在工業(yè)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(nèi)不同地帶也有不同的熱交換。在間歇式爐中，同一地帶因時(shí)間不同存在著不同的熱交換。因此，在熱交換計(jì)算中，一定要按爐窯的實(shí)際工作情況具體分析后計(jì)算。

由于上述原因，工業(yè)爐內(nèi)熱交換是比較復(fù)雜的，有時(shí)難以從理論上完全分析清楚。但在工程上可根據(jù)某些近似爐子工作狀態(tài)下的假定條件，按傳熱的基本理論進(jìn)行爐內(nèi)熱交換計(jì)算，并按實(shí)際情況進(jìn)行修正。

本節(jié)將重點(diǎn)說(shuō)明當(dāng)爐氣溫度和黑度在整個(gè)爐膛中呈均勻分布時(shí)，連續(xù)式加熱爐爐膛輻射熱交換的計(jì)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(duì)溫度。實(shí)際上，爐氣分布絕對(duì)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(xiàn)實(shí)意義的。為了簡(jiǎn)化起見，在分析和推導(dǎo)爐膛輻射熱交換的計(jì)算公式時(shí)作了如下的假定：

第一，爐膛是一個(gè)封閉體系;

第二，爐膛內(nèi)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(lái)的射線密度都是均勻的;

第五，氣體對(duì)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(zhì)，即黑度不隨溫度而改變;

第八，氣體以對(duì)流方式傳給爐壁的熱量，恰等于爐壁對(duì)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(shè)條件下，可導(dǎo)出爐氣和物料之間輻射熱交換公式為

式中Q2——爐氣對(duì)物料之間的輻射熱交換量，即金屬所得的輻射熱（W）；

C——導(dǎo)來(lái)輻射系數(shù)（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(jì)算的主要內(nèi)容是確定導(dǎo)來(lái)輻射系數(shù)。

在分析和推導(dǎo)爐膛熱交換計(jì)算公式時(shí)，公式中所用的符號(hào)統(tǒng)一為：T代表絕對(duì)溫度，ℇ代表黑度，∅代表角系數(shù)，F(xiàn)代表輻射換熱面積，Q代表熱流量。各符號(hào)的下角碼1、2、3各代表爐氣、物料、爐壁，例如角系數(shù)∅32代表爐壁對(duì)物料的角系數(shù)。

爐氣的黑度（或稱火焰黑度）ℇ1

在某一溫度時(shí)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。

計(jì)算火焰黑度εI時(shí)所涉及的煙氣成分規(guī)定以爐膛出口處的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，而煙氣溫度為各段之平均值。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可用線算圖14-7求得Ei [對(duì)于負(fù)壓或正壓小于5kPa的爐膛，爐壁絕對(duì)壓力P≈0. 1MPa；圖中K值按公式(14-47)計(jì)算]。

爐壁溫度

在輻射熱交換中，一個(gè)物體的熱量收支差額等于投來(lái)輻射與有效輻射之差。因此，了爐壁的差額熱量為前已假定，氣體以對(duì)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：

爐壁的投來(lái)輻射包括：爐氣輻射到達(dá)爐壁、物料的有效輻射到達(dá)爐壁、爐壁的有效輻射到達(dá)其自身共三部分。

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(shù)則爐壁內(nèi)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(nèi)表面溫度T3也越高。這符合實(shí)際情況，例如在加熱爐加料時(shí)，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(nèi)表面溫度越高。這是因?yàn)闋t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(duì)爐壁溫度影響越小，所以此時(shí)爐壁內(nèi)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(shí)，W越大，則爐壁內(nèi)表面溫度越高，這是由于物料面積相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小，對(duì)爐壁溫度影響也較小，所以爐壁內(nèi)表面溫度接近于爐氣溫度。

對(duì)高溫爐而言，通過(guò)爐墻散失的熱量以及爐氣對(duì)爐壁內(nèi)表面的對(duì)流換熱量與爐氣的強(qiáng)大輻射熱流比較起來(lái)是很小的。因此，可以認(rèn)為爐墻內(nèi)表面溫度不受爐氣的對(duì)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(duì)爐墻內(nèi)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(nèi)表面溫度有明顯的提高，但砌體內(nèi)部的溫度卻有所提高，即整個(gè)砌體厚度方向的平均溫度有所升高。其結(jié)果也會(huì)影響墻砌體的使用壽命。

導(dǎo)來(lái)輻射系數(shù)c

物料的差額熱量為

ε2——物料的黑度，對(duì)于被氧化的金屬，一般取ε2≈0. 80。

由于ε2近似為常數(shù)，故導(dǎo)來(lái)輻射系數(shù)c僅是爐氣的黑度和爐壁對(duì)物料的角系數(shù)的函數(shù)，即c=f (ε1，∅32)。 在實(shí)際應(yīng)用中，將該函數(shù)式繪成曲線，如圖14-9所示。根據(jù)已知的ε1和∅32之值，可以非常簡(jiǎn)便地查出c值。

由圖14-9曲線可看出，當(dāng)爐氣黑度ε1比較小時(shí)，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(dāng)ε1比較大時(shí)，再增加ε1值效果也不大。

物料（金屬）表面以及爐氣的平均溫度

金屬表面溫度沿爐長(zhǎng)方向（如連續(xù)式加熱爐）或隨時(shí)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(yīng)地沿爐長(zhǎng)或隨時(shí)間而有所變化。因此進(jìn)行爐膛熱交換計(jì)算時(shí)，必須決定沿爐子長(zhǎng)度方向或在所規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)爐氣和金屬表面的平均溫度。

