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      工業窯爐爐膛熱交換計算方式

      瀏覽次數: 發布日期:2020-01-13 10:46:15

      導讀:

      在工業爐中,由于工藝及熱工制度的不同,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后計算。

      由于上述原因,工業爐內熱交換是比較復雜的,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,并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于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,爐膛是一個封閉體系;

      第二,爐膛內各處的氣體溫度都相等;

      第三,爐壁和物料表面的溫度都是均勻的;

      第四,從爐壁和物料表面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,氣體的吸收率等于氣體的黑度,其值只決定于氣體溫度;

      第七,爐壁和物料表面都具有灰體性質,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,恰等于爐壁對外的散熱量,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——導來輻射系數(W/(m2?K4)),其值小于5.67;

      T1——爐氣溫度(K);

      T2——物料溫度(K);

      F2——物料的輻射換熱面積(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系數。

      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,?代表角系數,F代表輻射換熱面積,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,例如角系數?32代表爐壁對物料的角系數。

      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面:一是爐氣的成分;二是有效輻射層厚度,它決定于爐膛的形狀和尺寸。

      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CO2和H2O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 [對于負壓或正壓小于5kPa的爐膛,爐壁絕對壓力P≈0. 1MPa;圖中K值按公式(14-47)計算]。

      圖片9.jpg

      二、爐壁溫度

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

      圖片10.jpg

      前已假定,氣體以對流方式傳給爐壁的熱量,恰等于爐壁向外的散熱量。所以在爐膛的輻射熱交換中爐壁的差額熱量Q3等于零。又由于爐壁是灰體,其黑度E3等于吸收率A3,則爐壁的有效輻射Q3e為:

      圖片11.jpg

      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,上式中右面分式小于1,所以T2<T3<T1。此外,如果視E3為常數則爐壁內表面溫度只取決于爐氣黑度、爐氣溫度、物料表面溫度及爐圍伸展度w。

      從上式還可看出:第一,爐氣溫度T1及物料表面溫度T2越高,則爐壁內表面溫度T3也越高。這符合實際情況,例如在加熱爐加料時,由于物料表面溫度低,爐壁表面溫度也隨之降低,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,則爐壁內表面溫度越高。這是因為爐氣黑度越高,則爐氣和爐壁的熱交換程度越甚,也即物料表面溫度對爐壁溫度影響越小,所以此時爐壁內表面溫度較高并接近于爐氣溫度(圖14-8)。

      從圖14-8中還可看出,在其他條件一定時,W越大,則爐壁內表面溫度越高,這是由于物料面積相對來說比較小,對爐壁溫度影響也較小,所以爐壁內表面溫度接近于爐氣溫度。

      圖片13.jpg

      對高溫爐而言,通過爐墻散失的熱量以及爐氣對爐壁內表面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,可以認為爐墻內表面溫度不受爐氣的對流換熱量與爐墻散熱損失的影響。所以,爐墻外部的絕緣層對爐墻內表面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面溫度有明顯的提高,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。其結果也會影響墻砌體的使用壽命。

      一、導來輻射系數c

      物料的差額熱量為

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      ε2——物料的黑度,對于被氧化的金屬,一般取ε2≈0. 80。

      由于ε2近似為常數,故導來輻射系數c僅是爐氣的黑度和爐壁對物料的角系數的函數,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ε1和?32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)表面以及爐氣的平均溫度

      金屬表面溫度沿爐長方向(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范圍內爐氣和金屬表面的平均溫度。

      (一)金屬表面的平均溫度    其值常用以下幾種方式計算

      圖片17.jpg

      式中t2(T2)——金屬表面平均溫度(℃或K)

      t2b(T2b)——金屬表面開始溫度(℃或K)

      T2f(T2f)——金屬表面終了溫度(℃或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   適用于爐氣溫度變化不大或呈直線變化時的情況,其計算式為

      圖片18.jpg

      式中t1(T1)——爐子的平均溫度(℃或K)

      T1b(T1b)——爐氣的開始溫度(℃或K)

      T1f(T1f)——爐氣的終了溫度(℃或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于實際情況。


      第四節    對流受熱面傳熱計算

      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。一臺浪費能源的工業爐,不管其他工藝指標如何先進,也稱不上是一臺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入爐內,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面。在這些受熱面中,高溫煙氣主要以對流的方式進行放熱。由于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、對流受熱面的傳熱方程和熱平衡方程

      對流受熱面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面的傳熱方程和熱平衡方程如下:

      (一)傳熱方程式

      通過對流受熱面的傳統計算為

                           Qt=3600KF△t                      (14-58)

      式中 Qt——經過對流受熱面的傳熱量(kj/h)

      K——在某一對流受熱面中,由管外煙氣至管內工質的傳熱系數(kW/(m2?k))

      F——某一對流受熱面的計算傳熱面積(m2)

      △t——平均溫度(℃)

      (二)熱平衡方程式


      圖片19.jpg

      t1、tf2——煙氣進入和離開此受熱面時的溫度(℃);

      β——考慮管道不嚴密的漏風系數;

      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/ (Nm23?K));

      ta1、t2—— 空氣進人和離開此受熱面的溫度(℃)。

      式(14-58) ~式(14-60) 是對流受熱面計算的基本方程式。當已知對流受熱面的傳熱面積,而需要確定煙氣經放熱后的溫度tf2時,計算的關鍵在于確定傳熱系數K。

      二、傳熱系數

      對流受熱面的一側是煙氣,另側是工質 (空氣或燃氣)。煙氣側的表面上不可避免地有一層灰污,這就增加了傳熱熱阻。

      由于煙氣對灰污層的放熱熱阻以及灰污層的熱阻都很難單獨測定,因此計算時往往用利用系數ξ來考慮灰污對傳熱的影響。

      對空氣(或燃氣)預熱器,把灰污和煙氣沖刷不完全對傳熱的影響合并用利用系數ξ來考慮,它表示受熱面實際的傳熱系數K和無灰污并沖刷完全時的傳熱系數K’0的比值,即

      圖片20.jpg

      式中ξ——空氣(或燃氣)預熱器的利用系數;

      α1——煙氣對管壁的放熱系數(kW/(m2?k));

      α2——管壁對工質的放熱系數(kW/(m2?k));

      對于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系數α1是由對流放熱系數和輻射放熱系數兩部分組成。即

               α1=αc+αr                     (14-62)

      式中αc——對流放熱系數(kW/(m2?k));

      αr ——輻射放熱系數 (kW/(m2?k));

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

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