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管式炉热力计算的理论基础

作者: 兴罡石化设备| 时间:2017-07-24 09:50:36 | 点击次数:

 管式炉的所有热力计算均由经典传热理论支撑,只是由于近年来计算手段的丰富出现了很多数值计算方法,但其核心仍是辐射-对流-热传导基本理论。
1.        辐射-对流-热传导基本理论
        辐射传热:q=C[(T1/100)4-(T2/100)4]
        对流传热: q=α﹡Δt
        热 传 导: q=Δt﹡λ/δ         (q=Δt/Ri------- Ri=δ/λ)
对于多层结构有如下的关系: q=Δt/ΣRi-----ΣRi=Σδ/λ+Σ1/α
加热炉的所有传热和这三个过程是密不可分的,但是在某些部位其中的一种传热过程起主要做用,这样就把炉子分为了辐射室和对流室,无论是辐射还是对流,都是通过热传导将热量从管表面传向管内的。
        加热炉的传热虽然是以上三种方法进行的(经典理论方法),但是在实际加热炉这一复杂系统中需要做大量的计算模型简化才能应用以上方法,简化条件不同,就得到了不同的模型,这样对加热炉的传热计算就出现了各种不同方法。下面简单的介绍一下加热炉中最常见的计算模型Lobo-Evans法:
2.        Lobo-Evans法
Lobo和Evans认为:辐射室中高温的火焰及烟气,在单位时间内传给辐射管的热量是由两部分组成的,一部分是火焰及烟气以辐射方式传给炉管的,它包括火焰及烟气以直接辐射的方式传给炉管的热量以及火焰及烟气通过反射墙间接传给炉的的热量;另一部分是烟气以对流的方式传炉管的。
Lobo-Evans法的实质是一个气体,一个受热面和一个反射面的传热模型,它有四个基本假设:
        整个辐射室中,气体只有一个温度,它是辐射传热的热源; 洛阳兴罡石化设备有限公司  管式加热炉厂家
        吸热面只有一个温度,反射面也只有一个温度;
        反射面是指这样的表面,当辐射能投射到这种表面时,它被表面全部反射出来;
        烟气为灰气休,吸热面为灰表面。
Lobo-Evans法是上世纪三十年代出现的方法,到目前为止,绝大多数的加热炉采用这种方法计算,目前使用的Lobo-Evans法是经过改进的方法,随着计算机的普及应用,将该方法由图解法改为数值计算方法:
辐射传热:
        其传热速率方程如为:QR=4.93αAcpF[(Tg/100)4-(Tw/100)4]
+hrc Ar(T1-T2)
        热平衡方程:QR=B*QL-QTg-Qq
对流传热:
加热炉的对流传热也是传热的重要组成部分,应用对流的目的是回收辐射烟气的余热。在对流室,辐射的做用相对较小,计算对流传热主要是计算对流传热系数。对流传热系数可以通过努塞尔数、雷诺数,普兰特数来确定:
下面是烟气垂直流过裸管束的对流传热系数:
ho=0.33Cψλg/Do(Do*Gg/μg)0.6(Cg*μg/kg)0.8
        这里仅是外膜传热系数,还要考虑外垢热阻:
                1/ho*=1/ho+Ri                        (ho*= ho /(1+ho*Ri)
由此可以看出,热阻对传热影响是非常大的,下面有例子说明热阻对传热的影响。
上面的传热公式是以光管为基础的,在实际应用中,为了强化对流传热,对流室一般均有强化措施,如钉头管和翅片管。钉头管和翅片管统称为扩大表面管,其传热性能可以从肋脊传热导出。对于加热炉来说对扩面管的计算表述与锅炉有所不同,管式炉的习惯上采用扩面管后,其传热面积仍以光管为基础,因此其传热系数较大。但是锅炉上习惯将所有的扩大表面均做为传热基础,而传热系数较小,这仅是表述的差别,其结果是一样的。
对流传热的总传热系数还与管内膜传热系数有关(实际上还与管壁的导热有关,但由于导热的温降很小,一般均略去),其总的传热系数如下:
K=ho* hi*/( ho* +hi*)
对于大多数加热炉来说,其管内膜传热系数均相对较大,但是对于一些管内为汽相,特别是管内的汽相流速和密度不高,这样管内膜传热系数就对总传热系数影响较大。比如空气预热器。下面有例子论述预热器的传热系数。
除Lobo-Evans法外,还有别洛康法,区域法,蒙特卡洛法等等,

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