加热炉课件：第十讲 对流室的传热计算

1、中国石油大学第十讲 对流室的传热计算热平衡方程传热速率方程对流室传热面积表面热强度一、对流室的传热计算 设 计 计算对流室传热面积和结构尺寸。核 算 计算对流室的热负荷计算方法 联解传热速率方程和热平衡方程关键问题 解决综合传热系数对流传热系数结构尺寸 结垢热阻平均温度差 烟气流动方向与管束垂直为确保对流传热，烟气出对流室的温度T2与管内介质入炉的温度ti1要保持适当的温差，并据此来确定烟气出对流室的温度（推荐温差为100150）。 平均温度差 烟气流动方向与管束平行光管、钉头管或翅片管炉管型式：由燃料性质确定，一般，在对流室中都应安装吹灰装置，以减小污垢热阻。对流室经验选取尺寸光管：管间距

2、S1 /dc =1.52钉头管：管间距S1 /dc =22.4说明：一般 S1=2dc。 S1 受限于弯头规范，特制弯头需订做 S2层间距受制于炉管的排列方式 S2对流管层间距并不总是的高(2)管间距S1与层间距S2 ： 烟气的质量速度Gg * 光管：SC = ( 1.52 ) dC Gg = ( 1.52 ) kg/(m2s) * 钉头管或翅片管：SC = ( 22.4 ) dC Gg = ( 24 ) kg/(m2s) 式中，mg 烟气的质量流量，kg/h； af 每根光管或钉头管或翅片管所占的流通截面积，m2； nW 每排对流管的根数。 ds 钉头直径或翅片厚度，m； dp纵向钉头或翅片

3、间距，m； l 钉头或翅片高度，m； LC 对流管有效长度，m； 钉头数。 (3)对流管有效长度Lc： 对流管有效长度： 原则：对流室最窄截面处烟气的质量流速在规定范围： 光管：Gg=1.52kg/(m2S)； 钉头管：Gg=24kg/(m2S)。a 对流室的长度 对流室外形长度：LK = D- ( 0.40.6 )b 对流管的有效长度 LC = LK 2( 0.2 + h1 + h2 ) 对流管横向排列的圆筒炉：c.对流室的宽度 * 采用光管，排列方式为三角形，且每排炉管根数相同时，对流室净宽度为： b = ( nW 1 ) SC + 0.5SC + SC = ( nW + 0.5 ) SC

4、 * 对流管采用钉头管或翅片管，三角形排列时，对流室净宽度为： b = ( nW 1 ) SC + 0.5SC + dC + 2 l + ( 0.030.05 ) 对流室设计流程管式炉的对流室一般采用箱型，截面为长方形烟气的流速与截面的面积有关烟气流速越高，传热系数增加，对流管减小烟囱增高烟气流速越低，压降越低，对流管增加烟囱降低截面长宽的确定对流室外部长度Lk，以及有效长度Lc光管或者翅片管时的对流室宽度b（长宽比对管长的影响）对流室高度的确定根据截面积以及热负荷5 对流总传热系数 （一）管内介质的对流传热系数i使用条件：Re 104，0.7 Pr 60 考虑结垢热阻： 西德尔泰特准数式：单

5、相流，管内，强制流动当炉管内介质只存在液体时，为单相流当炉管内介质为气液混合时，为两相流对于单相流：说明：a.，t管内介质在平均温度和管壁温度下的粘度，Pas； b.使用条件：Re104，0.7Pr60，特别适用于粘性流体。对于空气，应用0.023代替0.027； c.若关键性热阻在气膜，可选经验数据，如：当管内为原油时：i=1163W/(m2K)；裂化原料：i=930W/(m2K)；重油：i=698W/(m2K)； d.加热炉炉管内的结垢热阻Ri可查附录，故包括Ri在内的管内对流传热膜系数为：（二）管外综合传热系数ho 对流室中管外的传热过程与一般换热器壳程不同，除了烟气以对流方式向管束和炉

