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工業窯爐(燒嘴):爐膛熱交換計算

瀏覽次數: 發布日期:2020-01-13 10:46

導讀:在工業爐中,由於工藝及熱工製度的不同,不同爐子的爐膛熱交換也不同。某些爐子甚至同一爐膛內不同地帶也有不同的熱交換。在間歇式爐中,同一地帶因時間不同存在著不同的熱交

在工業爐中,由於工藝及熱工製度的不同,不同爐子的爐膛熱交換也不同。某些爐子甚至同一爐膛內不同地帶也有不同的熱交換。在間歇式爐中,同一地帶因時間不同存在著不同的熱交換。因此,在熱交換計算中,一定要按爐窯的實際工作情況具體分析後計算。

由於上述原因,工業爐內熱交換是比較複雜的,有時難以從理論上完全分析清楚。但在工程上可根據某些近似爐子工作狀態下的假定條件,按傳熱的基本理論進行爐內熱交換計算,並按實際情況進行修正。

本節將重點說明當爐氣溫度和黑度在整個爐膛中呈均勻分布時,連續式加熱爐爐膛輻射熱交換的計算方法。在這種均勻輻射傳熱的情況下,爐氣向每m2爐壁或物料的輻射熱量均等於T14,其中E1 為爐氣黑度,T1為爐氣絕對溫度。實際上,爐氣分布絕對均勻是不可能的。但是有些爐子的情況與此相接近,或者以爐氣均勻分布為其理想情況。因此,分析這種情況下的爐膛熱交換是有現實意義的。為了簡化起見,在分析和推導爐膛輻射熱交換的計算公式時作了如下的假定:

第一,爐膛是一個封閉體係;

第二,爐膛內各處的氣體溫度都相等;

第三,爐壁和物料表麵的溫度都是均勻的;

第四,從爐壁和物料表麵反射出來的射線密度都是均勻的;

第五,氣體對輻射射線的吸收率在任何方向上都是一樣的;

第六,氣體的吸收率等於氣體的黑度,其值隻決定於氣體溫度;

第七,爐壁和物料表麵都具有灰體性質,即黑度不隨溫度而改變;

第八,氣體以對流方式傳給爐壁的熱量,恰等於爐壁對外的散熱量,即在輻射熱交換中爐壁的熱量收支相等。

在上述假設條件下,可導出爐氣和物料之間輻射熱交換公式為

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式中Q2——爐氣對物料之間的輻射熱交換量,即金屬所得的輻射熱(W);

C——導來輻射係數(W/(m2K4)),其值小於5.67;

T1——爐氣溫度(K);

T2——物料溫度(K);

F2——物料的輻射換熱麵積(m2)。

十分明顯,爐膛輻射熱交換計算的主要內容是確定導來輻射係數。

在分析和推導爐膛熱交換計算公式時,公式中所用的符號統一為:T代表絕對溫度,代表黑度,代表角係數,F代表輻射換熱麵積,Q代表熱流量。各符號的下角碼1、2、3各代表爐氣、物料、爐壁,例如角係數32代表爐壁對物料的角係數。

一、爐氣的黑度(或稱火焰黑度)1

在某一溫度時影響爐氣黑度的因素有兩方麵:一是爐氣的成分;二是有效輻射層厚度,它決定於爐膛的形狀和尺寸。

在燃用氣體燃料爐子中,影響爐氣黑度的主要成分是三原子氣體CO2H2O以及懸浮這的炭黑微粒。

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計算火焰黑度εI時所涉及的煙氣成分規定以爐膛出口處的數據為準,而煙氣溫度為各段之平均值。為了簡化計算,可用線算圖14-7求得Ei [對於負壓或正壓小於5kPa的爐膛,爐壁絕對壓力P≈0. 1MPa;圖中K值按公式(14-47)計算]。

