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1、中国石油大学第九讲 辐射室的传热计算辐射室的传热计算辐射室的传热计算罗伯罗伯- -依万斯（依万斯（Lobo-Evans）方法）方法任任务务的的复复杂杂性性辐辐射射室室传传热热传热计算传热计算 确定辐射室热负荷确定辐射室热负荷 确定烟气出辐射室的温度确定烟气出辐射室的温度结构尺寸的计算结构尺寸的计算烟气流动方向上有温度梯度烟气流动方向上有温度梯度;整个炉膛内的烟气温度不均匀整个炉膛内的烟气温度不均匀;各处管壁的温度不相等；各处管壁的温度不相等；暴露的炉墙接受热量、给管排反射热量、还向暴露的炉墙接受热量、给管排反射热量、还向大气散热损失热量。大气散热损失热量。辐射室传热计算的方法辐射室传热计算的方
2、法 经验法：经验法：比较著名的有比较著名的有Wilson，Lobo，Hottel，但这类公，但这类公式有很大局限性，所以较少采用。式有很大局限性，所以较少采用。 理论分析法：理论分析法： Lobo-Evans：在炼油工业中无反应的炉广泛应用。：在炼油工业中无反应的炉广泛应用。别洛康：化工中裂解炉应用较多。别洛康：化工中裂解炉应用较多。区域法：霍特尔和科恩（区域法：霍特尔和科恩（Hottel and Cohen，1958），计算比较精），计算比较精确，但耗机时间长。确，但耗机时间长。蒙特卡洛（蒙特卡洛（Monte Carlo）法：霍威尔（）法：霍威尔（Howell，1968），应用概），应用概率
3、论和数理统计基本原理，来分析和解决辐射传热问题，理论和率论和数理统计基本原理，来分析和解决辐射传热问题，理论和实践证明，该法数学模型简单，易于掌握，电算省时。实践证明，该法数学模型简单，易于掌握，电算省时。 一一 辐射室中的传热过程辐射室中的传热过程 辐射室中传热过程涉及的几个温度：辐射室中传热过程涉及的几个温度： Tmax 燃料燃烧时，理论火焰最高温度；燃料燃烧时，理论火焰最高温度；Tg 辐射室中烟气的平均温度；辐射室中烟气的平均温度；Tg离开辐射室的烟气温度；离开辐射室的烟气温度；TR 暴露炉墙的温度；暴露炉墙的温度；Tt 管排的平均温度。管排的平均温度。 tgtg1 辐射室中的高温火焰及
4、烟气，在单位时间内传辐射室中的高温火焰及烟气，在单位时间内传给辐射管的热量由两部分组成给辐射管的热量由两部分组成 火焰及烟气直接辐射给炉管的热量。火焰及烟气通过反射墙间接传给炉管的热量。 火焰及烟气以辐射方式传给炉管的热量 烟气以对流的方式传给炉管的热量。 辐射室中的传热过程2 炉墙炉墙 接受火焰及烟气以辐射和对流的方式放出的热量。接受火焰及烟气以辐射和对流的方式放出的热量。 将热量透过半透明的气体介质反射给管排。将热量透过半透明的气体介质反射给管排。 向大气散失热量。向大气散失热量。 3 管排吸收的热量来自两部分管排吸收的热量来自两部分 来自火焰及烟气的直接辐射和对流，来自火焰及烟气的直接辐
5、射和对流，8090%。来自暴露炉墙的反射，来自暴露炉墙的反射，1020%。 辐射室传热模型辐射室传热模型Tmax Tg Tg TR Tt 罗伯罗伯- -依万斯（依万斯（Lobo-EvansLobo-Evans）方法）方法 整个辐射室中，气体只有一个温度整个辐射室中，气体只有一个温度Tg，它是辐射传热的热源。，它是辐射传热的热源。 吸热只有一个温度，即管外壁温度吸热只有一个温度，即管外壁温度Tt。 反射面也只有一个温度，反射面为全反射。反射面也只有一个温度，反射面为全反射。 吸热面为灰表面。吸热面为灰表面。 简化为：简化为：在有反射面的情况下，一个发热面在有反射面的情况下，一个发热面与一个吸热面
