管式炉设计手册

1管式加热炉2主要内容：第一节辐射基本概念第二节辐射换热计算第三节管式加热炉概述第四节燃料的燃烧第五节辐射室传热计算第六节对流室传热计算第七节炉管内压力降第八节烟囱设计3第1节热辐射的基本概念1.1基本概念1.2黑体辐射的基本定律1.3实际物体的热辐射1.4气体的辐射与吸收41.1基本概念1.1.1热辐射的特性1.1.2热辐射的吸收、反射和透过1.1.3黑体的定义1.1.4物体的辐射能力、辐射强度51.1.1辐射与热辐射：辐射定义：用电磁波传递能量的过程特点：①在传递过程中不需要任何介质；②任何物质，只要T＞０K，均可发生辐射；③辐射过程中可以产生能量形式的转换；微粒性：发射和吸收时－光子－光子能量E波动性：传播时－电磁波－波长λ或频率υ特性：E=hνλ=C/ν产生热效应的辐射为热辐射6电磁辐射波谱：辐射线名称宇宙射线伽马射线伦琴射线紫外线可见光红外线无线电波波长/μm＜1×10-71×10-７～1×10-51×10-5～2×10-22×10-2～0.380.38～0.760.76～1×1031×103～2×1010热射线注：固体、液体的光谱连续；气体光谱不连续产生热效应781.1.2热辐射的吸收、反射和透过Q=Qα+Qρ+Qτ或Qα/Q+Qρ/Q+Qτ/Q=11⒈吸收率α、反射率ρ和透过率τ定义：α=Qα/Q吸收率ρ=Qρ/Q反射率τ=Qτ/Q透过率9⒉说明：⑶α、ρ不是表面性质，与投入辐射有关如玻璃，对可见光α→0，对红外线α→1⑵镜反射与漫反射概念⑴ρ=1，α=τ=0：全反射体，又称绝对白体或镜体如理想的金属镜面；τ=1，α=ρ=0：透明体，如空气；α=1，ρ=τ=0：黑体101.1.3黑体的定义：黑表面：能全部吸收投射到它表面上的热辐射的表面黑体：具有黑表面的物体，称为绝对黑体，或简称黑体，用下标“0”表示说明：①自然界中并不存在真正的绝对黑体；②黑体模型：111.1.4物体的辐射能力、辐射强度：⒈物体的辐射能力E：定义：物体单位表面积、单位时间向半球空间所有方向发射的全部波长（λ=0～∞）的总辐射能，又称半球辐射能力、自身辐射dAdQdE2W·m-2说明：①E与表面的性质、温度有关：T↑→E↑；②相同的温度下，黑体的辐射能力最大。③波长λ∈0～∞121.1.4物体的辐射能力、辐射强度：⒉单色辐射能力Eλ：定义：物体在λ至λ+Δλ的波段内的辐射能力W·m-3说明：①Eλ反映了物体的辐射能力随λ（0~∞）的分布情况：ddEEE0lim②Eλ≠E０λ，Eλ＝f（波长，T）0dEE13⒊立体角和辐射强度：立体角：以物体表面上的一点对辐射面所张开的角度辐射强度：物体单位表面积、单位时间内向空间单位立体角所发射的全部波长的辐射能W/(m2·sr)说明：①dω－物体向给定方向发射能量所占据的立体角，sr（球面度）；②E与I的关系为：ddEddAdQdI320IdE1.1.4辐射能力、单色辐射能力、辐射强度：141.2黑体辐射的基本定律1.2.1普朗克（Planck）定律－黑体辐射能力按波长的分布规律1.2.2斯蒂芬-波尔兹曼（Stefan-Boltzman）定律－黑体辐射能力与温度的关系1.2.3兰贝特（Lambert）定律－黑体辐射能力随角度的分布规律151.2.1普朗克（Planck）定律：黑体的单色辐射能力与波长及温度的定量关系：1/5102TCeCE式中：λ－黑体辐射的波长，m；T－黑体的绝对温度，K；C1、C2－普朗克常数，C1=3.743×10-16W·m2；C2=1.4387×10-2m·K；E0λ－黑体的单色辐射能力，W·m-2。