散热计算

根据热量传递的三种基本方式对应的定律：导热的傅立叶定律、对流换热的牛顿冷却公式以及热辐射的斯忒藩-玻尔兹曼定律。

一、烟气管道传热损失计算

这一段管道的任务是输送燃烧后的热烟气流，所以只需计算这一段管道流动过程中的热损失。天然气燃烧后的产物主要为CO 2、H 2O 等气体，其中H 2O 占很大比重，所以若不采取保温措施，会在导引过程中发生冷凝散热损失[2]，造成很大的浪费，故应采取有保温层的烟气流导引管道。

有保温层管道传热损失计算

1. 基本公式 根据参考文献[5],多层圆筒壁的热传导公式为:

12a t t Q R R ?=++

(9) 式中 t ——管道的外壁温度, ℃;

a t ——环境温度, ℃;

12N R R R 、、——第1～N层的各层热阻, m 2?K/W 。

根据公式(9) , 工程上计算单位长度管道的热损失时, 对于有保温的烟气管线可以导出公式:

121

2()11ln a i s t t t t q r R R r r π??==++a (10) 式中

q ——单位长度保温层外表面的散热损失量, W/m ;

t ——管道的外表面温度, ℃

a t ——环境温度, ℃

i R ——保温层热阻, m 2·K/W

s R ——保温层表面热阻, m 2·K/W;

λ——保温材料制品导热系数,W/(m ·K)

——保温层外表面向大气的放热系数,W/(m 2·K)

α1r ——保温层的外半径,m

2r ——管道外半径,m 。

2. 参数的确定 保温层的热阻力计算公式为:

12

1ln i r R r λ= (11) 式中

λ——保温材料制品导热系数(可通过查不同隔热材料制品的热传导系数 获得) ,W/(m ·K)

1r r 、2——分别为保温层外、内半径, m 。 管道中空气的热阻力:

1

1s R r α= (12) 式中 α——保温层外表面向大气的放热系数,W/(m 2·K)。在经济厚度计算及散热损失计算中, 参考文献[6], 可取W/(m 2·K)。

=11.6α烟筒管壁的热阻远小于其他各保温层的热阻，故工程计算中可以忽略不计。在总温差一定条件下，从材料利用的经济性出发，导热小的材料应设置在内侧。 在选取保温方案是，需考虑到管道的临界热绝缘直径。

二、换热计算

类似于暖气片的散热原理，三段热交换过程：

（1）由热烟气流到烟筒内壁，热传递方式是对流换热（受迫对流换热）；

（2）由烟筒内壁到外壁，热传递方式为导热；

（3）由暖气片外壁至室内环境和空气，热传递方式有辐射换热和对流换热。

换热阶段的结构如图所示

热气流从右侧的小孔进入环形空间，然后从上侧的小孔排出，环形外壁设计有保温层，内侧没有，主要就是想考虑使用内侧散热对所包围的空间达到一个保温的效果……

具体尺寸如下：

环形空间的内径：400mm

外径：600mm

壁厚：4mm

两个小孔的，内径为80mm，壁厚也为4mm

环境温度，按照冬天的正常温度零下5度，

热流体就是天然气燃烧完了的气流，

假设烟筒为光滑管，烟气流在管道中紊流，使用最广泛的关联式迪图斯—贝尔特（Dittus-Boelter ）公式：

0.8

0.30.023Re Pr f f f Nu = （13）

式中 Re f ——管中流体雷诺数，Re m f u d ν

= Pr f ——管中流体普朗特数，Pr f a

ν= 对于螺旋型管换热器，流体通道呈螺旋形。在弯曲的通道中流动产生的离心力，将在流场中形成二次环流，二次环流的路径是沿管径流向外侧，再沿管壁流向内侧，此二次环流与主流垂直，它增加了对边界层的扰动，有利于换热，而且管的弯曲半径越小，二次环流的影响越大[5]。故由上述关联式计算的结果尚须乘以管道弯曲影响的修正系数，它大于1：

R ε气体 1 1.77R d R

ε=+ 液体 3

110.3R d R ε????=+?????? 式中 R ——螺旋管曲率半径，m

d ——管直径，m 对流传热系数计算公式：

c h Nu d

λ= （14） 辐射传热系数计算公式：

448210w am r b w f

T T h C t t ε??=?×2) （15） 式中 ε——井口换热系统发射率

b C ——辐射系数，W/(m 2?K 4)，取

5.67b C =则井口换热热量计算为：

2()()(w f c r w f Q hA t t A h h t t =?=+? （16）

式中 h ——总换热系数，W/(m 2·K)

A ——换热面积，m 2

三、燃烧热量计算（注：可以不按热值计算燃烧产生的热量？）

燃烧计算：对于天然气（约96%为甲烷）[1]，燃烧是生成的火焰呈蓝色，属于不发光火焰，其燃烧产物主要为CO 2、H 2O 等气体，故天然气燃烧火焰辐射按气体辐射计算。根据热辐射的斯忒藩-玻尔兹曼定律有：

4()()q q q q w w q T T T T 4A

εσασ=? （1） 式中 ——斯忒藩-玻尔兹曼常数，W/(m 2?K 4)，

σ85.6710σ?=×q T ——烟气流温度，K

w T ——管道壁温，K

对于煤层气燃烧的产物主要为CO 2、H 2O 等气体，有经验公式[2]为：

()q q c c w w T C C εεε=+? εε （2）

式中 ——CO 2气体的辐射率

c εc C ——CO 2辐射率的修正因子

w ε——H 2O 气体的辐射率

w C ——H 2O 辐射率的修正因子

——CO 2、H 2O 同时存在的修正因子

当量射线行程平均长度[3]为：

(0.650.8)Le =～D α （3）

式中 D ——燃烧空间直径，m

根据各气体组份压力，可求得压力—射线行程参数（）。根据温度（T ）及压力—行程参数可查图表求得上述各参数[2]。

p Le i 同样有经验公式[2]：

()q w c w T ααα=+? （4）

式中 0.65q c c c w T C T αε????′?=??????

0.45q w w w w T C T αε???′=????

α= ε （在温度时）

w T 以温度（T ）为横坐标，()c w q p Le T 和(w w q )p Le T T 为压力—射线行程参

数，查图表可求得、等参数[2]。 c

ε′w ε′