金屬表面的平均溫度    其值常用以下幾種方式計(jì)算

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）

爐氣的平均溫度   其值常用以下幾種方式計(jì)算：

1. 算術(shù)平均值   適用于爐氣溫度變化不大或呈直線變化時(shí)的情況，其計(jì)算式為

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?xì)庠跔t膛內(nèi)燃燒，則求爐氣平均溫度時(shí)，對(duì)數(shù)平均值和幾何平均值兩者都可應(yīng)用。但在高溫爐中用幾何平均值更接近于實(shí)際情況。

 對(duì)流受熱面?zhèn)鳠嵊?jì)算

燃?xì)庠跔t內(nèi)燃燒所產(chǎn)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(xù)加熱爐排出煙氣帶走的熱量可占熱負(fù)荷的45%~55%，室狀加熱爐則更高。根據(jù)節(jié)約能源的需要，這部分熱量必須加以充分利用。一臺(tái)浪費(fèi)能源的工業(yè)爐，不管其他工藝指標(biāo)如何先進(jìn)，也稱不上是一臺(tái)設(shè)計(jì)合理和完善的爐子。排煙中的熱能首先應(yīng)該用來(lái)預(yù)熱人爐的物料、燃燒需用的空氣及燃?xì)猓�使排煙帶出的熱能重新回入爐內(nèi)，直接節(jié)約加熱工業(yè)爐所需的優(yōu)質(zhì)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(jìn)的工業(yè)爐尾部都設(shè)有空氣預(yù)熱器、燃?xì)忸A(yù)熱器等對(duì)流受熱面。在這些受熱面中，高溫?zé)煔庵饕�以�?duì)流的方式進(jìn)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(duì)流受熱面的傳熱方程和熱平衡方程

對(duì)流受熱面的傳熱計(jì)算是以每小時(shí)煙氣的放熱量或每小時(shí)工質(zhì)（空氣或燃?xì)猓┑奈鼰崃繛橛?jì)算基礎(chǔ)的。由此可得出對(duì)流受熱面的傳熱方程和熱平衡方程如下:

傳熱方程式

通過(guò)對(duì)流受熱面的傳統(tǒng)計(jì)算為

                     Qt=3600KF△t                      （14-58）

式中 Qt——經(jīng)過(guò)對(duì)流受熱面的傳熱量（kj/h）

K——在某一對(duì)流受熱面中，由管外煙氣至管內(nèi)工質(zhì)的傳熱系數(shù)（kW/（m2∙k））

F——某一對(duì)流受熱面的計(jì)算傳熱面積（m2）

△t——平均溫度（℃）

t1、tf2——煙氣進(jìn)入和離開此受熱面時(shí)的溫度（℃）；

β——考慮管道不嚴(yán)密的漏風(fēng)系數(shù)；

La——燃?xì)馊紵�所需的�?shí)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(jìn)人和離開此受熱面的溫度（℃）。

式(14-58) ~式(14-60) 是對(duì)流受熱面計(jì)算的基本方程式。當(dāng)已知對(duì)流受熱面的傳熱面積，而需要確定煙氣經(jīng)放熱后的溫度tf2時(shí)，計(jì)算的關(guān)鍵在于確定傳熱系數(shù)K。

傳熱系數(shù)

對(duì)流受熱面的一側(cè)是煙氣，另側(cè)是工質(zhì) (空氣或燃?xì)?。煙氣側(cè)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(duì)灰污層的放熱熱阻以及灰污層的熱阻都很難單獨(dú)測(cè)定，因此計(jì)算時(shí)往往用利用系數(shù)ξ來(lái)考慮灰污對(duì)傳熱的影響。

對(duì)空氣（或燃?xì)猓╊A(yù)熱器，把灰污和煙氣沖刷不完全對(duì)傳熱的影響合并用利用系數(shù)ξ來(lái)考慮，它表示受熱面實(shí)際的傳熱系數(shù)K和無(wú)灰污并沖刷完全時(shí)的傳熱系數(shù)K’0的比值，即式中ξ——空氣（或燃?xì)猓╊A(yù)熱器的利用系數(shù)；

α1——煙氣對(duì)管壁的放熱系數(shù)（kW/（m2∙k））；

α2——管壁對(duì)工質(zhì)的放熱系數(shù)（kW/（m2∙k））；

對(duì)于燃用氣體燃料的管式空氣預(yù)熱器，如果沒(méi)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?zé)煔鈱?duì)管壁的放熱系數(shù)α1是由對(duì)流放熱系數(shù)和輻射放熱系數(shù)兩部分組成。即

         α1=αc+αr                     （14-62）

式中αc——對(duì)流放熱系數(shù)（kW/（m2∙k））；

αr ——輻射放熱系數(shù) （kW/（m2∙k））；

綜上所述，為了計(jì)算傳熱系數(shù)K，必須確定煙氣對(duì)管壁的放熱系數(shù)α1和管壁對(duì)工質(zhì)的放熱α2等。下面將介紹各有關(guān)參數(shù)的確定方法。

  中威環(huán)保集團(tuán)公司（鄭州中威環(huán)保設(shè)備有限公司  、鄭州德斯特自動(dòng)化設(shè)備有限公司）具有多年的工業(yè)窯爐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，承接國(guó)內(nèi)外大型燃?xì)狻?燃油 、煤氣發(fā)生爐窯爐及自動(dòng)化控制系統(tǒng)工程項(xiàng)目。