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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(yè)爐內(nèi)熱交換是比較復(fù)雜的，有時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行爐內(nèi)熱交換計算，并按實際情況進行修正。

本節(jié)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(xù)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(xiàn)實意義的。為了簡化起見，在分析和推導(dǎo)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(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(zhì)，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(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，爐膛輻射熱交換計算的主要內(nèi)容是確定導(dǎo)來輻射系數(shù)。

在分析和推導(dǎo)爐膛熱交換計算公式時，公式中所用的符號統(tǒng)一為：T代表絕對溫度，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。

計算火焰黑度εI時所涉及的煙氣成分規(guī)定以爐膛出口處的數(shù)據(jù)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]。

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：

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。

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(nèi)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(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，W越大，則爐壁內(nèi)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(nèi)表面溫度接近于爐氣溫度。

對高溫爐而言，通過爐墻散失的熱量以及爐氣對爐壁內(nèi)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(nèi)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(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，即整個砌體厚度方向的平均溫度有所升高。其結(jié)果也會影響墻砌體的使用壽命。

導(dǎo)來輻射系數(shù)c

物料的差額熱量為

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(shù)，故導(dǎo)來輻射系數(shù)c僅是爐氣的黑度和爐壁對物料的角系數(shù)的函數(shù)，即c=f (ε1，∅32)。 在實際應(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。

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(xù)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(yīng)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(guī)定的時間范圍內(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的情況，其計算式為

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）

如果燃氣在爐膛內(nèi)燃燒，則求爐氣平均溫度時，對數(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際情況。

 對流受熱面?zhèn)鳠嵊嬎?/span>

燃氣在爐內(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。一臺浪費能源的工業(yè)爐，不管其他工藝指標如何先進，也稱不上是一臺設(shè)計合理和完善的爐子。排煙中的熱能首先應(yīng)該用來預(yù)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(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，在先進的工業(yè)爐尾部都設(shè)有空氣預(yù)熱器、燃氣預(yù)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(zhì)（空氣或燃氣）的吸熱量為計算基礎(chǔ)的。由此可得出對流受熱面的傳熱方程和熱平衡方程如下:

傳熱方程式

通過對流受熱面的傳統(tǒng)計算為

                     Qt=3600KF△t                      （14-58）

式中 Qt——經(jīng)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(nèi)工質(zhì)的傳熱系數(shù)（kW/（m2∙k））

F——某一對流受熱面的計算傳熱面積（m2）

△t——平均溫度（℃）

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(shù)；

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(jīng)放熱后的溫度tf2時，計算的關(guān)鍵在于確定傳熱系數(shù)K。

傳熱系數(shù)

對流受熱面的一側(cè)是煙氣，另側(cè)是工質(zhì) (空氣或燃氣)。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(shù)ξ來考慮灰污對傳熱的影響。

對空氣（或燃氣）預(yù)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(shù)ξ來考慮，它表示受熱面實際的傳熱系數(shù)K和無灰污并沖刷完全時的傳熱系數(shù)K’0的比值，即式中ξ——空氣（或燃氣）預(yù)熱器的利用系數(shù)；

α1——煙氣對管壁的放熱系數(shù)（kW/（m2∙k））；

α2——管壁對工質(zhì)的放熱系數(shù)（kW/（m2∙k））；

對于燃用氣體燃料的管式空氣預(yù)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(shù)α1是由對流放熱系數(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，為了計算傳熱系數(shù)K，必須確定煙氣對管壁的放熱系數(shù)α1和管壁對工質(zhì)的放熱α2等。下面將介紹各有關(guān)參數(shù)的確定方法。

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