16①黑体的E0λ与表面形状无关，E0λ=f(λ,T)；②如图：当λ→0或λ→∞时，Eoλ→0；同一波长下，T↑→E0λ↑；讨论17③在全部波长范围内单色辐射能力有且只有一个最大值：0ddEo微分，令：----维恩（Wien）位移定律黑体单色辐射能力的最大值随着其温度的升高向波长较短的方向移动可凭借火焰的颜色来判断火焰的温度：太阳表面：T≈6000K，0.5μm可见光范围；工业温度（约2000℃）集中在λ=0.8～10μm的红外线波段内。讨论温度℃70090011001400火焰颜色暗红樱桃红橙黄白色炽热体32.910mTmK181.2.2斯蒂芬－波尔兹曼（Stefan-Boltzman）定律：黑体的全波长辐射能力：deCdEETC1/5100002积分后：40400100TCTE式中：σ0=5.67×10-8W/(m2·K4)－黑体辐射常数，C0=5.67故：E0∝T４，高温时不能忽略辐射传热。191.2.3兰贝特定律—余弦定律：黑体表面向它上面的半球空间不同方向上的辐射能量与法线方向上的辐射能量的关系内容：cos00nIII0n—黑体的微元面积dA在法线方向上的辐射强度，W·m-2·sr-1；Φ—给定方向与法线方向的夹角，rad20①兰贝特定律又称余弦定律；②当φ=0时，Iφ=0=I0n，辐射强度最大；当φ=90º时，Iφ=90º=0；③I0和E0的关系：nnIddIE0202000cossin说明2000EId222sin=2sin2dadaRdRddddRRR上式说明：E0为Ion的π倍；图7-421④遵循兰贝特定律的表面称兰贝特表面（即漫反射面），黑体表面就是一个兰贝特表面⑤以上三个定律只适用于黑体。221.3实际物体的热辐射1.3.1实际物体与黑体的区别与联系1.3.2克希霍夫（Kirchhoff）定律1.3.3灰体231.3.1实际物体与黑体的区别与联系⒈实际物体的辐射能力不服从斯蒂芬－波尔兹曼定律定义：ε=E/E0，黑度，发射率说明：①ε与表面性质（温度、形状）有关；②ε恒小于1。241.3.1实际物体与黑体的区别与联系⒉实际物体的单色辐射能力随温度和波长的变化不符合普朗克定律引入物体的单色黑度：ελ=Eλ/E0λ，又称单色发射能力①ελ＝f（T,λ，物体表面性质）；②ελ小于1，黑体单色辐射能力最大。251.3.1实际物体与黑体的区别与联系⒊对投入辐射的吸收率α1定义α=Qα/Q吸收率说明：①α∈(0，1)，黑体α最大；②α不是物体本身的性质，α＝f（表面性质、温度、投入辐射的波长及角度）。261.3.1实际物体与黑体的区别与联系⒋对投入辐射的单色吸收率αλ1定义：：αλ=Qαλ/Qλ单色吸收率说明：①αλ∈(0，1)；②αλ为物体本身性质；与投入辐射无关③定义αλ与波长无关，αλ＝α的物体为灰体27假定该物体和包壳处于热平衡状态，则：qe=qα或由T1=T2，则E0λ,1=E0λ,2，带入上式有：ελ=αλ1.3.2克希霍夫（Kirchhoff）定律内容：假设一个温度为T1的物体，在一个温度为T2的黑体包壳内，则无论T1和T2是否相等，该物体表面的单色黑度等于它的单色吸收率，即：证明：由该物体发射的辐射为：被该物体吸收的辐射为：dEq20dEdE2010dEqe10ελ=αλ281.3.2克希霍夫（Kirchhoff）定律说明：①对于许多物质，人们发现αλ（或ελ）与投射辐射的情况无关，即与投射温度T2无关。故：无论T1和T2是否相等，均有ελ=αλ；②由ελ、αλ，则：4101,00TdEEE4202,0TdE热平衡时：T1=T2，故α=ε；③对于灰体：α=αλ=ελ=εαλ，ελ为表面本身的性质，与投射辐射无关291.3.3灰体⒈灰体定义：假如某种物体的单色辐射能力Eλ与同一温度下绝对黑体的单色辐射能力E0λ之比等于常数，即在所有波长下物体的单色黑度ελ等于常数，这种物体叫做灰体灰体也是一种理想模型⒉讨论：①灰体是一个物理模型，符合灰体模型的表面叫做灰表面，灰表面符合兰贝特（Lambert）定律；②由其定义及克希霍夫定律，对灰表面，有：α=αλ=ελ=ε=常数推导：dEdEdEdEdEdEEE0000000301.3.3灰体④一般工业温度范围(T＜2000℃)内，一般固、液态物体均可认为是灰体（气体除外），于是：③灰体的λ-Eλ曲线与黑体的λ-Eλ曲线相似，二者在同一温度下的最大单色辐射能力都位于同一λm处；400TEE⑤黑体是灰体的特例：α=αλ=ελ=ε=1⒉讨论：例题7-1311.4气体辐射与吸收的特点:⒈不同气体具有不同的辐射能力单原子和分子结构对称的双原子气体，如惰性气体和氢、氮、氧等，不具有吸收热辐射的能力，可看作透明体。而三原子，多原子气体以及结构不对称的双原子分子，如CO2、H2O、SO2、CO、CH2，烃类和醇类等，则有相当大的辐射能力和吸收能力。321.4.1气体辐射与吸收的特点:⒉气体辐射对波长有选择性气体只在某些特定的波段－光带内具有吸收能力。烟气中的CO2和H2O主要光带如下：这些光带均位于可见光范围之外，所以即使在高温下气态的CO2和H2O也不能被人眼看见。CO2H2O第一光带2.65-2.80μm2.55-2.84μm第二光带4.15-4.45μm5.6-7.6μm第三光带13.0-17.0μm12.0-30.0μm331.4.1气体辐射与吸收的特点:⒊气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的气体的辐射和吸收与气体的形状和体积有关。气体的辐射和吸收取决于气层厚度、气体的温度和分压。定义平均辐射长度L=3.5V/A，又称有效气层厚度.),(),,(mmLPTfPLTfV——气体体积m3A——包围气体表面的面积m2表7-3341.4.1气体辐射与吸收的特点:⒋气体是典型的非灰体物质只有当气体温度和固体壁温度相同时气体的黑度和吸收率才会相等，若温度不相等，就不存在这种关系。同样普朗克定律定律和斯蒂芬－波尔兹曼定律也不能成立。35第2节辐射换热计算2.1角系数2.2黑体间的直接辐射换热2.3有效辐射、灰体间的辐射换热2.4气体与外壳间的辐射换热2.5设备热损失的计算362.1角系数2.1.1角系数的定义2.1.2角系数的性质2.1.3几种简单情况下的角系数372.1.1角系数的定义定义：表面A1在空间所有的方向上发射的总能量，直接到达另一表面A2的分率，叫做表面1对表面2的角系数，ф122212211112coscos1AAdAdArA382.1.1角系数的定义①ф12是能量分率，无单位；②ф12表示表面1对表面2的角系数，1辐射面，2接受面；③角系数为几何性质，与表面的大小，相对位置及形状有关，与表面的T及ε无关讨论：392.1.2角系数的性质1.互换性（相对性）：对任意两表面i，j（面积分别为Ai，Aj）,均有：jijijiAA证明：表面1的总辐射能力为：A1E01表面1发射的被表面2吸收的能量为：1201121EAQ同理：表面2发射的被表面1吸收的能量为：2102212EAQ故两表面间交换的热量为：210221201112EAEAQ显然，如果两黑表面温度相等（热平衡），T1=T2，则E01=E02，Q12=0，有：212121AA2212211112coscos1AAdAdArA402.1.2角系数的性质2.可加性：若表面K=K1+K2+K3，则：3211111KKKK但：1111321KKKK仅适用于对吸收表面进行分割412.1.2角系数的性质3.归一性（完整性）：如果由n个表面组成一个封闭体系，则其中任意表面i对其它表面的角系数之和为1即：1.......21inii1ij或：422.1.3几种简单情况下的角系数⒈两无限接近平面：0221112112⒉一物包一物：0111122121221112AAAA432.