6、墙传热外，烟气同时以辐射方式向管束和炉墙传递热量，而炉墙还向管束辐射热量。所以对流室管外综合传热系数ho应包括三部分。 烟气的对流传热系数oc ho 烟气的辐射系数hor 炉墙的辐射系数hoW -与管束的排列形式有关的系数 正三角排列： = 0.33 正方形排列： = 0.26 g -烟气的导热系数，W/(mK)cg-烟气的定压比热容，J/(kgK)g-烟气的粘度，Pa s努塞尔（Nusselt）准数方程式： （1） 烟气的对流传热系数oc： 两种情况：烟气与管束平行，烟气与管束垂直（应用条件：Re3000)Gmax 烟气在最小自由截面处的质量流速，kg/(m2.s)； Tg 烟气平均温度，等

7、于管内介质的平均温度加上对数平均温度，K；dc 对流管外径蒙拉特(Monrad)关联式：（1） 烟气的对流传热系数oc： 钉头管或翅片管的对流传热系数of f-翅片管或钉头管表面传热系数，W/(m2K)A0-光管的外表面积，m2/mAt-翅片管或钉头管的光管部分的面积，m2/mAf-翅片管或钉头管的翅片或者钉头部分的面积m2/m-翅片效率对于钉头管，当烟气流动方向与管束垂直时：可用蒙拉特关联式翅片效率的确定对于钉头管其中：f-钢材的导热系数， f=43W/(mK)ds-钉头的直径，ml-翅片高，m翅片效率的确定(c)布里吉什（Briggs）准数方程式： 式中：dp翅片与翅片的间隙，m；l翅片高

8、度，m。环形（横向）翅片管 ，正三角形排列的管束： （1） 烟气的对流传热系数oc： 对于翅片管(2) 烟气的辐射系数hor 式中：t管壁的黑度， t=0.9；g烟气的黑度；g 烟气的吸收率；Tg，Tt分别为气体和管壁的温度，K。按照气体与外壳间的辐射换热处理：需要知道气体的吸收率g和黑度g(2) 烟气的辐射系数hor 当 时， 平均辐射长度L 光管 钉头管或翅片管 L = ( 46 ) dp= ( 46 ) ( dc 2l ) 当 时， 气体的吸收率g和黑度g与气体的分压p和辐射长度L有关其中：Sc是管心距，Sb是排心距分压黑度烟气平均温度： 管壁平均温度： 其中，T 对流室对数平均温差；

9、1，1分别为油品进出对流室的温度，K。 当管壁温度较低时，Tg4 Tt4，可取g g 。 经验取值：(3) 炉墙的辐射系数hoW 近似假定： 不考虑炉墙的散热损失； 烟气对炉墙与烟气对管束的对流传热系数相等。 其中，oc 烟气的对流传热系数，W/(m2.K) （如果是钉头管或翅片管,则为f ）； hor，how 分别为烟气和炉墙的辐射系数，W/(m2.K)； Aw 炉墙的表面积； Tg，Tw，Tt 分别为烟气，炉墙和管壁的温度，K。 ( oc + hor ) ( Tg Tw ) Aw = how ( Tw Tt ) Aw 蒙拉特（Monrad）假定：炉墙和管束为两个无限大的平行平面间的换热，两

10、者面积相等，所以角系数为1。 其中，Tt 管壁的平均温度，K； t 管壁的黑度。 包括烟气辐射和炉墙辐射在内的对流管管外综合传热系数为： 光管： ho = ( 1 + f ) ( oc + hor ) 翅片管或钉头管： ho = ( 1 + f ) (f + hor ) 定义：炉墙辐射校正系数f 包括结垢热阻在内的管外综合传热系数为:（三）对流管的总传热系数Kc 光管：翅片管或钉头管： 6 对流管的全表面积与表面热强度 对流管全表面积对流管的总排数对流管的表面热强度作用：提高加热炉的热效率 排列：需根据温差合理安排，尽量将其放置在烟气温度不超过450之处，这样就可以使用碳钢管；管程数应采用偶数

