加热炉课件：第十讲 对流室的传热计算.ppt

中国石油大学第十讲 对流室的传热计算热平衡方程平衡方程 传热速率方程速率方程 对流室流室传热面面积 表面表面热强度度一、对流室的传热计算一、对流室的传热计算 设 计 计算算对流室流室传热面面积和和结构尺寸核核 算算 计算算对流室的流室的热负荷荷计算方法算方法 联解解传热速率方程和速率方程和热平衡方程平衡方程关关键问题 解决解决综合合传热系数系数对流流传热系数系数结构尺寸构尺寸 结垢垢热阻阻平均温度差 烟气流烟气流动方向与方向与管束垂直管束垂直　　　　为确保对流传热，烟气出对流室的温为确保对流传热，烟气出对流室的温度度T T2 2与管内介质入炉的温度与管内介质入炉的温度t ti1i1要保持适当要保持适当的温差，并据此来确定烟气出对流室的温的温差，并据此来确定烟气出对流室的温度（推荐温差为度（推荐温差为100100～～150℃150℃）  平均温度差 烟烟气气流流动方方向向与与管束平行管束平行光管、钉头管或翅片管光管、钉头管或翅片管炉管型式：炉管型式：由燃料性质确定，由燃料性质确定，一般，一般，在对流室中都应在对流室中都应安装吹灰装置，以减小污垢热阻。

安装吹灰装置，以减小污垢热阻对流室经验选取尺寸光管：光管：管间距管间距 S S1 /1 /d dc c =1.5=1.5～～2 2钉头管：钉头管：管间距管间距S S1 /1 /d dc c =2=2～～2.42.4说明：说明：一般一般 S S1 1=2d=2dc c ⒈ ⒈ S S1 1 受受限限于于弯弯头头规规范范，，特特制制弯弯头头需需订做订做 ⒉ ⒉ S2 2层间距受制于炉管的排列方式层间距受制于炉管的排列方式 ⒊ ⒊ S S2 2对流管层间距并不总是对流管层间距并不总是△△的高的高(2)(2)管间距管间距S S1 1与层间距与层间距S S2 2 ：： 烟气的烟气的质量速度量速度Gg * 光管：光管：SC = ( 1.5～～2 ) dC Gg = ( 1.5～～2 ) kg/(m2s) * 钉头管或翅片管：管或翅片管：SC = ( 2～～2.4 ) dC Gg = ( 2～～4 ) kg/(m2s) 式中，式中，mg ——烟气的烟气的质量流量，量流量，kg/h；； af ——每根光管或每根光管或钉头管或翅片管所占的流通截面管或翅片管所占的流通截面积，，m2；； nW ——每排每排对流管的根数。

流管的根数 ds ——钉头直径或翅片厚度，直径或翅片厚度，m；； dp′′——纵向向钉头或翅片或翅片间距，距，m；； l ——钉头或翅片高度，或翅片高度，m；； LC ——对流管有效流管有效长度，度，m；； ——钉头数 (3)(3)对流管有效流管有效长度度LcLc：： 对流管有效流管有效长度：度： 原原则：：对流室最窄截面流室最窄截面处烟气的烟气的质量流速在量流速在规定范定范围：： 光管：光管：G Gg g=1.5=1.5～～2 2kg/(m2·S)；； 钉头管：管：G Gg g=2=2～～4 4kg/(m2·S)a 对流室的流室的长度度 对流室外形流室外形长度：度：LK = D′′- ( 0.4～～0.6 )b 对流管的有效流管的有效长度度 LC = LK – 2( 0.2 + h1 + h2 ) 对流管横向排列的流管横向排列的圆筒炉：筒炉：c.c.对流室的流室的宽度度 * 采用光管，排列方式采用光管，排列方式为三角形，且每排炉管根数相同三角形，且每排炉管根数相同时，，对流室流室净宽度度为：： b = ( nW – 1 ) SC + 0.5SC + SC = ( nW + 0.5 ) SC * 对流管采用流管采用钉头管或翅片管，三角形排列管或翅片管，三角形排列时，，对流室流室净宽度度为：： b = ( nW – 1 ) SC + 0.5SC + dC + 2 [ l + ( 0.03～～0.05 )] 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 对流总传热系数对流总传热系数 （一）管内介（一）管内介质的的对流流传热系数系数αi使用条件：使用条件：Re > 104，，0.7 < Pr < 16700，，L/di > 60 考考虑结垢垢热阻：阻： 西德西德尔－泰特准数式：－泰特准数式：单相流，管内，相流，管内，强制流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，为两相流对于于单相流：相流：说明：说明：a.μa.μ，，μμt t－管内介质在平均温度和管壁温度下的粘度，－管内介质在平均温度和管壁温度下的粘度，PaPa·s s；； b.b.使用条件：使用条件：Re>10Re>104 4，，0.760>60，特别适用，特别适用于粘性流体。

