一种辐射式加热炉固体辐射传热计算方法及装置与流程

本发明涉及辐射式加热炉，尤其涉及一种辐射式加热炉固体辐射传热计算方法及装置。

背景技术：

1、辐射式加热炉是石油化工行业的核心设备之一，其通过炉内高温火焰和炉墙的辐射传热，将热量传递至炉管内的物料，实现物料的升温与工艺处理。固体辐射传热计算作为加热炉设计的关键环节，直接影响炉体结构优化、热效率提升及能耗控制。

2、目前，辐射传热计算模型普遍采用以下方法：

3、简化几何假设：将炉管视为无限长圆柱体，忽略炉管间距变化对辐射遮挡和有效传热面积的影响；

4、传统公式应用：基于斯蒂芬-玻尔兹曼定律和角系数计算热流密度，但未引入炉管间距相关的修正参数；

5、数值模拟辅助：通过fds、ansys等软件进行三维建模，但计算复杂度高，且需依赖大量实验数据校准，难以直接应用于工程设计初期的快速估算。

6、现有模型在高温高压、变负荷工况下，无法准确反映炉壁温度、物料流量等参数变化对传热的耦合影响，导致炉体设计保守，如过度增加炉管间距以避免局部过热，造成能源浪费或热效率低下。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、本发明提供一种辐射式加热炉固体辐射传热计算方法及装置，以克服现有技术中存在辐射式加热炉固体辐射传热计算模型未充分考虑炉管间距对辐射传热的影响，导致热流密度计算误差较大的问题。

3、(二)技术方案

4、本发明提供一种辐射式加热炉固体辐射传热计算方法，包括如下步骤：

5、步骤s1，建立对称计算模型：以目标炉体中心线为基准，利用目标炉体结构的中心面对称性，将沿目标炉体深度方向的单位长度辐射传热空间作为模型对象，建立对称简化模型；

6、步骤s2，进行热流密度计算：引入修正系数修正热流密度，在辐射传热公式中加入辐射传热量修正系数c，修正后的热流密度计算公式为q‘＝c·q，其中，q’为修正后热流密度，q为修正前热流密度，所述辐射传热量修正系数c的取值范围为0.003-0.007，优选为0.005；

7、步骤s3，基于修正模型计算传热：利用步骤s1建立的对称模型和步骤s2的修正后的热流密度计算公式，计算炉管外表面的热流密度，其中所述辐射传热量修正系数c用于校正炉管间距对辐射传热面积的影响。

8、优选地，所述步骤s1中建立对称计算模型时包括：

9、步骤s11，对目标炉体进行网格划分，形成固体辐射传热网格模型，所述固体辐射传热网格模型包含目标炉体的炉管外径、炉管间距以及炉壁温度参数。

10、优选地，所述步骤s2中辐射传热公式为其中ε为辐射物体发射率，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，t1为辐射源的绝对温度，t2为被辐射物体的绝对温度，f为辐射角系数。

11、优选地，所述步骤s2中辐射传热量修正系数c的取值通过以下方式确定：基于数值模拟软件对不同炉管间距、炉管外径和炉壁温度工况下的辐射传热过程进行模拟，将模拟结果与实际测量结果对比，确定使模拟结果与实际测量结果的相对误差小于26.7％的c值。

12、优选地，所述辐射角系数f所述辐射角系数f根据炉管间距与炉管外径的几何关系，并结合炉体中心线对称性计算得出，所述炉管间距为相邻炉管的中心距，炉管外径为炉管的外直径。

13、另一方面本发明还提供一种辐射式加热炉固体辐射传热装置，包括：对称模型构建模块、修正系数计算模块以及传热计算模块；

14、所述对称模型构建模块用于根据炉体中心面对称性建立网格化计算模型，所述修正系数计算模块基于数值模拟数据动态调整c值，所述传热计算模块通过修正公式q’＝c·q输出热流密度。

15、优选地，还包括：数据采集模块与自适应控制模块；

16、所述数据采集模块实时采集炉管间距、炉壁温度以及炉体负荷参数，所述自适应控制模块根据采集的参数动态调整辐射传热量修正系数c。

17、优选地，所述数据采集模块包括：温度传感器与位移传感器，所述温度传感器与位移传感器分别实时采集炉壁温度分布数据和炉管间距变化量。

18、(三)有益效果

19、本发明提供一种辐射式加热炉固体辐射传热计算方法及装置，可以实现通过以炉体中心线为基准建立对称简化模型，并划分网格化传热空间，可快速生成高精度的辐射传热计算模型，减少冗余计算量，引入辐射传热量修正系数c，修正传统辐射传热公式中的热流密度计算值，解决了炉管间距对辐射传热面积的忽略问题，修正后的公式q‘＝c·q使计算结果与实际测量值的相对误差控制在6.7％-26.7％，相较于传统模型误差显著降低；

20、修正系数计算模块基于数值模拟与实际工况对比动态确定c值，通过数值模拟软件验证不同炉管间距、外径及温度下的传热效果，确保修正模型在复杂工况下的鲁棒性，确保修正系数与具体炉体结构精准匹配，避免了单一经验值的局限性。

21、系统各模块分工明确，对称模型构建模块负责结构建模，修正系数模块处理动态参数，传热计算模块输出结果，模块间协同工作可快速响应工况变化，提升系统实用性，从而达到通过修正系数优化、对称建模简化、动态参数调整及数值模拟验证，实现炉体设计的高效化、节能化与智能化，为工业炉体的设计与优化提供了可靠的技术支撑的目的。

1.一种辐射式加热炉固体辐射传热计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的辐射式加热炉固体辐射传热计算方法，其特征在于，所述步骤s1中建立对称计算模型时包括：

3.根据权利要求1所述的辐射式加热炉固体辐射传热计算方法，其特征在于，所述步骤s2中辐射传热公式为其中ε为辐射物体发射率，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，t1为辐射源的绝对温度，t2为被辐射物体的绝对温度，f为辐射角系数。

4.根据权利要求1所述的辐射式加热炉固体辐射传热计算方法，其特征在于，所述步骤s2中辐射传热量修正系数c的取值通过以下方式确定：基于数值模拟软件对不同炉管间距、炉管外径和炉壁温度工况下的辐射传热过程进行模拟，将模拟结果与实际测量结果对比，确定使模拟结果与实际测量结果的相对误差小于26.7％的c值。

5.根据权利要求3所述的辐射式加热炉固体辐射传热计算方法，其特征在于，所述辐射角系数f根据炉管间距与炉管外径的几何关系，并结合炉体中心线对称性计算得出，所述炉管间距为相邻炉管的中心距，炉管外径为炉管的外直径。

6.一种辐射式加热炉固体辐射传热装置，用于执行权利要求1-4所述的辐射式加热炉固体辐射传热计算方法，其特征在于，包括：对称模型构建模块、修正系数计算模块以及传热计算模块；

7.根据权利要求6所述的辐射式加热炉固体辐射传热装置，其特征在于，还包括：数据采集模块与自适应控制模块；

8.根据权利要求7所述的辐射式加热炉固体辐射传热装置，其特征在于，所述数据采集模块包括：温度传感器与位移传感器，所述温度传感器与位移传感器分别实时采集炉壁温度分布数据和炉管间距变化量。