，這些區(qū)足夠小的話，每個(gè)區(qū)內(nèi)的溫度、性質(zhì)勢(shì)必趨于相同。每個(gè)區(qū)在發(fā)射輻射能內(nèi)的溫度、性質(zhì)勢(shì)必趨于相同。每個(gè)區(qū)在發(fā)射輻射能的同時(shí)又接受來(lái)自其它各區(qū)的輻射能。的同時(shí)又接受來(lái)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)傳遞一定的熱量給周圍介質(zhì)燃

14、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(dāng)量管表面劃分成若干個(gè)正把耐火墻表面或當(dāng)量管表面劃分成若干個(gè)正 方形或長(zhǎng)方形，把煙氣空間劃分為若干立方方形或長(zhǎng)方形，把煙氣空間劃分為若干立方 體或長(zhǎng)方體；體或長(zhǎng)方體；圓筒爐圓筒爐 把側(cè)墻和當(dāng)量管表面劃分為若干圓柱面，把把側(cè)墻和當(dāng)量管表面劃分為若干圓柱

15、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(lái)看是不均勻的用分區(qū)把爐膛中從整體來(lái)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(lái)模擬發(fā)射、吸收、反射等實(shí)際過(guò)程，用能束來(lái)模擬發(fā)射、吸收、反射等實(shí)際過(guò)程， 統(tǒng)計(jì)每區(qū)能束的得失從而計(jì)算輻射熱交換。統(tǒng)計(jì)每區(qū)能束的得失從而計(jì)算輻射熱交換。 能束從發(fā)射開(kāi)始直到最后被表面或氣體吸收的全能束從發(fā)射開(kāi)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(jī)數(shù)來(lái)決定的。這些隨機(jī)數(shù)決定部歷程是

16、由一系列隨機(jī)數(shù)來(lái)決定的。這些隨機(jī)數(shù)決定 其發(fā)射位置、方向、光譜區(qū)間、行程長(zhǎng)度以及反射和其發(fā)射位置、方向、光譜區(qū)間、行程長(zhǎng)度以及反射和 吸收。對(duì)能束進(jìn)行跟蹤，記錄它自發(fā)射到被吸收的歷吸收。對(duì)能束進(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)射和吸收能束數(shù)的多少，作為溫度分布、熱通量的計(jì) 算基礎(chǔ)。算基礎(chǔ)。4-4 蒙特卡羅法蒙特卡羅法(統(tǒng)計(jì)模擬法統(tǒng)計(jì)模擬法)第四章第四章 輻射室傳熱計(jì)算輻射室傳熱計(jì)算4-1 羅伯羅伯- -依萬(wàn)斯法依萬(wàn)斯法4-2 別洛康法別洛康法4-3 區(qū)域

17、法區(qū)域法4-4 蒙特卡羅法蒙特卡羅法(統(tǒng)計(jì)模擬法統(tǒng)計(jì)模擬法)4-5 輻射室表面熱強(qiáng)度及主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定輻射室表面熱強(qiáng)度及主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定4-5 輻射室表面熱強(qiáng)度及主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定輻射室表面熱強(qiáng)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(qiáng)度輻射管表面熱強(qiáng)度: 選定輻射管表面熱強(qiáng)度選定輻射管表面熱強(qiáng)度輻射室的熱負(fù)荷輻射室的熱負(fù)荷 : 按全爐熱負(fù)荷的按全爐熱負(fù)荷的7080%來(lái)估計(jì)來(lái)估計(jì) 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(jìn)而計(jì)進(jìn)而計(jì)算輻射室實(shí)際熱負(fù)荷。待算出熱負(fù)荷后，再用式算輻射室實(shí)際熱負(fù)荷。待算出熱負(fù)荷后，再用式檢驗(yàn)爐管表面熱強(qiáng)度是否合

18、適。若合適，則計(jì)算出的檢驗(yàn)爐管表面熱強(qiáng)度是否合適。若合適，則計(jì)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(qiáng)度的因素影響輻射管表面熱強(qiáng)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(jì)算出的輻射管熱強(qiáng)度是一個(gè)計(jì)算出的輻射管熱強(qiáng)度是一個(gè)平均值平均值，而實(shí)，而實(shí)際情況是當(dāng)平均值尚未達(dá)到容許熱強(qiáng)度以前，可際情況是當(dāng)平均值尚未達(dá)到容許熱強(qiáng)度以前，可能在個(gè)別爐管的局部表面，早已超過(guò)了容許熱強(qiáng)能在個(gè)別爐管的局部表面，早已超過(guò)了容許熱強(qiáng)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。 注意注意原因原因 爐管受熱

19、不均勻爐管受熱不均勻。一是沿管長(zhǎng)方向受熱不均。一是沿管長(zhǎng)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(qiáng)度的不均勻系數(shù)：熱強(qiáng)度的不均勻系數(shù)：爐管的平均熱強(qiáng)度與最高爐管的平均熱強(qiáng)度與最高熱強(qiáng)度的比值。熱強(qiáng)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(qiáng)度與管內(nèi)介質(zhì)流速的推薦值。面熱強(qiáng)度與管內(nèi)介質(zhì)流速的推薦值。返回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(gè)管內(nèi)介質(zhì)流速個(gè)管內(nèi)介質(zhì)流速u一般在一般在1.82.25 之間，推薦使用之間，推薦使用2

20、 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(zhǎng)度和中心節(jié)圓直徑的確定：輻射管的有效長(zhǎng)度和中心節(jié)圓直徑的確定：高徑比高徑比 爐管的有效長(zhǎng)度與中心節(jié)圓直徑的比值爐管的有效長(zhǎng)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(guó)產(chǎn)鋼管規(guī)格（見(jiàn)根據(jù)國(guó)產(chǎn)鋼管規(guī)格（見(jiàn)1-4-1節(jié)）選用合適的節(jié)）選用合適的管長(zhǎng)。爐膛的高度應(yīng)根據(jù)爐管采用何種支撐形式管長(zhǎng)。爐膛的高度應(yīng)根據(jù)爐管采用何種支撐形式來(lái)決定，一般應(yīng)比爐管有效長(zhǎng)度約高出來(lái)決定，一般應(yīng)比爐管有效長(zhǎng)度約高出1米左右。米左右。 爐管總數(shù)爐管總數(shù)efoRtLdAn 實(shí)際的爐管總數(shù)應(yīng)選為管程數(shù)的整倍數(shù)實(shí)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(shí)際爐管數(shù)算出實(shí)際的中心節(jié)圓直徑，根據(jù)實(shí)際爐管數(shù)算出實(shí)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(shí)際爐膛的直徑。），即為實(shí)際爐膛的