炼焦炉的传热

炼焦炉的传热第十章炼焦炉的传热第一节焦炉内传热第二节炉墙和煤料的传热第三节蓄热室传热炼焦炉的传热第一节焦炉内传热焦炉火道中火焰和热废气的热量通过对流和辐射向炉墙传递，废气温度最高达1400～1600˚C，焦炉煤气燃烧过程中因热解而产生的高温游离碳有强烈的辐射能力，故辐射传热量占90%～95%。火道中气流速度较慢，故对流传热量仅占5%～10%。一、对流传热稳定对流传热量可用牛顿冷却定律计算：，kJ/h(10-1)式中——单位时间内热废气向炉墙的平均对流传热量，kJ/h；——对流给热系数，kJ/（m2·h·℃）；、——废气和炉墙表面的平均温度，℃；——传热面积，m2。AttQ墙气对对对Q对气t墙tA炼焦炉的传热火道中气体流动包括强制对流和热浮力引起的自然对流，其对流给热系数，可分别按以下关系计算。强制湍流：（10-2）强制层流：（10-3）自然对流：（10-4）式中——火道的水力直径，m；——废气的热导率，kJ/（m·hr·℃）；Re——废气的雷诺准数；——废气的普兰特准数；33.08.0Re023.0prNud对33.0Re2prNu25.059.0prGrNudpr炼焦炉的传热——废气的格拉斯霍夫准数；——废气比热容，kJ/（m3·℃）；——废气黏度，N·s/m2；——废气与墙面的温差，℃；——废气热膨胀系数，℃-1。将式（10-2），（10-3），（10-4）代入式（10-1）得湍流时（10-5）层流时（10-6）GrctFttprGrprdQ墙气25.033.08.0对59.0Re023.0FttprGrprdQ墙气25.033.059.0Re2对223tdg炼焦炉的传热近似计算时，可按以下气体在粗糙砖通道内流过时的计算式计算。，kJ/（m2·h·℃）（10-7）式中——通道内气体在标准状态下的流速，m/s；——通道内气体平均温度，K。二、辐射传热1．气体辐射的一般计算焦炉火道中热废气向炉墙的传热属于气体向包围住它的固体表面间的辐射热交换过程。由传热学已知，气体被当作灰体时，它的辐射能力服从斯蒂芬一波尔茨曼定律。25.0333.08.0027355.12）（平均对Tdw0w平均T炼焦炉的传热，W/m2（10-8）式中——绝对黑体的辐射能力，W/m2；——气体的黑度；5.76——绝对黑体的辐射常数，W/（m2·K4）。是辐射气体分压、气层厚度和温度的函数，即。焦炉废气中的主要辐射成分为CO2和H2O，它们的黑度和可由图10-1和10-2查取。图中表示0.1MP的总压下，CO2和H2O气的黑度与及的关系。单位为MPa，单位为m。由于分压对水汽黑度的影响要比的影响大些，所以计算时，由图10-2查出的还要乘上由图10-3查出的、和分压有关的校正系数，即为。405.76100TEE气气气气0E气气tPLf气2COOH2PLtPLOH2PLOH2OH2POH2炼焦炉的传热图10-1CO2黑度曲线图炼焦炉的传热当气体中同时含有CO2和时，混合气体的黑度为：（10-9）式中是CO2和H2O气的辐射波长部分重合，辐射能相互吸收而减小的校正值。一般废气中该值不大，仅0.02～0.04，可忽略不计，只在精确计算或值很大时才考虑，可从有关资料查取。OHco气22ε汽OH2LPPOHco22图10-2H2O黑度曲线图图10-3H2O黑度校正系数图炼焦炉的传热气层有效厚度决定于气体的体积和形状，当气体与包围着它的固体表面进行辐射热交换时，可按下式计算（10-10）式中——充满辐射气体的容器体积，m3；——包围气体的全部器壁面积，m2；——气体辐射有效系数。说明气体辐射能经过气体自身吸收后达到器壁的比值。它与待求的黑度及容器体积、形状有关，一般为0.85～1.0，对立方体或球体=0.9。FVL4VA炼焦炉的传热由于气体吸收与辐射的选择性，气体的吸收率不仅决定于气体的和，还决定于落入气体内辐射能的光谱。由于落入气体的辐射光谱来自包围住气体的固体外壳，因此这些辐射光谱取决于器壁的温度。据实验测定，CO2和H2O的吸收率ACO2和AH2O可按下列近似计算(10-11)(10-12)式中——按和由图10-1查取：——按和由图10-2查取。混合气体的吸收率，式中，一般可忽略不计。简化计算时，可按，只是此时值根据和查取。LPt固t2220.65COCOCOTAT固2220.45HOHOHOTAT固2coOH222coCOTTLP固固tOHOH22TTLP固固t炼焦炉的传热2．焦炉火道内的气体辐射气体与包围住它的固体壁面间的辐射热交换可运用有效辐射概念，采用辐射热交换的一般方程式导出。图10-4炉墙的有效辐射炼焦炉的传热（1）炉墙的有效辐射如图10-4，焦炉炉墙的温度为、黑度为、吸收率为，当炉墙与火道内焰气进行辐射热交换时，它的辐射能力为，焰气射到炉墙表而上的辐射能力为，被其吸收了，余下部分（）又反射到焰气中去，因此由炉墙表面射出的总辐射能为+（），称为该表面的有效辐射，即=+（）（1）由炉墙表面射出的与焰气射入的之差称净辐射能，即（2）或代入式（1）得=+（－）（）整理后得：（3）固T固固A发EE固AEE固A1发EE固A1有E有E发EE固A1有EE净qEEq有净净有qEE有E发E有E净q固A1净固固发有qAAEE11炼焦炉的传热由斯蒂芬波一尔曼定律知物体的辐射能力为：，W/m2（4）将式（4）代入式（3）得：，W/m2（5）此式为导出各种辐射热交换的基本公式。