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二、爐壁溫度

在輻射熱交換中,一個物體的熱量收支差額等於投來輻射與有效輻射之差。因此,了爐壁的差額熱量為

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前已假定,氣體以對流方式傳給爐壁的熱量,恰等於爐壁向外的散熱量。所以在爐膛的輻射熱交換中爐壁的差額熱量Q3等於零。又由於爐壁是灰體,其黑度E3等於吸收率A3,則爐壁的有效輻射Q3e為:

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爐壁的投來輻射包括:爐氣輻射到達爐壁、物料的有效輻射到達爐壁、爐壁的有效輻射到達其自身共三部分。即

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由分析得出,上式中右麵分式小於1,所以T2<T3<T1。此外,如果視E3為常數則爐壁內表麵溫度隻取決於爐氣黑度、爐氣溫度、物料表麵溫度及爐圍伸展度w。

從上式還可看出:第一,爐氣溫度T1及物料表麵溫度T2越高,則爐壁內表麵溫度T3也越高。這符合實際情況,例如在加熱爐加料時,由於物料表麵溫度低,爐壁表麵溫度也隨之降低,平爐也是如此。第二,在爐氣溫度、物料溫度和爐圍伸展度各因素都固定的條件下,爐氣黑度越高,則爐壁內表麵溫度越高。這是因為爐氣黑度越高,則爐氣和爐壁的熱交換程度越甚,也即物料表麵溫度對爐壁溫度影響越小,所以此時爐壁內表麵溫度較高並接近於爐氣溫度(圖14-8)。

從圖14-8中還可看出,在其他條件一定時,W越大,則爐壁內表麵溫度越高,這是由於物料麵積相對來說比較小,對爐壁溫度影響也較小,所以爐壁內表麵溫度接近於爐氣溫度。

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溫爐而言,通過爐牆散失的熱量以及爐氣對爐壁內表麵的對流換熱量與爐氣的強大輻射熱流比較起來是很小的。因此,可以認為爐牆內表麵溫度不受爐氣的對流換熱量與爐牆散熱損失的影響。所以,爐牆外部的絕緣層對爐牆內表麵溫度的影響是很小的。但是,外部加砌絕緣層雖然不致使高溫爐砌體的內表麵溫度有明顯的提高,但砌體內部的溫度卻有所提高,即整個砌體厚度方向的平均溫度有所升高。其結果也會影響牆砌體的使用壽命。

一、導來輻射係數c

物料的差額熱量為

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ε2——物料的黑度,對於被氧化的金屬,一般取ε2≈0. 80。

由於ε2近似為常數,故導來輻射係數c僅是爐氣的黑度和爐壁對物料的角係數的函數,即c=f (ε1,32)。 在實際應用中,將該函數式繪成曲線,如圖14-9所示。根據已知的ε132之值,可以非常簡便地查出c值。

由圖14-9曲線可看出,當爐氣黑度ε1比較小時,增加ε1可使c值得到比較顯著的提高,從而增加物料得到的熱量,但當ε1比較大時,再增加ε1值效果也不大。

一、物料(金屬)表麵以及爐氣的平均溫度

金屬表麵溫度沿爐長方向如連續式加熱爐或隨時間如成批裝出料的室狀加熱爐而有所變化。同樣,爐氣溫度也相應地沿爐長或隨時間而有所變化。因此進行爐膛熱交換計算時,必須決定沿爐子長度方向或在所規定的時間範圍內爐氣和金屬表麵的平均溫度。

(一)金屬表麵的平均溫度    其值常用以下幾種方式計算

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式中t2T2)——金屬表麵平均溫度(K

t2bT2b)——金屬表麵開始溫度(K

T2fT2f)——金屬表麵終了溫度(K

(二)爐氣的平均溫度   其值常用以下幾種方式計算:

