2.4 火焰炉内热过程分析——炉内传热在线视频

接下来我们学习一下

火焰炉内传热

在火焰炉炉膛内

燃料和助燃空气发生化学反应

释放大量的热量

形成高温的火焰和烟气

高温的炉气通过辐射 对流方式

将热量传递给炉内待加热的

物料或工件

使其温度升高

火焰炉的传热机理是相当复杂的

参与传热过程的主要有三种物质

高温的炉气 炉壁和被加热的工件

或物料

它们三者之间互相进行辐射热交换

同时 炉气还以对流换热的方式

向炉壁和工件传热

炉壁又将热辐射给工件（或物料）

炉壁在其中起到一个中间物

的作用

此外 炉壁又通过导热

损失一部分热量

对于炉内复杂的传热过程

进行一些必要的假设后

我们可以得到一个

用于均匀温度场内辐射换热的

计算公式

在得到这个公式之前

先假设一些条件

主要有这些：

第一 炉膛是一个封闭的体系

第二 炉气 炉壁 工件（或物料）的

各自温度都是均匀的

三 发射辐射和投入辐射是均匀的

炉气对辐射的吸收率

在任何方向上是一样的

第四 炉气的吸收率

等于其发射率 也就是黑度

炉壁和工件

也就是说物料的黑度为常数

第五 金属布满炉底

其表面不能自见

六 炉壁内表面不吸收辐射热

即投射到该表面的辐射

全部返回炉膛 绝热面

也就是说炉壁是绝热面

炉壁导热损失等于炉气对流

传递着炉壁热量

根据上述假设

我们来考察一下

炉膛内热交换的机理

如图所示

我们用符号E T ε A

分别代表辐射能力 温度

黑度 换热面积

角标g w m 分别代表炉气

炉壁和工件（或物料）

φ为炉壁对工件或者物料的角系数

这个φ就等于Am除以Aw

Qw Qm分别代表炉壁和工件

（或物料）的有效辐射

Qm代表工件净获得的辐射热

由此可知

投射到炉壁上的热量有三部分

炉气的辐射 EgAw

工件（或物料）的有效辐射Qm（1-εg）

炉壁的有效辐射投射到自身的

Qw（1-εg）（1-φ）

由于炉壁不吸收热辐射

故炉壁的差额热流等于0

也就是说

炉壁的有效辐射Qw等于

投射到炉壁上的热量 即

Qw=EgAw+Qm（1-εg）

加上Qm（1-εg）（1-φ）

这我们称为方程a

工件或物料表面的有效辐射Qm

包括三部分

工件（或物料）本身的辐射EmAm

工件或物料对炉气辐射的反射

EgAm（1-εm）

炉壁有效辐射的反射

Qwφ（1-εg）（1-εm）

也就是Qm等于EmAm

加上EgAm（1-εm）+Qwφ

（1-εg）（1-εm）

这个方程我们称为方程b

我们联立方程a和b 消除Qm

并由φAw=Am可得

Qm这个方程c

如果将方程c代入工件的

有效辐射公式

Qm等于1/εm-1乘以Q

加上EmAm除以εm

经整理并代入Eg

等于εgC0括号Tg除以100的四次方

Em等于εmC0括号Tm除以100的

四次方

可得到金属净获得的辐射热

Q就等于Cgwm乘以Tg除以100的

四次方减去Tm除以100的四次方

再乘以Am

单位为瓦 此为方程d

其中 Cgwm我们称为

导来辐射系数

方程d就为炉膛内均匀温度场时的

辐射换热公式

可用于计算以辐射方式

传给工件或物料的热量

下面讨论一下炉衬

在炉膛传热中的作用

火焰炉炉衬是由耐火材料

砌筑而成

由于耐火材料导热系数小

相较于导热系数大的工件

尤其是金属

两者的表面黑度相近

炉衬一般是固定不动的

而被加热的工件或物料

则有进有出

这些特点使得一般情况下

炉衬表面温度比被加热工件

或物料的表面温度要高

如前所述

当炉衬绝热良好时

对于稳定工作的炉子

可以认为炉衬表面温度

不随时间发生变化

此时有qgw等于qwm

即炉衬表面从炉气中获得的

辐射热流

