管式加熱爐設計和應用—第三章

1、第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算 管式加熱爐工藝計算的內容包括管式爐的管式加熱爐工藝計算的內容包括管式爐的燃料燃燒計算、熱效率計算、燃料燃燒計算、熱效率計算、管內外傳熱及流體流動計算管內外傳熱及流體流動計算；對于制氫轉化爐還應包括管內的；對于制氫轉化爐還應包括管內的化學反應計化學反應計算算。 管式加熱爐的輻射室內以輻射傳熱為主，同時也存在著對流傳熱；而管式加熱爐的輻射室內以輻射傳熱為主，同時也存在著對流傳熱；而在加熱爐的對流室內，則以對流傳熱為主，同時高溫煙氣和爐墻也以輻射在加熱爐的對流室內，則以對流傳熱為主，同時高溫煙氣和爐墻也以輻射方式進行傳熱。方式進行傳熱。 第三章第三

2、章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算3.1 3.1 輻射室的傳熱計算輻射室的傳熱計算 3.1.1 3.1.1 計算方法計算方法 經驗公式法：經驗公式法： 威爾遜、羅伯和霍特爾計算式威爾遜、羅伯和霍特爾計算式 理論分析法：理論分析法： 羅伯羅伯- -依萬斯法、別洛康法、依萬斯法、別洛康法、 區(qū)域法、蒙特卡羅法等等區(qū)域法、蒙特卡羅法等等 最常用羅伯最常用羅伯- -依萬斯法依萬斯法 管式爐輻射室傳熱計算的目的，主要是確定輻射室的熱負荷及輻射管管式爐輻射室傳熱計算的目的，主要是確定輻射室的熱負荷及輻射管的表面熱強度。的表面熱強度。 第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算 3.1.2 3

3、.1.2 羅伯羅伯- -依萬斯法依萬斯法輻射室傳熱模型輻射室傳熱模型對流對流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一個氣體一個氣體 整個輻射室火焰及煙氣溫度整個輻射室火焰及煙氣溫度 相同，相同， 并與輻射室的煙氣出口溫度相等。并與輻射室的煙氣出口溫度相等。一個受熱面一個受熱面 所有管排，表面溫度均勻一致所有管排，表面溫度均勻一致一個反射面一個反射面 對流給暴露爐墻熱量等于其散熱損失對流給暴露爐墻熱量等于其散熱損失gtgt第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算4 4t t4 4g gc cp pR Rr r1 10 00 0T T1 10 00

4、0T TF FA A5 5. .6 67 7Q 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tgcpTTF40A) )T T( (T TA Ah hQ Qw wg gt tR RR Rc cR Rc c) )T T( (T T4 4 1 10 00 0T T1 10 00 0T T 5 5. .6 67 7 t tg g4 4t t4 4g g0）（）（FAQcpR 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聯(lián)立求解輻射室的傳熱速率方程式和熱平衡方

5、程式即可得到輻射室熱負荷和煙氣出輻射室溫度。負荷和煙氣出輻射室溫度。FABQqTQq-FAQcpllglLcpR)( f1第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算(1)(1)假定一個假定一個 ，通過熱平衡方程求出，通過熱平衡方程求出 ；(2)(2)在圖中找到一點在圖中找到一點( ( ， ) )；(3)(3)如果這一點落在傳熱速率方程曲線的左上方，則如果這一點落在傳熱速率方程曲線的左上方，則 ；(4)(4)由新的由新的 ，通過熱平衡方程求出，通過熱平衡方程求出 ；(5)( (5)( ， ) )與與( ( ， ) )兩點連線與傳熱速率方兩點連線與傳熱速率方程曲線相交，交點的橫坐標為程曲線

6、相交，交點的橫坐標為 ，縱坐標為，縱坐標為 。 g1T1cpRFAQ1cpRFAQg1T200100TTg1g2g2T2cpRFAQg1T1cpRFAQg2T2cpRFAQgTFAQcpR第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算 3.1.2 3.1.2 輻射室主要結構尺寸及工藝參數(shù)的確定輻射室主要結構尺寸及工藝參數(shù)的確定 確定輻射室尺寸時，主要考慮三個方面的問題確定輻射室尺寸時，主要考慮三個方面的問題 ： 輻射室熱負荷及輻射管外表面熱強度；輻射室熱負荷及輻射管外表面熱強度； 管心距和管墻距；管心距和管墻距； 燃燒器的能量（發(fā)熱量）、型式和布置以及爐管至火焰的距離。燃燒器的能量（發(fā)熱量