（2）火道内焰气的有效辐射热与上述类同，可导出焰气的有效辐射。，W/m2（6）式中——焰气的净辐射能。4发10076.5固固TE净固固固固有qATAE1110076.54净有qATAE1110076.5气4气气气净q炼焦炉的传热（3）火道内焰气对固体壁面的辐射换热气体与包围住它的墙面辐射换热时，角度系数为1，即认为全部落在焰气中，全部落在炉墙表面上，故净辐射能为：；即则由焰气向炉墙的辐射换热量为：（7）将式（5）、（6）代入式（7）得：有有净EEq有有净EEq净净qq有有EEqqq净净21110010076.51110076.51110076.5气44气气净4气4气气固固固固气固固固固净气AAqTATAqATAqATAq炼焦炉的传热对一般固体，由克希霍夫定律知，因此上式整理得：，W/m2（10-13）式（10-13）适用于焦炉火道内热废气对炉墙的辐射传热计算。[例10-1]某焦炉火道的平均断面为0.493×0.350㎡，火道高3.7m，废气中CO2为23.28%，水汽为4.24%，废气平均温度1500℃，火道侧墙面平均温度1300℃，废气量为0.032m3/s，计算废气对炉墙的传热量。（1）对流传热量的计算：火道水力直径m44气气气10010011176.5固固固TTAAq409.0350.0493.02350.0493.04d固固A炼焦炉的传热火道内废气流速m/s对流给热系数=7.02，kJ/（m2·h·℃）=1.95W/(㎡·℃)对流传热量W/㎡（2）辐射传热量：气层厚度为：m由于火道内气体吸力很小，气体总压可按0.1MPa，计，则MPa·m=00.0815105Pa·mMPa·m=00.0815105Pa·m186.0350.0493.0032.0025.0333.08.02731500273409.0186.055.12对3901300150095.1对q辐q35.07.3493.07.3350.0350.0493.027.3350.0493.049.04AVL00815.01.035.02328.02coLP00148.01.035.00424.0OH2LP炼焦炉的传热由图10-1查得：=1500℃时，=0.065=1300℃时，=0.076由图10-2查得：=1500℃时，=0.013=1300℃时，=0.017由图10-3查得，故，表面粗糙的硅砖，其黑度自有关资料查得。由上述数据按式（10-13）可计算得：W/㎡计算表明》气t2co固t2coA气tOH2固tOH2A078.0013.0065.0气093.0017.0076.0气A1134010015002731001500273093.0078.018.01093.0176.54辐q辐q对q炼焦炉的传热同时存在对流和辐射传热时，为计算方便，可以辐射传热形式表达辐射热交换，即=()，W/㎡，但只是便于计算及与对流传热比较而引入，并不反映辐射现象本质。CO2和H2O汽的已制成图10-5，10-6供查取。图10-5CO2辐射传热系数图10-6H2O辐射传热系数固tt气辐q辐辐辐辐炼焦炉的传热第二节炉墙和煤料的传热一、稳定热传导及其基本方程式1．热传导的基本方程式——傅立叶定律此定律是用以说明在确定物体各点间存在温度差时，因热传导而产生热流大小变化的定律。为了说明问题，设想在物体中存在着两个彼此平行的平面，它们的温度在整个平面上是均匀分布的并分别为t和t+dt，如图10-7。平面的面积为F，彼此间的距离为dn，根据傅立叶定律：单位时间内通过给定面积的热量与导热方向的截面积及温度梯度成正比。用算式表示为每小时通过面积F的热量为：，W（10-14）ntFQdddd炼焦炉的传热图10-7傅立叶定律的说明图10-8单层平壁式中——导热系数，W/（m·℃）；F——传热面积，m2；τ——时间，h。式中负号表示热量传递方向与温度梯度的方向相反。炼焦炉的传热2．平壁稳定热传导下面讨论热传导中最简单的平壁稳定热传导。当稳定热传导中，单位时间内传热量（不随时间而变）为定值，则式（10-14）中的可以用Q代之。若为单层传热，则垂直于热流的面积F不随时间而变，平壁厚为，已知平壁的两个表面分别维持均匀而一定的温度t1和t2，取坐标轴如图10-8。则给定的边界条件是：n=0，t=t1，n=，t=t2。温度只沿与表面垂直的n的方向发生变化，因此温度场是单向一度的。假设材料的导热系数是常数，以壁内两个等温面化定一个厚度为dn的微元层，根据导热基本定律，对这个薄层分离变数后即得：ddQnFQtddFntQdd炼焦炉的传热按上述的边界条件积分上式得：（10-15）此式为单层平壁稳定热传导的基本方程式。二、焦炉内的热传导通过燃烧室墙传给煤料的热量，可按单层平壁稳定热传导方程（付立叶定律）近似计算。，W（10-16）式中——炉墙导热系数（硅砖和黏土砖的如表10-1），W/m·℃；——炉墙厚度，m；——炉墙面积，m2；、——火道侧和炭化室侧炉墙的平均温度。)(21ttFQ21ttFQF1t2t炼焦炉的传热[例10-2]某焦炉立火道侧炉墙温度（平均）为1100℃，炭化室侧炉墙温度为950℃，黏土砖炉墙厚度=0.09m，试计算每m2炉墙1小时的传热量。解：由表10-1查得：黏土砖的导热系数=1.28炼焦炉的传热则传热量：==2133.3W/m2如炭化室墙改成硅砖，硅砖的导热系数=1.88则传热量：==3133.3W/m2即传热速度为黏土砖的=1.47倍显然，