加热炉工作时，燃料油和燃料气经油-气联合燃烧器被雾化后喷入炉内，与空气均匀混合后在炉膛内基本完全燃烧。产生的火焰及高温烟气约1000~1500℃，主要以辐射传热的形式将大部分热量传递给辐射炉管内流动的原料油。烟气温度降至800℃左右后由下而上经辐射室进入对流室在对流室，高温烟气主要以对流传热的方式将热量传递给管内流动的原料油。烟气温度降至200～300℃后经烟囱排出。
被加热的原料油由上而下，先进入对流炉管，再进入辐射管。管内原料油与管外高温烟气逆向流动，通过管壁不断吸收热量，至炉出口处，达到生产工艺所要求的温度。
燃料燃烧产生的火焰不允许舔到炉管上，以防炉管被烧坏。所以，辐射室应有足够的体积。由于炉墙有良好的隔热性能，热量散失得很少，炉墙吸收烟气、火焰放出的热量温度升高，然后又把热量反射回来，其中的一部分被炉管所吸收，提高了炉管的吸热能力。炉墙反射热量的现象，称为炉墙的再辐射。因炉墙的温度远低于火焰的温度，再辐射的热量在加热炉总热量中所占比例并不大。
燃料燃烧的好坏与燃料种类、空气量及二者的混合状况、燃烧器的结构及性能等因素有关。
为提高管式炉的传热效率，在使用钉头管或翅片管的对流室，还装有吹灰器，用蒸汽吹掉炉管表面的灰垢，保持炉管表面的洁净，提高传热效果。
为减少烟气带走的热量损失，常用空气预热器回收烟气中的余热，一般，排烟温度每降低17—20℃，加热炉热效率可提高1％左右。空气温度可被加热至300℃左右。
加热炉工作时，必须不断地将燃烧产生的烟气排到炉外，同时将新鲜空气引入炉内。当炉内烟气流动阻力不大时，一般采用自然通风方式。当炉子结构复杂或装有空气预热器，烟气流动阻力较大时，则使用风机进行强制通风。