1. 算術平均值   適用於爐氣溫度變化不大或呈直線變化時的情況,其計算式為

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式中t1T1)——爐子的平均溫度(K

T1bT1b)——爐氣的開始溫度(K

T1fT1f)——爐氣的終了溫度(K

如果燃氣在爐膛內燃燒,則求爐氣平均溫度時,對數平均值和幾何平均值兩者都可應用。但在高溫爐中用幾何平均值更接近於實際情況。


第四節    對流受熱麵傳熱計算

燃氣在爐內燃燒所產生的熱量, 有很大一部分包含在爐子排出的煙氣也稱廢氣之中。例如,連續加熱爐排出煙氣帶走的熱量可占熱負荷的45%~55%,室狀加熱爐則更高。根據節約能源的需要,這部分熱量必須加以充分利用。一台浪費能源的工業爐,不管其他工藝指標如何先進,也稱不上是一台設計合理和完善的爐子。排煙中的熱能首先應該用來預熱人爐的物料、燃燒需用的空氣及燃氣,使排煙帶出的熱能重新回爐內,直接節約加熱工業爐所需的優質燃料。這是較理想的熱能利用方案。

為了回收煙氣中所含的熱能,在先進的工業爐尾部都設有空氣預熱器、燃氣預熱器等對流受熱麵。在這些受熱麵中,高溫煙氣主要以對流的方式進行放熱。由於煙氣中含有三原子氣體和炭黑粒子,它們還具有一定的輻射能力,因此還有輻射放熱。

一、對流受熱麵的傳熱方程和熱平衡方程

對流受熱麵的傳熱計算是以每小時煙氣的放熱量或每小時工質空氣或燃氣的吸熱量為計算基礎的。由此可得出對流受熱麵的傳熱方程和熱平衡方程如下:

(一)傳熱方程式

通過對流受熱麵的傳統計算為

                     Qt=3600KFt                      14-58

式中 Qt——經過對流受熱麵的傳熱量(kj/h

K——在某一對流受熱麵中,由管外煙氣至管內工質的傳熱係數(kW/m2k))

F——某一對流受熱麵的計算傳熱麵積(m2

t——平均溫度(

(二)熱平衡方程式


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t1、tf2——煙氣進入和離開此受熱麵時的溫度);

β——考慮管道不嚴密的漏風係數;

La——燃氣燃燒所需的實際空氣量(Nm3/h);

Ca——空氣的平均定壓容積比熱(kJ/ (Nm23K));

ta1、t2—— 空氣進人和離開此受熱麵的溫度。

(14-58) ~(14-60) 是對流受熱麵計算的基本方程式。當已知對流受熱麵的傳熱麵積,而需要確定煙氣經放熱後的溫度tf2時,計算的關鍵在於確定傳熱係數K。

二、傳熱係數

對流受熱麵的一側是煙氣,另側是工質 (空氣或燃氣)。煙氣側的表麵上不可避免地有一層灰汙,這就增加了傳熱熱阻。

由於煙氣對灰汙層的放熱熱阻以及灰汙層的熱阻都很難單獨測定,因此計算時往往用利用係數ξ來考慮灰汙對傳熱的影響。

對空氣或燃氣預熱器,把灰汙和煙氣衝刷不完全對傳熱的影響合並用利用係數ξ來考慮,它表示受熱麵實際的傳熱係數K和無灰汙並衝刷完全時的傳熱係數K0的比值,即

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式中ξ——空氣(或燃氣)預熱器的利用係數;

α1——煙氣對管壁的放熱係數(kW/m2k));

α2——管壁對工質的放熱係數(kW/m2k));

對於燃用氣體燃料的管式空氣預熱器,如果沒有中間管板,ξ=0.85;如果有一塊中間管板,ξ值要降低0.1;如果有兩塊中間管板,ξ值要降低0.15。

必須指出,高溫煙氣對管壁的放熱係數α1是由對流放熱係數和輻射放熱係數兩部分組成。即

         α1=αc+αr                     14-62

式中αc——對流放熱係數(kW/m2k));

αr ——輻射放熱係數 (kW/m2k));

綜上所述,為了計算傳熱係數K,必須確定煙氣對管壁的放熱係數α1和管壁對工質的放熱α2等。下麵將介紹各有關參數的確定方法。

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