管式加热炉辐射室对流传热计算的研究

青山

管式加热炉是一种大能耗的设备。在炼油厂和石
油化工厂具有非常重要的地位。随着炼油厂和化工厂
的大型化，开发了大处理量的管式炉，因而也不断发
展了管式炉的计算方法。特别是计算机和计算技术的
迅速发展，以及辐射传热、湍流传热、流体流动、相平
衡和化学反应动力学等学科的进步与数值计算方面
的结合n ，使得对加热炉的复杂计算变为可能。
在石化生产中，人们期望装置能长期安全运转。
但若设计和操作不当而使炉温局部过高。就会发生结
焦、炉管烧穿、炉衬烧塌等事故。局部温度过低，则管
内流体达不到工艺要术，因此管式炉炉膛的传热计算
是一个关键问题
在管式加热炉炉膛内的传热，以辐射传热为主，
在以往的研究中对辐射传热的计算关注较多，比如
区域法、蒙特一卡罗法_5_、热通量法等，而对对流传热考
虑的较少。但实际上以对流传热所传递的热量也应是
加热炉计算的重要部分。
因此本研究主要是开发了一种射流模型对对流
传热进行模拟计算，结合辐射传热的计算，得到了炉
膛内的温度分布和管壁热强度分布。
1 管外对流传热计算的模型开发
1．1 物理模型
在炉膛内主要存在两股气流，从火嘴喷出的射流
和返向火嘴的回流。由于射流温度较高，决定着辐射
放热：回流温度较低，起着与管壁对流传热的作用。
根据文献介绍E6]。当空间与喷嘴截面相比很大时，
收稿日期：
2010——09——15
基金项目：
中国石油天然气集团公司“让纳若尔油田第三油气处理厂工程”资助项目($2010～36C)
作者简介：
张津(1972一)，女，四川成都人，工程师，学士，主要从事天然气储运研究与设计工作。

78 N天ATU懋RAL戈G O滏IL 201 1年10月
它接近自由射流。Ⅱ『以认为限制射流只是一个质量不
变核心，把射流量的增加和减少看作只是与循环气流
的合并与分离，这核心与器壁之间是循环区。质量不
变核心可被视为稳定流动，循环烟气分子的流线是无
数闭合曲线。根据质量守恒原理，单位时间通过任意
截面的回流量与被引射的烟气量完全相等
在对炉膛空间进行分区时，据烟气流动情况，在
径向上将娴气分为i个区：质量不变核心区、射流区
和【旦1流区．见图l
i
＼I{ ／／
图1 炉膛内烟气流动分区图
1．2 数学描述
1．2．1 炉膛内区域间的边界线方程
区域的面积随高度的不同而发生变化，质量不变
核心区和射流区的边界由式(1)求得：
= ·tanR+r, (1)
式中R— — 炉膛半径．m：
r2 — — 质量不变核心区的半径，ill；
L —— 限制射流质量不变核心到达i截面的行
程，m：
— — 当量喷口半径，m。
射流区和回流区的边界可由式(2)求得：
= [(R +蠢)／2](巧 (2)
式中 r 广射流与回流的边界半径，111；
— — 炉膛半径，m。
1．2．2 烟气流速的计算
对流传热的计算，关键在于求解各区域的流速。
因为质量不变核心区的烟气流是稳定流动的，所
以根据各截面的面积，便可求得通过不同截面的烟气
质量流速：
W =el(叮T· 2) (3)
式中 W 广 截面的炯气质量流速，kg／m -
G厂从喷嘴喷人炉膛的烟气总量，kg／s。
W ，=G 一／ ， (4)
式中 —一 截面上的引射流(回流)的平均质量流
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积，m 。
1．3 研究方法
为了和辐射传热计算很好地结合在一起，把整个
炉膛体积分成若干个小的气体块，以圆筒炉底面的中
心为坐标原点建立柱坐标系(r， ， )，沿炉体的周向按
增量 将气体及侧壁面分为等高度的 份，沿径向
按增量AR将气体区及炉膛底面等分为 份，并以相
同角度△‘D沿周向将气体区及侧壁面、底面等分为n
份．见图2。
图2 气体分区图
2 计算实例
选用Visual Basic编程语言，编写了对流传热计
算的程序并结合以前完成的辐射传热计算，选用了一
个实际加热炉的有关数据做了模拟计算。
表1～4是炉膛中温度分布的部分数据，这里对辐
射传热计算值和辐射对流联合计算值进行了对比，所
举例的四组数据分别取自第3、l0、18、32四根炉管。
对表1～4的数据进行分析可看出：
a)表l～4巾对应的一定高度和半径处的温度数值
大小基本一致，这是由圆筒加热炉的对称结构和我们
的模型决定的，同时这种一致性也从另一方面证明了
程序计算的合理性：
b)温度明显沿径向递减．符合模型推断的温度变
化趋势：而纵向上的温度则是两端较低，中间较高

动力火车

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