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第29卷第5期
UTILITY公用工程77

管式加热炉辐射室对流传热计算的研究

张津1郭晓艳2董君1

1.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川成都610017
2.中国石油大学（华东），山东青岛266555

摘要：
对圆筒式管式加热炉辐射室内的对流传热部分进行了数值模拟。采用了一种射流模型，把辐射
室按烟气流动的不同情况分为质量不变区、射流区和回流区，用不同的边界条件限定，分别对这三
个区进行了数学描述，用VB语言编程实现了计算过程。选用一个常压炉作为实例，对辐射室的炉
管外壁温度进行了模拟计算，计算过程中，辐射传热部分采用了蒙特-卡罗方法。综合考虑了辐射传
热和对流传热计算得到的炉管外壁温度分布，与仅考虑辐射传热所得的炉管外壁温度进行了比较，
前者与理论推断更加吻合。
关键词：
加热炉；辐射室；对流传热；射流模型
文献标识码：A
文章编号：1006-5539（2011）05-0077-04

0前言在以往的研究中对辐射传热的计算关注较多［4］，比如
管式加热炉是一种大能耗的设备，在炼油厂和石区域法、蒙特-卡罗法［5］、热通量法等，而对对流传热考
油化工厂具有非常重要的地位。随着炼油厂和化工厂虑的较少。但实际上以对流传热所传递的热量也应是
的大型化，开发了大处理量的管式炉，因而也不断发加热炉计算的重要部分。
展了管式炉的计算方法。特别是计算机和计算技术的因此本研究主要是开发了一种射流模型对对流
迅速发展，以及辐射传热、湍流传热、流体流动、相平传热进行模拟计算，结合辐射传热的计算，得到了炉
衡和化学反应动力学等学科的进步与数值计算方面膛内的温度分布和管壁热强度分布。
的结合［1~3］，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。1管外对流传热计算的模型开发
但若设计和操作不当而使炉温局部过高，就会发生结1.1物理模型
焦、炉管烧穿、炉衬烧塌等事故。局部温度过低，则管在炉膛内主要存在两股气流，从火嘴喷出的射流
内流体达不到工艺要术，因此管式炉炉膛的传热计算和返向火嘴的回流。由于射流温度较高，决定着辐射
是一个关键问题。放热；回流温度较低，起着与管壁对流传热的作用。
在管式加热炉炉膛内的传热，以辐射传热为主，根据文献介绍［6］，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（S2010-36C）
作者简介：
张津（1972-），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。
天然气与石油
2011年10月
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它接近自由射流。可以认为限制射流只是一个质量不
wgi′=Gi′／Fhi′（4）
变核心把射流量的增加和减少看作只是与循环气流
，式中截面上的引射流回流的平均质量流
wgi′———i′（）
的合并与分离，这核心与器壁之间是循环区。质量不
速，kg/m2·s；
变核心可被视为稳定流动循环烟气分子的流线是无
，截面上的引射量或回流量
Gi′———i′，kg/s；
数闭合曲线根据质量守恒原理单位时间通过任意
。，截面上的引射流或回流的面积2
Fhi′———i′，m。
截面的回流量与被引射的烟气量完全相等。
1.3研究方法
在对炉膛空间进行分区时，据烟气流动情况，在
为了和辐射传热计算很好地结合在一起，把整个
径向上将烟气分为三个区：质量不变核心区、射流区
炉膛体积分成若干个小的气体块，以圆筒炉底面的中
和回流区，见图1。
心为坐标原点建立柱坐标系（r，φ，z），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
Δznz，
按增量将气体区及炉膛底面等分为份并以相
ΔRnr，
同角度沿周向将气体区及侧壁面底面等分为
Δφ、nφ
份，见图2。

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：

rzi=L·itanR+roe（1）
式中R———炉膛半径，m；
质量不变核心区的半径
rzi———，m；图2气体分区图
限制射流质量不变核心到达截面的行
Li———i
程，m；2计算实例
当量喷口半径
roe———，m。选用VisualBasic编程语言，编写了对流传热计
射流区和回流区的边界可由式（2）求得：算的程序并结合以前完成的辐射传热计算，选用了一
220.5
rhi=［（R+rzi）／2］（2）个实际加热炉的有关数据做了模拟计算。
式中射流与回流的边界半径
rhi———，m；表1～4是炉膛中温度分布的部分数据，这里对辐
R———炉膛半径，m。射传热计算值和辐射对流联合计算值进行了对比，所
1.2.2烟气流速的计算举例的四组数据分别取自第3、