7、）、型式和布置以及爐管至火焰的距離。第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算 2 2）輻射管表面積）輻射管表面積 根據(jù)選定的表面熱強度根據(jù)選定的表面熱強度 和計算出的輻射室熱負荷和計算出的輻射室熱負荷 ，可由下式，可由下式計算出輻射管表面積。計算出輻射管表面積。RtARqRQRRRtqQA/ 3 3）輻射管管徑）輻射管管徑 d do o及管心距及管心距S S1 1 根據(jù)工藝介質特點，選擇合適的冷油流速根據(jù)工藝介質特點，選擇合適的冷油流速u u，可以計算出所需的管徑。，可以計算出所需的管徑。 Rq 1 1）輻射管表面熱強度）輻射管表面熱強度 表面熱強度的大小標志著爐子傳熱面效能的高低。

8、選擇表面熱強度時，表面熱強度的大小標志著爐子傳熱面效能的高低。選擇表面熱強度時，要充分考慮管內介質結焦特性、爐管材質、爐管受熱的不均勻性等影響，要充分考慮管內介質結焦特性、爐管材質、爐管受熱的不均勻性等影響，合理選擇該值的大小。合理選擇該值的大小。NuGdi4第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算 管心距一般選用標準值，見下表。管心距一般選用標準值，見下表。 常用標準管心距常用標準管心距 第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算 4 4）輻射室爐膛尺寸）輻射室爐膛尺寸 要確定圓筒爐爐膛尺寸，首先要確定要確定圓筒爐爐膛尺寸，首先要確定高徑比高徑比，即爐管有效長度與中心，即爐

9、管有效長度與中心 節(jié)圓（指爐管的中心點形成的圓周）之比值。節(jié)圓（指爐管的中心點形成的圓周）之比值。立式圓筒爐高徑比立式圓筒爐高徑比第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算 若取輻射管的有效長度若取輻射管的有效長度L=(1.72.5)D, ,則中心節(jié)圓的直徑則中心節(jié)圓的直徑 根據(jù)爐管規(guī)格選用合適的管長。爐膛的高度根據(jù)爐管規(guī)格選用合適的管長。爐膛的高度H H應比爐管有效長度高約應比爐管有效長度高約1m1m。 所需爐管總根數(shù)應為所需爐管總根數(shù)應為oRtASDd5 . 27 . 121LdAnoRt 但實際的爐管根數(shù)但實際的爐管根數(shù)n n應選為管程數(shù)應選為管程數(shù)N N的整數(shù)倍。根據(jù)實際管數(shù)計

10、算出實的整數(shù)倍。根據(jù)實際管數(shù)計算出實際的中心圓直徑，再加兩倍的管中心至爐壁的距離（一般取為際的中心圓直徑，再加兩倍的管中心至爐壁的距離（一般取為2 2倍的爐管外倍的爐管外徑），即為實際的爐膛直徑。徑），即為實際的爐膛直徑。 第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算3.2 3.2 對流室的傳熱計算對流室的傳熱計算 對流室的傳熱量在整個管式加熱爐中雖不占主要地位，但對降低排煙對流室的傳熱量在整個管式加熱爐中雖不占主要地位，但對降低排煙溫度，減少熱損失，提高全爐熱效率仍是極為重要的。溫度，減少熱損失，提高全爐熱效率仍是極為重要的。 對流室傳熱計算的目的，就是要確定對流室的傳熱面積和對流管表