6、之间的传热。与一个吸热面之间的传热。对流给未敷设炉管炉墙的热量等于其散热损失，从辐射的角度将对流给未敷设炉管炉墙的热量等于其散热损失，从辐射的角度将炉墙看成一全反射面；炉墙看成一全反射面； 假定：假定：二二 传热速率方程式传热速率方程式 1. 1. 辐射室内以辐射方式传递的热量辐射室内以辐射方式传递的热量( (根据一物包一物的辐射换热）：根据一物包一物的辐射换热）： * 火焰和炽热烟气为发热面；火焰和炽热烟气为发热面； * 管排为吸热面；管排为吸热面； * 除去敷设吸热面以外的其它耐火砖墙为反射面。除去敷设吸热面以外的其它耐火砖墙为反射面。 Aef 烟气对管排的有效辐射面积，烟气对管排的有效辐
7、射面积，m2, Aef = Acp; F总辐射交换因数，与黑度总辐射交换因数，与黑度g、t、反射面的面积有关。、反射面的面积有关。 冷平面面积冷平面面积辐射传递的热量：辐射传递的热量： 2. 2. 辐射室中对流传递的热量：辐射室中对流传递的热量： QRc = RcARt( Tg- Tw )因为对流传热在辐射室里不占主要地位，故进行一些简化：因为对流传热在辐射室里不占主要地位，故进行一些简化：F = 0.57 ARt 2 Aef Aef = Acp Rc- 对流传热系数，通常取Rc = 11.36 W/(m2K) Art -辐射管外表面积3.3.传热速率方程式传热速率方程式故辐射室中总的传热速率
8、 = f ( Tg，Tw ) 只是烟气温度Tg和管壁温度Tw的函数辐射室的传热速率可查表得出（图表法）（图表法）辐射室中总的传热速率 如何计算有效辐射面积Aef、总辐射交换系数F烟气温度Tg以及管壁温度Tw？三三 传热速率方程式中各参数的确定传热速率方程式中各参数的确定 （1 1）有效辐射面积的确定）有效辐射面积的确定 - -冷平面面积的计算冷平面面积的计算冷平面面积：管排所占据的全部面积（包括间隙）Acp =( n 1 ) S1 + d0 Lef nS1Lef n-炉管根数S1-管心距d0-管外径Lef-炉管有效长度火焰及烟气直接辐射至冷平面的辐射能全部落在冷平面上，即角系数等于1！（1 1
9、）有效辐射面积的确定）有效辐射面积的确定 - -烟气对管排的角系数烟气对管排的角系数1. 并不是所有辐射能都被管排吸收，部分辐射能会从管子之间的间隙通过2. 管排后的耐火砖，会反射辐射能，反射的辐射能会再次被管排吸收一部分首要解决问题：首要解决问题：高温烟气与火焰发出的辐射能有多少被管排吸收角系数问题火焰及烟气对管排的角系数（用交叉线法）：对炉墙的角系数：（1 1）有效辐射面积的确定）有效辐射面积的确定 - -烟气对管排的角系数烟气对管排的角系数假设辐射能为1，则由炉墙反射的辐射能再次被管排吸收的能量为：落在管排上的总辐射能（分率）：（1 1）有效辐射面积的确定）有效辐射面积的确定 - -烟气
10、对管排的角系数烟气对管排的角系数影响影响的因素：的因素： 管排排列方式（单排，双排）；管排排列方式（单排，双排）； 管排密度管排密度 ； 管排受热方式（单面或双面辐射）。管排受热方式（单面或双面辐射）。 1对单排管的直接辐射2对双排管的直接辐射或单排管受直接辐射及反射更加复杂条件下的管排平均角系数图（2）总交换因素F的确定L-E方法引用了霍特尔推导的结果：方法引用了霍特尔推导的结果： 式中，式中，t 管壁黑度，碳钢管管壁黑度，碳钢管0.9，不锈钢管，不锈钢管0.8； g 烟气的黑度；烟气的黑度； AR 有效反射面面积，约等于炉墙总面积减去有效辐有效反射面面积，约等于炉墙总面积减去有效辐射面积：
