4.火焰炉内热过程分析 4.1概述 火焰炉： 炉料（被加热对象、物料） 火焰、炉气（燃烧产物） 炉料（被加热对象、物料） 炉衬〔炉（内）墙〕 炉墙积热 炉（外）墙散热 火焰炉内热过程：①气体流动＋燃料燃烧＋传热过程＋传质过程 ②物理过程（主要）＋物理化学过程 ③以传热为中心（目的） 火焰炉内热过程分析：①定性物理描述（物理本质是什么？） ②定量的数学描述 不等温空间流动 （相互影响） 热流场 空间温度场 炉衬为主要边界条件 （耦合） 流体力学 基础理论 燃烧学 炉子理论 传热学 传质学 特殊规律＋耦合作用 4.2炉内气体运动及再循环 气体射流运动 炉膛内气体运动 气体回流运动 气体射流运动研究： 传统研究方法（实验研究方法） ∵炉膛内气体射流 ≈ 紊流射流 又∵紊流自由射流具有相似性 ∴ 实验路径 冷流体自由射流 冷流体限制射流 冷流体半限制射流 冷热流体射流差别 模型实验理论（相似理论） 数学模拟方法（数值计算方法）： 分析 简化 模拟 典型化 计算 射流的研究情况（自由作业，影响平时成绩）： 查阅有关书目、资料，说明前人从那些角度研究射流？研究了那些射流形态？ 气体回流运动研究： 内部再循环（自然再循环） 结构作用 气体再循环的方式 外部再循环（结构再循环） 设备作用 钝体再循环 再循环现象示意图：  气体再循环的流动特征（图）  气体再循环指标：再循环率，再循环倍率    缩短火焰，减少火焰中小碳粒的浓度，提高火焰温度 炉气再循环对燃烧的影响 延长火焰，增加火焰中小碳粒的浓度， 降低火焰温度 影响参数： 火焰根部的温度T 可燃混合物中氧的浓度 几何特征 4.3火焰的基本特征 析热特征（吸热规律） 辐射特征 火焰（火炬）定义：炽热的正在燃烧的气流流股。 特点：①温度比周围炉气高。 ②有明亮轮廓的外形。 ③是炉气的一部分。 工程计算处理方法：①分别研究火焰和炉气的作用。 ②将火焰和炉气作为具有某种平均温度的炉气。 火焰的张角 火焰的几何特征 火焰的形状 火焰的长度  张角：由几个关系来说明： α（冷等温自由射流）＜α（实际火焰） α（无旋射流） ＜α（旋流火焰） 形状（由边界面确定）：流速和空气消耗系数 枣核状和空心截头锥状 可见火焰长度（肉眼观察）（定义之一：不完全燃烧程度qh＝1%－2%处） 长度：三种指标 火焰的化学当量长度Lst（轴线上空气消耗系数n＝1时的位置） 实际火焰长度Lf 火焰的析热特征（析热规律） 析热规律之一： _____离烧嘴出口x处燃料不完全燃烧百分数； 在火焰开始端燃料不完全燃烧的热量占燃料化学热的百分数； ――火焰长度（即燃烧带长度，从喷嘴出口至＝0处的长度）； P－－指数，代表燃烧速度的特性，P值越大表明燃烧进行得愈快。  析热规律之二：  ――燃尽程度  x――沿火焰轴线的距离m a――经验数据  b――当时，b＝1；当时，b＝2 火焰的发射率（黑度） 火焰的辐射特征 火焰温度 火焰的辐射热流密度 火焰的发射率（黑度） 提高火焰发射率的主要途径： 火焰增碳 （重油加入，碳氢化物含量↑ 热裂解 小炭粒浓度↑ε↑） 增加火焰中的小炭粒的浓度 ， 火焰自动增碳 焦炉煤气预热1100℃以上热裂解 小炭粒浓度↑ ε↑ 使火焰中局部空气不足热裂解 小炭粒浓度↑ ε↑ 火焰中增碳 辉焰 火焰中无炭粒 暗焰   火焰温度 重油机械雾化喷嘴火焰温度 平展旋流火焰温度     火焰的辐射热流密度：   关于热能与动力工程专业的服务面向： 《热能与动力工程基础> 翁史烈 主编 高等教育出版社37.7元 主要面向 具体设备 有关知识  锅炉与换热器  原理,工艺  叶轮式动力机械 蒸汽轮机;燃气轮机,压气机,泵与风机 原理,工艺  往复式动力机械 内燃机,压缩机 原理,工艺  制冷与空气调节  原理,工艺  热力发电技术 发电厂主要辅助设备 生产过程  工业炉热工设备 工业炉 原理,工艺   4.4炉内传热 4.4.1炉内辐射传热 炉气温度及炉温的概念 燃料的理论燃烧温度:  燃料的实际燃烧温度:  η=f (各种热量交换因素) 注：A η小于1 B 炉气向周围环境散热 炉膛热交换的复杂性： 炉顶 热电耦 炉 炉 墙 墙 讨论：①生产中，炉温指测温热电偶所反映的温度； 　　　②炉温是一个近似的概念，无确切定义（因测温位置改变而变化）； ③工程习惯：从炉顶或炉墙插入炉内１００－３００ｍｍ； ④炉温是所测炉子空间的温度场的某种平均值（时间的和空间的） ⑤炉气温度测量方法：抽气热电偶法 