11、面對流室傳熱計算的目的，就是要確定對流室的傳熱面積和對流管表面熱強度。熱強度。 第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算 3.2.1 3.2.1 對流室的熱負荷對流室的熱負荷 對流室的熱負荷等于加熱爐總的熱負荷減去輻射室的熱負荷。其中遮對流室的熱負荷等于加熱爐總的熱負荷減去輻射室的熱負荷。其中遮蔽管包括在輻射室中。蔽管包括在輻射室中。 RcQQQ 3.2.2 3.2.2 對流室的主要尺寸對流室的主要尺寸 在對流管為水平放置的圓筒爐中，對流管常選用與輻射管相同的直徑在對流管為水平放置的圓筒爐中，對流管常選用與輻射管相同的直徑及管程數(shù)。對流管一般按等邊三角形排列。當采用光管時，管心距為及

12、管程數(shù)。對流管一般按等邊三角形排列。當采用光管時，管心距為1.52do，其中，其中do為對流管的外徑，對流室最小截面處煙氣質量流速為對流管的外徑，對流室最小截面處煙氣質量流速一般取一般取1.52kg/(m2s)；當采用釘頭管時，管心距；當采用釘頭管時，管心距22.4do ，煙氣質量流速一般取，煙氣質量流速一般取24kg/(m2s)。 第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算 1 1）對流室寬度）對流室寬度 B B 式中式中 d do o對流管外徑，對流管外徑，m m； S S1 1管心距，管心距，m m； n nw w每排對流管根數(shù)，選定。每排對流管根數(shù)，選定。 owdSnB311

13、2 2）對流室長度）對流室長度 L L 式中式中 W WG G煙氣的流量，煙氣的流量，kg/skg/s； M MG G煙氣的質量流速，煙氣的質量流速，kg/(m2s) ； 每米對流管所占流通截面積，每米對流管所占流通截面積，m m2 2/m/m。wfGGnBMWL/f 選定了煙氣的流速后，即可求出對流室的寬度選定了煙氣的流速后，即可求出對流室的寬度L L。對流室的高度須待。對流室的高度須待全部對流管數(shù)確定后才能確定。全部對流管數(shù)確定后才能確定。第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算 3.2.3 3.2.3 對流管的表面積與表面熱強度對流管的表面積與表面熱強度 對流管的表面積對流管的

14、表面積A Ad d由下式計算：由下式計算： 式中式中 K K對流總傳熱系數(shù)；對流總傳熱系數(shù)； 對數(shù)平均溫度差。對數(shù)平均溫度差。 對流管的總排數(shù)對流管的總排數(shù)NcNc： tKQAcdtwodcLndAN 對流管的表面熱強度對流管的表面熱強度q qc c： dccAQq 第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算3.3 3.3 通用加熱爐工藝計算軟件通用加熱爐工藝計算軟件 FRNC-5 FRNC-5 軟件軟件FRNC-5FRNC-5為美國為美國PFRPFR工程系統(tǒng)公司開發(fā)，適用于除烴類蒸汽轉化爐工程系統(tǒng)公司開發(fā)，適用于除烴類蒸汽轉化爐（制氫爐）和裂解爐外的絕大多數(shù)管式爐及廢熱鍋爐的工藝核算

15、。（制氫爐）和裂解爐外的絕大多數(shù)管式爐及廢熱鍋爐的工藝核算。 軟件計算范圍：軟件計算范圍： 輻射及全爐熱效率輻射及全爐熱效率 火墻溫度火墻溫度 各部位煙氣溫度各部位煙氣溫度 輻射及對流熱強度輻射及對流熱強度 管壁金屬溫度管壁金屬溫度 翅片或頂頭尖端溫度翅片或頂頭尖端溫度 兩相流流型兩相流流型 兩相流沸騰形式兩相流沸騰形式 兩相流傳熱及壓降兩相流傳熱及壓降 煙氣側傳熱及抽力煙氣側傳熱及抽力 露點腐蝕溫度露點腐蝕溫度 烘爐預測烘爐預測第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算 軟件應用范圍：軟件應用范圍： 評價現(xiàn)有設計評價現(xiàn)有設計 改善工藝操作改善工藝操作 解決現(xiàn)場問題及消除瓶頸解決現(xiàn)場問