等于炉衬表面辐射给工件

（或物料）的辐射热流

炉衬表面相当于反射率为1的表面

在炉膛换热过程中

仅起到中间媒介的作用

炉衬对炉内传热的影响

主要体现在三个方面

一 炉围伸展度

二 炉衬表面黑度

三 炉衬温度

我们下面逐一进行分析

首先 看一下炉围伸展度

对传热的影响

炉围伸展度定义为

炉壁表面积与待加热工件

（或物料）的表面积的比值

其相当于炉壁对工件（或物料）的

角系数的倒数

由此 可获得炉气和炉壁

对工件（或物料）的导来辐射系数

用炉围伸展度的表达式

将该式用图形表达就为右图所示

可见 随着炉围伸展度的增加

导来辐射系数增加

工件（或物料）净获得的辐射热量增加

因此

我们可以通过增加炉围伸展度ω

使得工件（或物料）在炉膛内

单位时间内获得的辐射热量Q增加

怎样增加呢

主要有两种方法

一种是通过增加炉膛高度

和宽度的方式

增加炉膛内表面

但此种方式增加了炉子的建设费用

使得炉衬的散热损失增加

另外 可能使得炉气不能充满炉膛

临近工件或物料处被冷气所占据

从而恶化了传热

第二种方法

是不改变炉膛高度或宽度的情况下

增设炉衬内表面突起

但这样会使得炉衬上的积灰增加

在增加炉围伸展度时

要综合考虑各种情况

择优进行设计

接着 我看一下炉衬表面黑度ε

对传热的影响

如图所示

为炉衬黑度以工件或物料获得的

净热流间的关系

可知随着炉衬黑度ε的增加

工件或物料单位面积上

获得的净辐射热流量Q增加了

最后 看一下炉衬温度t

对传热的影响

以工件（或物料）表面为研究对象

其所获得的净辐射热流为

qAm等于qgmAm加上qw

（1-εg）φAw-qmAm

其中 炉壁的有效辐射qw

与炉壁的温度Tw密切相关

且Tw越大 qw越大

综合上式可知

炉壁温度越高

工件或物料单位面积的净辐射

换热量q也多

炉气和火焰以一定速度在炉内流动

因此 在进行辐射传热的同时

还以对流的方式

向金属表面进行传热

在温度大于1000度的高温炉内

一般炉气的流动流速

在1到3米每秒

此时

对流传热量远小于辐射传热量

对流传热量仅占总传热量5%至10%

在温度小于650度的低温炉内

辐射换热量

按温度四次方的比例锐减

此时 对流传热量

成为主要的传热方式

近年来 随着高速烧嘴的广泛应用

可使得高温气体

以100到300米每秒的速度

直接喷射在工件或物料表面

由于高速射流的射击作用

大大提高了对流换热系数

从而 大幅度提高了对流传热量

一般辐射温压低得多

对流多于辐射

这种加热方式称为射流冲击加热

对流换热量的比例

可增加至50%到70%

由对流换热计算式可知

对流传热量正比对流传热系数

影响对流传热系数的因素有很多

如炉气的流速

炉气的导热系数 粘度 比热

密度等物性

炉气与工件（或物料）表面的温度

工件（或物料）的形状 尺寸等

获得对流传热系数的方法

主要有三种

分别是理论解析法 数值模拟法

和相似原理指导下的实验法

具体的研究步骤可参考传热学

相关章节

这里不作赘述

当炉内金属水平排列时

其对流传热系数及热交换量

可以近似地使用气体掠过平板时的

对流换热公式

Qc等于5.7乘以（1+0.55ρv）

（tg-tm）Am

式中ρ为炉气密度 v为炉气速度

tg tm分别为炉气和物料的温度

对于比较复杂的情况

在实际应用中

可通过下列方法解决

一 对流不大时

可在辐射传热量的基础上

乘以系数放大

如乘以1.05

第二 要详细考虑对流换热量时

可通过图表查找相近换热关系

来确定

三 通过数值方法

建立详细的物理和数学模型

进行分析

比如CFD软件等

以上就是今天的内容

谢谢大家