11、射面积：AR = A - Acp 3 反射面对管排的角系数。反射面对管排的角系数。 当当t给定时：给定时： （2）总交换因素F的确定（2）总交换因素F的确定烟气黑度的确定根据气体热辐射的特点烟气中烟气中CO2和和H2O的分压的分压平均辐射长度平均辐射长度L烟气温度烟气温度T Tg 烟气的黑度烟气的黑度g烟气黑度的确定通过过剩空气系数确定CO2和水蒸气分压过剩空气系数对烟气的影响？烟气黑度的确定通过气体pL值与烟气温度确定烟气黑度注意：实际中除了CO2和水蒸气之外，火焰中悬浮的炭粒也具有较强的辐射能力，并发出发光火焰，这种火焰也具有相当大的黑度，在设计中也要加入对火焰辐射的考虑（2）总交换因素F
12、的确定式中，式中，t 管壁黑度，碳钢管管壁黑度，碳钢管0.9，不锈钢管，不锈钢管0.8； g 烟气的黑度；烟气的黑度； AR 有效反射面面积，约等于炉墙总面积减去有效辐有效反射面面积，约等于炉墙总面积减去有效辐射面积：射面积：AR = A - Acp 3 反射面对管排的角系数。反射面对管排的角系数。 当当t给定时：给定时： 确定烟气黑度之后，便可以得出总交换因素F（三）管壁温度（三）管壁温度T Tw w 的确定的确定 壁温低于壁温低于773K时，可按经验以管内介质的平均温度加上时，可按经验以管内介质的平均温度加上50K，即，即： 式中，式中，1 、2 管内介质在辐射室入口、出口的温度，管内介质
13、在辐射室入口、出口的温度，K。 对于纯加热炉：对于纯加热炉： 1 = 2 - （0.70.8）（）（ 2 1） 1 管内介质在对流室入口的温度，管内介质在对流室入口的温度，K。 传热速率方程:在计算出Aef、F以及Tw之后，现在需要确定Tg，从而才能确定QR四 辐射室热平衡方程输入的热量：输入的热量：* * 燃料燃烧产生的热量燃料燃烧产生的热量BQ1； * * 燃料、空气、雾化剂带入的显热，如空气未预热（此项燃料、空气、雾化剂带入的显热，如空气未预热（此项在本课程中忽略）在本课程中忽略）输出的热量：输出的热量：* * 管排吸收的热量管排吸收的热量QR； * 辐射室炉墙散失的热量辐射室炉墙散失的
14、热量BqL，通常为（，通常为（1%3%）BQ1； * * 离开辐射室的烟气带走的显热量离开辐射室的烟气带走的显热量Bqg。 辐射室热平衡方程由能量守恒，可得热平衡方程：由能量守恒，可得热平衡方程： BQ1 = QR + BqL + Bqg 或或 QR = B( Q1 qL qg ) 注： ，而qg主要与烟气出辐射室的温度Tg和过剩空气系数有关。当过剩空气系数一定时，qg仅是Tg的函数 ，表示为qg=f(Tg) 五 用图解法确定QR和Tg 步骤：步骤： 假定一个假定一个Tg(1)，通过热平衡方程求出，通过热平衡方程求出 ； 在图在图730上找到一点上找到一点(Tg(1)， )； 如果这一点落在传
15、热速率方程曲线的左上方，如果这一点落在传热速率方程曲线的左上方，则则Tg(2)= Tg(1)+ ( 100200 )； 由新的由新的Tg(2)通过热平衡方程求出通过热平衡方程求出 ； （Tg(1)， ）与（）与（Tg(2)， ）两点连线（热平衡方程）与传热）两点连线（热平衡方程）与传热速率方程曲线的交点的横坐标，即为所求的速率方程曲线的交点的横坐标，即为所求的Tg，纵坐标为，纵坐标为 。图7-30六六 迭代法迭代法 传热速率方程为：传热速率方程为： 热平衡方程为：热平衡方程为： 令令Tg的函数为：的函数为： 对上式微分得：对上式微分得： 用牛顿迭代法进行迭代：用牛顿迭代法进行迭代： 六六 迭代