对于空气，应用于粘性流体对于空气，应用0.0230.023代替代替0.0270.027；； c.c.若关键性热阻在气膜，可选经验数据，如：当管内为原油若关键性热阻在气膜，可选经验数据，如：当管内为原油时：时：ααi i=1163W/(m=1163W/(m2 2·K)K)；裂化原料：；裂化原料：ααi i=930W/(m=930W/(m2 2·K)K)；重油：；重油：ααi i=698W/(m=698W/(m2 2·K)K)；； d.d.加热炉炉管内的结垢热阻加热炉炉管内的结垢热阻R Ri i可查附录，故包括可查附录，故包括R Ri i在内的在内的管内对流传热膜系数为：管内对流传热膜系数为：（二）管外（二）管外综合合传热系数系数ho 对流室中管外的流室中管外的传热过程与一般程与一般换热器壳程不同，器壳程不同，除了烟气以除了烟气以对流方式向管束和炉流方式向管束和炉墙传热外，烟气同外，烟气同时以以辐射方式向管束和炉射方式向管束和炉墙传递热量，而炉量，而炉墙还向管束向管束辐射射热量所以对流室管外流室管外综合合传热系数系数ho应包括三包括三部分 烟气的烟气的对流流传热系数系数αoc ho 烟气的烟气的辐射系数射系数hor 炉炉墙的的辐射系数射系数hoW α -------与管束的排列形式有关的系数与管束的排列形式有关的系数 正三角排列：正三角排列： α = 0.33 正方形排列：正方形排列： α = 0.26 λg -------烟气的烟气的导热系数，系数，W/(m∙K)cg-------烟气的定烟气的定压比比热容，容，J/(kg∙K)μg------烟气的粘度，烟气的粘度，Pa ∙s努塞努塞尔（（NusseltNusselt）准数方程式：）准数方程式： （（1 1）） 烟气的烟气的对流流传热系数系数ααococ：： 两种情况：烟气与管束平行，烟气与管束垂直（应用条件：Re>3000)Gmax ——烟气在最小自由截面烟气在最小自由截面处的的质量流速，量流速，kg/(m2.s)；； Tg ——烟气平均温度，等于管内介烟气平均温度，等于管内介质的平均温度加上的平均温度加上对数平均温度，数平均温度，K；；d dc c ——对流管外径流管外径蒙拉特蒙拉特(Monrad)关关联式：式：（（1 1）） 烟气的烟气的对流流传热系数系数ααococ：： 钉头管或翅片管的对流传热系数αof αf---翅片管或钉头管表面传热系数，W/(m2∙K)A0---光管的外表面积，m2/mAt---翅片管或钉头管的光管部分的面积，m2/mAf---翅片管或钉头管的翅片或者钉头部分的面积m2/mΩ---翅片效率对于钉头管，当烟气流动方向与管束垂直时：可用蒙拉特可用蒙拉特关关联式式翅片效率的确定翅片效率的确定对于钉头管其中：λf---钢材的导热系数， λf=43W/(m∙K)ds---钉头的直径，ml---翅片高，m翅片效率的确定翅片效率的确定(c)(c)布里吉什（布里吉什（BriggsBriggs）准数方程式：）准数方程式： 式中：式中：d dp p’’－翅片与翅片的－翅片与翅片的间隙，隙，m m；；　　　　　　l l－翅片高度，－翅片高度，m m。