11、，以便使进出口联接都安置在炉子的同一侧。 7 过热水蒸气管的计算7 过热水蒸气管的计算7 过热水蒸气管的计算总传热系数 其中，2 水蒸气（管内）的对流传热系数，W/(m2.K)； h1 烟气对管束（管外）的综合传热系数，W/(m2.K)； GW 管内过热水蒸气的质量流速，kg/( m2.s)； di 水蒸气管内径。 例76 根据例74和例75的条件及计算结果，进行对流室的传热计算。 思路：求解对流室的长、宽、高，管子的管径、管长、管数等对流室传热面积温差热负荷传热系数对流室长度对流室宽度管数、管心距辐射室节心圆直径管径通常选取与辐射室管子相同的直径解：1 对流室的热负荷 Qc = Q QR =

12、 9.650 7.438 = 2.212 (MW) 2 对流室的对数平均温差（按照垂直换热）烟气： T1 = 1051 K T2 = 710 K油品： 1= 629 K 1 = 610 K t1 = 422 K t2 = 100 K油品平均温度： 烟气平均温度： Tg = m + T = 843.1 K管壁平均温度： Tt = m + 50 = 669.5 K烟气的辐射系数3 对流室主要尺寸 对流管拟选用1278钉头管，管心距为2dC，每排为nW = 8根炉管。 对流室宽度： b = ( nW 0.5 ) SC + dC + 2 l + ( 0.030.05 ) = ( 8 0.5 )20.1

13、27 + 0.127 + 2( 0.025 + 0.03 ) = 2.142 (m)选取钉头管： 钉头直径ds = 12mm 每周钉头数12个 钉头纵向间距dp= 16mm 钉头高l = 25mm 烟气在最小截面处的质量速度：选Gg = 2.0kg/(m2s) 对流室长度： LC = 3.20 (m)每根钉头管所占的流通截面积： 相邻两周钉头交错排列 dp= 20.016m每侧钉头数: (kg/(m2.s) 计算出来的Gg符合选取的Gg4 总传热系数（1）管内油品的对流传热系数i 也可以直接取值：i = 698 W/(m2.K) Ri = 0.000344 m2.K/W (W/(m2.K) 若

14、关键性热阻在气膜，可选经验数据，如：当管内为原油时：i=1163W/(m2K)；裂化原料：i=930W/(m2K)；重油：i=698W/(m2K)； 可采用进行计算（2） 管外综合传热系数ho 蒙拉特关联式（光管）：对于钉头管：其中：需要求解自由截面积、传热周边长对于管外对流系数：管外对流系数自由截面积 = Lcb nWaf = 3.22.142 - 80.4664 = 3.1232 (m2)传热周边长 = 2lnp + Lc 28W/(m2.K) 计算总的传热系数用翅片管或钉头管： L = ( 46 ) 相邻两炉管的钉头顶端距离p = 5( dc 2l )= 5( 0.127 - 20.02

15、5 ) = 0.385 (m) 查值得烟气黑度：g = 0.17 取 g g = 0.17 W/(m2.K) 对于烟气的辐射系数W/(m2.K) AW = 2Sc = 220.1270.866 = 0.440 (m2/m) 对于炉墙的辐射系数：求解炉墙辐射校正系数：炉墙表面积：管外表面积：钉头管外表面积：计算总传热系数ho = ( 1 + f ) ( f + hor ) = ( 1 + 0.0311 )( 28.79 + 16.05 ) = 46.23 W/(m2.K)选取管外结垢热阻：Ro = 0.0086 m2.K/WW/(m2.K) （3）对流管的总传热系数光管管内表面积：Ai = dinW = 0.1118 =