16、法迭代法 烟气出辐射室时带走的热量烟气出辐射室时带走的热量qg，可以由烟气在温度，可以由烟气在温度Tg时的焓值求时的焓值求得。工程运算中常以得。工程运算中常以T = 273.16K为基准，即在为基准，即在273.16K时各组分的热焓时各组分的热焓值为零。值为零。 烟气带走的热量对烟气带走的热量对Tg求导：求导： 计算框图计算框图 罗伯依万斯罗伯依万斯(Lobo-Evans)(Lobo-Evans)法局限性：法局限性： 只能计算辐射传热量只能计算辐射传热量Q QR R及烟气离开辐射室的温及烟气离开辐射室的温T Tg g；不能得到烟气的温度分布及热强度分布；不能得到烟气的温度分布及热强度分布；不适
17、用于高径比不适用于高径比Lef/DLef/D33的情况；的情况；适合于热强度分布较均匀的加热炉。适合于热强度分布较均匀的加热炉。 几点说明几点说明 遮蔽管及处理遮蔽管及处理 无反射锥的空心圆筒炉中对流室下部的第无反射锥的空心圆筒炉中对流室下部的第一排管一排管其表面积和当量冷平面面积应分别计入辐其表面积和当量冷平面面积应分别计入辐射管的面积和当量冷平面内射管的面积和当量冷平面内 烟气对遮蔽管的角系数令其等于烟气对遮蔽管的角系数令其等于1 1 3.3.强化辐射室内传热过程的措施强化辐射室内传热过程的措施降低过剩空气系数降低过剩空气系数双面辐射双面辐射减少控制热阻减少控制热阻4. 4. 辐射室热负荷
18、改变如何调节辐射室热负荷改变如何调节热负荷热负荷变化较小变化较小可以采用改可以采用改变燃料用量的方法变燃料用量的方法注意炉膛温度及火嘴的燃烧注意炉膛温度及火嘴的燃烧情况变化。情况变化。5.5.高温涂料与管内强化传热高温涂料与管内强化传热 如果炉墙保温良好，原理上涂料不应有用；如果炉墙保温良好，原理上涂料不应有用； 即使发挥作用应该是炉墙涂料的黑度很小；即使发挥作用应该是炉墙涂料的黑度很小；炉管涂料黑度很大；炉管涂料黑度很大；辐射室结构设计对于现有加热炉的计算：炉子结构尺寸等参数是已知的，可以直接适用辐射室的传热速率方程进行计算在新设计加热炉时：炉膛大小、炉管直径、管心距、管数等参数都是未知的。
19、故需要先确定参数，再利用传热速率方程进行核算一、辐射管表面热强度及主要结构尺寸辐射管表面热强度及主要结构尺寸 （一）辐射管表面热强度（一）辐射管表面热强度qR （W/m2） qR指单位时间内通过单位炉管表面积所传递的热量。指单位时间内通过单位炉管表面积所传递的热量。 QR一定时，qR越大，ARt越小，基建费用就越低ARt一定时， qR越大，生产能力越强热强度qR的大小决定了炉子传热面积的大小热强度也不能太大，受到很多实际因素的限制 影响辐射管表面热强度影响辐射管表面热强度qR的因素的因素被加热介质的热稳定性 选用的炉管材质注意：计算出的辐射管热强度是一个平均值，而实际情况是当平均值尚未达到容许
20、热强度之前，可能在个别炉管的局部表面，早已超过了容许热强度，甚至引起炉管的鼓泡或者破裂原因：炉管受热不均匀，一是沿管长方向受热不均，二是沿每根炉管的圆周方向受热不均匀。热强度的不均匀系数：炉管的平均热强度与最高热强度的比值。沿管长方向受热不均匀：由沿管长方向受热不均匀：由于火嘴布置在炉子的一端。如图于火嘴布置在炉子的一端。如图736。 沿圆周方向受热不均匀：如图沿圆周方向受热不均匀：如图737。 （二）辐射管表面积（二）辐射管表面积A ARtRt 在设计新加热炉时，先根据表在设计新加热炉时，先根据表77选定炉管表面热强度选定炉管表面热强度qR，而，而辐射室的热负荷由工艺条件确定，所以：辐射室的
