管式加熱爐輻射室對流傳熱計算的研究

青山

管式加熱爐是一種大能耗的設(shè)備。在煉油廠和石
油化工廠具有非常重要的地位。隨著煉油廠和化工廠
的大型化，開發(fā)了大處理量的管式爐，因而也不斷發(fā)
展了管式爐的計算方法。特別是計算機(jī)和計算技術(shù)的
迅速發(fā)展，以及輻射傳熱、湍流傳熱、流體流動、相平
衡和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)等學(xué)科的進(jìn)步與數(shù)值計算方面
的結(jié)合n ，使得對加熱爐的復(fù)雜計算變?yōu)榭赡堋?br /> 在石化生產(chǎn)中，人們期望裝置能長期安全運(yùn)轉(zhuǎn)。
但若設(shè)計和操作不當(dāng)而使?fàn)t溫局部過高。就會發(fā)生結(jié)
焦、爐管燒穿、爐襯燒塌等事故。局部溫度過低，則管
內(nèi)流體達(dá)不到工藝要術(shù)，因此管式爐爐膛的傳熱計算
是一個關(guān)鍵問題
在管式加熱爐爐膛內(nèi)的傳熱，以輻射傳熱為主，
在以往的研究中對輻射傳熱的計算關(guān)注較多，比如
區(qū)域法、蒙特一卡羅法_5_、熱通量法等，而對對流傳熱考
慮的較少。但實際上以對流傳熱所傳遞的熱量也應(yīng)是
加熱爐計算的重要部分。
因此本研究主要是開發(fā)了一種射流模型對對流
傳熱進(jìn)行模擬計算，結(jié)合輻射傳熱的計算，得到了爐
膛內(nèi)的溫度分布和管壁熱強(qiáng)度分布。
1 管外對流傳熱計算的模型開發(fā)
1．1 物理模型
在爐膛內(nèi)主要存在兩股氣流，從火嘴噴出的射流
和返向火嘴的回流。由于射流溫度較高，決定著輻射
放熱：回流溫度較低，起著與管壁對流傳熱的作用。
根據(jù)文獻(xiàn)介紹E6]。當(dāng)空間與噴嘴截面相比很大時，
收稿日期：
2010——09——15
基金項目：
中國石油天然氣集團(tuán)公司“讓納若爾油田第三油氣處理廠工程”資助項目($2010～36C)
作者簡介：
張津(1972一)，女，四川成都人，工程師，學(xué)士，主要從事天然氣儲運(yùn)研究與設(shè)計工作。

78 N天ATU懋RAL戈G O滏IL 201 1年10月
它接近自由射流。Ⅱ『以認(rèn)為限制射流只是一個質(zhì)量不
變核心，把射流量的增加和減少看作只是與循環(huán)氣流
的合并與分離，這核心與器壁之間是循環(huán)區(qū)。質(zhì)量不
變核心可被視為穩(wěn)定流動，循環(huán)煙氣分子的流線是無
數(shù)閉合曲線。根據(jù)質(zhì)量守恒原理，單位時間通過任意
截面的回流量與被引射的煙氣量完全相等
在對爐膛空間進(jìn)行分區(qū)時，據(jù)煙氣流動情況，在
徑向上將嫻氣分為i個區(qū)：質(zhì)量不變核心區(qū)、射流區(qū)
和【旦1流區(qū)．見圖l
i
＼I{ ／／
圖1 爐膛內(nèi)煙氣流動分區(qū)圖
1．2 數(shù)學(xué)描述
1．2．1 爐膛內(nèi)區(qū)域間的邊界線方程
區(qū)域的面積隨高度的不同而發(fā)生變化，質(zhì)量不變
核心區(qū)和射流區(qū)的邊界由式(1)求得：
= ·tanR+r, (1)
式中R— — 爐膛半徑．m：
r2 — — 質(zhì)量不變核心區(qū)的半徑，ill；
L —— 限制射流質(zhì)量不變核心到達(dá)i截面的行
程，m：
— — 當(dāng)量噴口半徑，m。
射流區(qū)和回流區(qū)的邊界可由式(2)求得：
= [(R +蠢)／2](巧 (2)
式中 r 廣射流與回流的邊界半徑，111；
— — 爐膛半徑，m。
1．2．2 煙氣流速的計算
對流傳熱的計算，關(guān)鍵在于求解各區(qū)域的流速。
因為質(zhì)量不變核心區(qū)的煙氣流是穩(wěn)定流動的，所
以根據(jù)各截面的面積，便可求得通過不同截面的煙氣
質(zhì)量流速：
W =el(叮T· 2) (3)
式中 W 廣 截面的炯?xì)赓|(zhì)量流速，kg／m -
G廠從噴嘴噴人爐膛的煙氣總量，kg／s。
W ，=G 一／ ， (4)
式中 —一 截面上的引射流(回流)的平均質(zhì)量流
速，kg／m。·S：
G ，—— 截面上的引射量或同流量，kg／s；
— 一 截面上的引射流或同流的面積，m 。
1．3 研究方法
為了和輻射傳熱計算很好地結(jié)合在一起，把整個
爐膛體積分成若干個小的氣體塊，以圓筒爐底面的中
心為坐標(biāo)原點建立柱坐標(biāo)系(r， ， )，沿爐體的周向按
增量 將氣體及側(cè)壁面分為等高度的 份，沿徑向
按增量AR將氣體區(qū)及爐膛底面等分為 份，并以相
同角度△‘D沿周向?qū)�氣體區(qū)及側(cè)壁面、底面等分為n
份．見圖2。
圖2 氣體分區(qū)圖
2 計算實例
選用Visual Basic編程語言，編寫了對流傳熱計
算的程序并結(jié)合以前完成的輻射傳熱計算，選用了一
個實際加熱爐的有關(guān)數(shù)據(jù)做了模擬計算。
表1～4是爐膛中溫度分布的部分?jǐn)?shù)據(jù)，這里對輻
射傳熱計算值和輻射對流聯(lián)合計算值進(jìn)行了對比，所
舉例的四組數(shù)據(jù)分別取自第3、l0、18、32四根爐管。
對表1～4的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可看出：
a)表l～4巾對應(yīng)的一定高度和半徑處的溫度數(shù)值
大小基本一致，這是由圓筒加熱爐的對稱結(jié)構(gòu)和我們
的模型決定的，同時這種一致性也從另一方面證明了
程序計算的合理性：
b)溫度明顯沿徑向遞減．符合模型推斷的溫度變
化趨勢：而縱向上的溫度則是兩端較低，中間較高

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