环形（横向）翅片管形（横向）翅片管 ，正三角形排列的管束：，正三角形排列的管束： （（1 1）） 烟气的烟气的对流流传热系数系数ααococ：： 对于翅片管(2) 烟气的烟气的辐射系数射系数hor 式中：式中：εεt t－管壁的黑度，－管壁的黑度， ε εt t=0.9=0.9；；　　　　　　εεg g－烟气的黑度；－烟气的黑度；　　　　　　ααg g －－烟气烟气的吸收率；的吸收率；　　　　　　T Tg g，，T Tt t－分－分别为气体和管壁的温度，气体和管壁的温度，K 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αg和黑度εg(2) 烟气的辐射系数烟气的辐射系数hor 当当 时，， 平均平均辐射射长度度L 光管光管 钉头管或翅片管管或翅片管 L = ( 4～～6 ) dp″= ( 4～～6 ) ( dc – 2l ) 当当 时，， 气体的吸收率αg和黑度εg与气体的分压p和辐射长度L有关其中：其中：S Sc c是管心距，是管心距，S Sb b是排心距是排心距分压黑度烟气平均温度：烟气平均温度： 管壁平均温度：管壁平均温度： 其中，其中，ΔΔT ——对流室流室对数平均温差；数平均温差； τ1，，τ1′——分分别为油品油品进出出对流室的温度，流室的温度，K。

当管壁温度当管壁温度较低低时，，Tg4 >> Tt4，可取，可取αg ≈ εg 经验取值：(3) 炉炉墙的的辐射系数射系数hoW 近似假定：近似假定：① ① 不考不考虑炉炉墙的散的散热损失；失； ② ② 烟气烟气对炉炉墙与烟气与烟气对管束的管束的对流流传热系数相等系数相等 其中，其中，αoc ——烟气的烟气的对流流传热系数，系数，W/(m2.K) （如果是（如果是钉头管或翅片管或翅片管管,则为αf ）；）； hor，，how ——分分别为烟气和炉烟气和炉墙的的辐射系数，射系数，W/(m2.K)；； Aw ——炉炉墙的表面的表面积；； Tg，，Tw，，Tt ——分分别为烟气，炉烟气，炉墙和管壁的温度，和管壁的温度，K ( αoc + hor ) ( Tg – Tw ) Aw = how ( Tw – Tt ) Aw  蒙拉特（蒙拉特（Monrad）假定：炉）假定：炉墙和管束和管束为两个无限大的平行平面两个无限大的平行平面间的的换热，两者面，两者面积相等，所以角系数相等，所以角系数为1。

其中，其中，Tt ——管壁的平均温度，管壁的平均温度，K；； εt ——管壁的黑度管壁的黑度 包括烟气包括烟气辐射和炉射和炉墙辐射在内的射在内的对流管管外流管管外综合合传热系数系数为：： 光管：光管： ho = ( 1 + f ) ( αoc + hor ) 翅片管或翅片管或钉头管：管： ho = ( 1 + f ) (αf + hor ) 定定义：炉：炉墙辐射校正系数射校正系数f 包括包括结垢垢热阻在内的管外阻在内的管外综合合传热系数系数为: :（三）对流管的总传热系数（三）对流管的总传热系数Kc 光管：光管：翅片管或翅片管或钉头管：管： 6 6 对流管的全表面积与表面热强度对流管的全表面积与表面热强度 对流管全表面流管全表面积对流管的流管的总排数排数对流管的表面流管的表面热强度度作用：提高加作用：提高加热炉的炉的热效率效率 排列：排列：　　需根据温差合理安排，尽量将其放置在烟气温　　需根据温差合理安排，尽量将其放置在烟气温度不超度不超过450℃450℃之之处，，这样就可以使用碳就可以使用碳钢管；管；　　管程数　　管程数应采用偶数，以便使采用偶数，以便使进出口出口联接都安置接都安置在炉子的同一在炉子的同一侧。