21、热负荷由工艺条件确定，所以： 其中其中QR可按全炉热负荷的（可按全炉热负荷的（7080）%来赋初值，即：来赋初值，即： QR = （0.70.8）Q 下表列出了炼油厂中几种加热炉辐射管表面热强度与管内介质流速的推荐值（三）辐射管管径（三）辐射管管径d d0 0及管心距及管心距S S1 1 根据表根据表7-7选择一个管内介选择一个管内介质流速质流速u。d0 = di +2 一般在一般在(1.82.25)d0之间，之间，推荐使用推荐使用2d0。 管管径径管管心心距距d dO O的设计：的设计： u, du, di i，对流传热系数，对流传热系数i i，有利于传热；，有利于传热； u,Pu,P 管内
22、冷介质流速管内冷介质流速u u2020由设计规范得到；由设计规范得到； 管程数管程数N N不易为奇数，一般不易为奇数，一般8 8 d do o=d=di i+2+2；壁厚根据压强选定，一般为壁厚根据压强选定，一般为6 612mm12mm （三）辐射管管径（三）辐射管管径d0及管心距及管心距S1 S S1 1的设计：的设计： v管心距一般在管心距一般在1.81.82.25d2.25do o之间，推荐使用之间，推荐使用2d2do o（三）辐射管管径（三）辐射管管径d d0 0及管心距及管心距S S1 1 （四）辐射室或炉膛尺寸（四）辐射室或炉膛尺寸 辐射管的有效长度和中心节圆直径的确定：辐射管的有
23、效长度和中心节圆直径的确定：高径比高径比: 炉管的有效长度与中心节圆直径的比值。炉管的有效长度与中心节圆直径的比值。 DS1（四）辐射室或炉膛尺寸（四）辐射室或炉膛尺寸 圆圆 筒筒 炉炉取取 L Lefef=(1.7=(1.73.0)D3.0)D L Lefef/D/D国外：国外：2.52.53.03.0，国内：国内：1.71.72.52.5 炉管总数炉管总数n n选为管程数选为管程数N N的的整数倍整数倍管中心至炉壁的距离管中心至炉壁的距离一般取一般取1.5d1.5do o（四）辐射室或炉膛尺寸（四）辐射室或炉膛尺寸 （四）辐射室或炉膛尺寸（四）辐射室或炉膛尺寸 炉膛高度炉膛高度 根据国产钢
24、管规格选用合适的管长。炉膛的高度应根据炉管根据国产钢管规格选用合适的管长。炉膛的高度应根据炉管采用何种支撑形式来决定，一般应比炉管有效长度约高出采用何种支撑形式来决定，一般应比炉管有效长度约高出1米左右，米左右，即：即：H = Lef + 1 。 炉膛直径炉膛直径 根据实际炉管数算出实际的中心节圆直径，再加上两倍的管根据实际炉管数算出实际的中心节圆直径，再加上两倍的管中心至炉壁的距离（一般距离取中心至炉壁的距离（一般距离取1.5d0），即为实际炉膛的直径，），即为实际炉膛的直径，D = D+ 2( 1.5d0 ) 。圆圆 筒筒 炉炉炉管总数炉管总数实际的炉管总数应选为管程数的整倍数实际的炉管总数应选为管程数的整倍数（五）遮蔽管（五）遮蔽管 遮蔽管的表面积和当量冷平面遮蔽管的表面积和当量冷平面面积应分别计入辐射管的面积和当面积应分别计入辐射管的面积和当量冷平面之内。量冷平面之内。但是，因为遮蔽管但是，因为遮蔽管后面没有反射墙，从辐射室来的热后面没有反射墙，从辐射室来的热射线通过管间空隙后，全部被后面射线通过管间空隙后，全部被后面的管所吸收，所以烟气对遮蔽管的的管所吸收，所以烟气对遮蔽管的角系数可取为角系数可取为1。遮蔽管的冷平面。遮蔽管的冷平面面积同样可用式面积同样可用式7104计算：计算： Acp = nS1Lef