平均辐射温压 炉料获得的热量： 辐射温压：　　　 平均辐射温压：　 　　　　　　　　 两个例子： 例１：对稳定运行的连续加热炉　   　　　工业处理：端部供热连续式加热炉加热段的炉温平均值计算（完全燃烧，仅有热交换） 逆流式：　　　　　　　　　　　　　　　　 顺流式：　　　　　 联想：逆流＼顺流换热器对数平均温差的计算公式 例２：对温度均匀的室状炉，   受热物体表面温度均匀时，　 　　　　　　　　　　　　　　　炉围伸展度（）的作用 炉衬在炉膛传热中的作用　　 炉衬发射率εl的作用 炉衬温度的作用 炉衬常识： 　　　　◇材料 　　　　◇导热系数 　　　　◇热容量 　　　　◇发射率 　　　　◇表面温度 分析前提条件： 稳定工作的炉子，tl不变， 不变，且 间歇操作的炉子，tl变化，  炉衬积热 ※炉围伸展度（）的作用分析：     分析：◇ω↑　↑ 　　　◇↑ 时，ω↑　　（↑）↓ 　　　◇↓时，　ω↑　　（↑）↑ 　　　◇ω↑　炉气厚度↑　→↑，↑；炉气可能充不满炉膛，下层为冷气层，↓ 　　　◇结论一：炉膛高度要适当　 　　　◇结论二：炉膛高度不变，提高ω↑（凸起物→联想肋片的作用） 　　　　 ※炉衬发射率εl的作用 　　　　  　　分析：◇　　　　 对无影响 　　　　　◇　　　对无影响 　　　　　◇　　↑　↑　↓　→　对影响很小 　　　　　◇ 　　　　　◇↑　节能↑   ※炉衬温度的作用　 　　　　　　　　　　　l g m     分析：◇ ◇，↑　↑ ◇对影响不大 ◇特别小时，可特别低，无惰性炉． 炉气在炉膛中的传热分析  曲线ａ：均匀温度场；均匀辐射热交换 曲线ｂ：对称温度场；均匀辐射热交换 曲线c:　高温区下移温度场；直接定向辐射传热　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　定向辐射 曲线d:　高温区上移温度场；间接定向辐射传热 ※均匀温度场辐射传热  导出条件：　绝热面 应用：计算用于计算机控制 　　　 实测；实测；采用热电偶温度，反算 　　　　 ※定向辐射传热 　　直接定向辐射传热  　　　　 　　　　  　　　　 　　　　　　 　　　　 　说明： 定向辐射的由来 　　　　　　　↑　↑　　△ｑ↑ 　　　　　　　原因：较低温层的作用 　　　　间接定向辐射传热 　　　来自炉气的热量 炉衬　　炉衬温度升高 　　　　　　　　　炉衬对物料的辐射传热增加 　　　 炉气的三种辐射热交换方式的比较  4.4.2炉内对流传热 说明：①对流换热作用在不同类型的炉子中不同 炉子类型 主要传热方式 对流比例 说明  高温火焰炉 （＞1000℃） 辐射热交换 １０－１５％ 炉气速度 １－３ｍ／ｓ  低温炉 ＜650℃ 对流换热 ７０％以上   　　　②强化对流作用——高速射流加热技术（射流冲击加热）  　　　适用范围：内部热阻小的材料（小尺寸或导热性能好） 　　　优点：炉衬温度可低一点；炉膛可低一点；炉子惰性小一点 　　　③可利用各种经验公式或实验关联式计算, 加热炉中的 比计算结果要大一点. 4.5火焰加热炉数学模型 模型的类型 模型以炉气的温度场状态作为划分标准: 数学模型 零维模型 一维模型 二维模型 三维模型  Tg特征 Tl\Tm特征 Tg=const Tg=f(x) =f(L) Tg=f(x,z) =f(L,H) Tg=f(x,y,z) =f(L,W,H)  联想传热学 集总参数法 一维平板 导热 无限长柱体的导热 正六面体的导热      炉子热工理论研究 模型的用途 炉子优化设计 炉子热工计算机控制及自动检测 数学模型的优势: 费用低,时间短, “随心所欲”,有助于对炉子的全面认识 数学模型的问题: 复杂场合难以用数学描述, 需实验验证, 易犯“主观”错误。 流体力学模型 加热炉数学模型的子模型 燃烧模型 传热传质模型 建立传热数学模型的方法(区域法) 将每一个体积单元当做一个小的“零维模型”(不考虑各个体积单元的相互辐射), 对每一个体积单元建立热平衡方程(区域法). 炉衬和被加热面每一个面积单元当做一个小的“零维模型”, 对每一个面积单元建立热平衡方程 n个单元,n个方程,联立求解 若必要,与其它模型的方程耦合求解. 作业: 教材Ｐ２９－３０，完成与学号个位相同的题目。 教材Ｐ４５，完成与学号个位相同的题目。学号个位为７－０的同学分别完成Ｐ５６上１－４题。 注：“五一”长假后第一次课交已安排的全部作业。