16、題及消除瓶頸 爐群能量回收研究爐群能量回收研究 現(xiàn)場連續(xù)檢測以確定結焦量現(xiàn)場連續(xù)檢測以確定結焦量 原料、燃料變化預測原料、燃料變化預測 工程師及操作工培訓工程師及操作工培訓 軟件輻射傳熱計算模型：軟件輻射傳熱計算模型：改進的改進的羅伯羅伯- -依萬斯法依萬斯法LOBO&EVANS(Modified)LOBO&EVANS(Modified) 第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算3.33.3.1.1 軟件軟件FRNC-5FRNC-5模擬計算過程模擬計算過程 收集所需數(shù)據(jù)收集所需數(shù)據(jù) 結構分解及代碼給定結構分解及代碼給定 計算示意簡圖計算示意簡圖 輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù) 運行

17、軟件運行軟件 計算結果分析計算結果分析 第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算 1 1） 計算所需數(shù)據(jù)計算所需數(shù)據(jù) 機械尺寸機械尺寸 輻射室、對流室及煙道、煙囪、盤管及爐管輻射室、對流室及煙道、煙囪、盤管及爐管 工藝條件工藝條件 流量、吸熱量、進出爐溫度壓力流量、吸熱量、進出爐溫度壓力 燃燒數(shù)據(jù)燃燒數(shù)據(jù) 燃料發(fā)熱量或燃料量、燃料組成、燃燒空氣參數(shù)、霧化蒸汽參數(shù)燃料發(fā)熱量或燃料量、燃料組成、燃燒空氣參數(shù)、霧化蒸汽參數(shù) 物性參數(shù)物性參數(shù) 工藝物流組成、虛擬組分參數(shù)、石油餾分比重及蒸餾曲線工藝物流組成、虛擬組分參數(shù)、石油餾分比重及蒸餾曲線 第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計

18、算 2 2） 結構分解及代碼給定結構分解及代碼給定 結構分解及定義結構分解及定義 爐體、盤管、工藝物流爐體、盤管、工藝物流 給定代碼給定代碼 由煙氣流連接爐體由煙氣流連接爐體 安置盤管安置盤管 由工藝物流連接盤管由工藝物流連接盤管 代碼編制辦法：代碼編制辦法： 爐體：輻射室、對流室、煙囪爐體：輻射室、對流室、煙囪 爐管：光管、釘頭管爐管：光管、釘頭管 盤管：輻射盤管、對流盤管、遮蔽管、轉油線、空氣預熱器、盤管：輻射盤管、對流盤管、遮蔽管、轉油線、空氣預熱器、Q-BankQ-Bank 物流：工藝物流、燃料物流：工藝物流、燃料 第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算 3 3） 計算示意

19、簡圖計算示意簡圖 第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算 4 4） 輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù) 主要輸入數(shù)據(jù)單主要輸入數(shù)據(jù)單 選擇輸入數(shù)據(jù)單選擇輸入數(shù)據(jù)單 物性輸入數(shù)據(jù)單物性輸入數(shù)據(jù)單 第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算主要輸入數(shù)據(jù)單主要輸入數(shù)據(jù)單 第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算選擇選擇輸入數(shù)據(jù)單輸入數(shù)據(jù)單 第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算物性物性輸入數(shù)據(jù)單輸入數(shù)據(jù)單 第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算 5 5） 計算輸出內容計算輸出內容 輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù) 輸入數(shù)據(jù)處理信息輸入數(shù)據(jù)處理信息 物性網格數(shù)據(jù)物性網格數(shù)據(jù) 中間運算監(jiān)測數(shù)據(jù)中間運算監(jiān)測數(shù)據(jù) 最終計算結果最終計算結果 第三章第三章 管式管式加熱爐工藝計算加熱爐工藝計算 最終計算結果最終計算結果 結果匯總：總熱負荷及總發(fā)熱量、熱效率、各工藝物流吸熱量、結果匯總：總熱負荷及總發(fā)熱量、熱效率、各工藝物流吸熱量、 流量、進出爐溫度、壓力、汽化率等流量、進出爐溫度、壓力、汽化率等 煙氣側結果煙氣側結果 管內結果管內結果 盤管幾何尺寸盤管幾何尺寸