7 7 过热水蒸气管的计算过热水蒸气管的计算7 过热水蒸气管的计算过热水蒸气管的计算7 过热水蒸气管的计算过热水蒸气管的计算总传热系数系数 其中，其中，α2 ——水蒸气（管内）的水蒸气（管内）的对流流传热系数，系数，W/(m2.K)；； h1 ——烟气烟气对管束（管外）的管束（管外）的综合合传热系数，系数，W/(m2.K)；； GW ——管内管内过热水蒸气的水蒸气的质量流速，量流速，kg/( m2.s)；； di ——水蒸气管内径水蒸气管内径 [例例7—6] 根据例根据例7—4和例和例7—5的条件及的条件及计算算结果，果，进行行对流室流室的的传热计算 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：解：1 对流室的流室的热负荷荷 Qc = Q – QR = 9.650 – 7.438 = 2.212 (MW) 2 对流室的流室的对数平均温差数平均温差（按照垂直（按照垂直换热））烟气：烟气： T1 = 1051 K ——> T2 = 710 K油品：油品： τ1′= 629 K <—— τ1 = 610 K Δt1 = 422 K Δt2 = 100 K油品平均温度：油品平均温度： 烟气平均温度：烟气平均温度： Tg = τm + ΔT = 843.1 K管壁平均温度：管壁平均温度： Tt = τm + 50 = 669.5 K烟气的辐射系数3 对流室主要尺寸流室主要尺寸 对流管流管拟选用用φ127×8钉头管，管心距管，管心距为2dC，每排，每排为nW = 8根炉管。

根炉管 对流室流室宽度：度： b = ( nW – 0.5 ) SC + dC + 2 [ l + ( 0.03～～0.05 ) ] = ( 8 – 0.5 )×2×0.127 + 0.127 + 2×( 0.025 + 0.03 ) = 2.142 (m)选取取钉头管：管： 钉头直径直径ds = 12mm 每周每周钉头数数12个个 钉头纵向向间距距dp′= 16mm 钉头高高l = 25mm 烟气在最小截面烟气在最小截面处的的质量速度：量速度：选Gg = 2.0kg/(m2s) 对流室流室长度：度： LC = 3.20 (m)每根每根钉头管所占的流通截面管所占的流通截面积：：∵∵ 相相邻两周两周钉头交交错排列排列 ∴∴ dp′= 2×0.016m每每侧钉头数数: (kg/(m2.s)) ∴∴计算出来的算出来的Gg符合符合选取的取的Gg4 总传热系数系数（（1）管内油品的）管内油品的对流流传热系数系数αi 也可以直接取也可以直接取值：：αi = 698 W/(m2.K) Ri = 0.000344 m2.K/W (W/(m2.K)) 若关键性热阻在气膜，可选经验数据，如：当管内为原油时：若关键性热阻在气膜，可选经验数据，如：当管内为原油时：ααi i=1163W/=1163W/(m(m2 2·K)K)；裂化原料：；裂化原料：ααi i=930W/(m=930W/(m2 2·K)K)；重油：；重油：ααi i=698W/(m=698W/(m2 2·K)K)；； 可采用进行计算（（2）） 管外综合传热系数管外综合传热系数ho 蒙拉特蒙拉特关关联式（光管）：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自由截面积 = Lcb – nWaf = 3.2×2.142 - 8×0.4664 = 3.1232 (m2)传热周周边长 = [ 2l×np + Lc ]×2×8[W/(m2.K)] 计算总的传热系数用翅片管或翅片管或钉头管：管： L = ( 4～～6 ) 相相邻两炉管的两炉管的钉头顶端距离端距离p″ = 5×( dc – 2l )= 5×( 0.127 - 2×0.025 ) = 0.385 (m) 查值得烟气黑度：得烟气黑度：εg = 0.17 取取 αg ≈ εg = 0.17 [W/(m2.K)] 对于烟气的辐射系数[W/(m2.K)] AW = 2Sc× = 2×2×0.127×0.866 = 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 ) ( αf + hor ) = ( 1 + 0.0311 )×( 28.79 + 16.05 ) = 46.23 [W/(m2.K)]选取管外取管外结垢垢热阻：阻：Ro = 0.0086 m2.K/W[W/(m2.K)] （（3））对流管的流管的总传热系数系数光管管内表面光管管内表面积：：Ai = πdinW = π×0.111×8 = 2.790 (m2/m)光管管外表面光管管外表面积：：Ao = πdcnW = π×0.127×8 = 3.192 (m2/m)平均表面平均表面积：：Am = ( Ai + Ao ) / 2 = ( 2.790 + 3.192 ) / 2 = 2.991 (m2/m)= 69.37 [W/(m2.K)]5 对流管流管总表面表面积及管排数及管排数不包括遮蔽管，不包括遮蔽管，实际对流管流管总表面表面积为 Act = πdcLcnWNc = 142.9 m2 对流管根数流管根数 = nWNc = 8×14 = 112根根对流室的高度流室的高度 = 6 对流管的表面流管的表面热强度度 。