傳熱系數(shù)計(jì)算辦法

千里之行，始于足下。第2頁(yè)/共2頁(yè)精品文檔推薦傳熱系數(shù)計(jì)算辦法第四章循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)傳熱計(jì)算

循環(huán)流化床鍋爐爐膛中的傳熱是一具復(fù)雜的過程，傳熱系數(shù)的計(jì)算精度直截了當(dāng)妨礙了受熱面設(shè)計(jì)時(shí)的布置數(shù)量，從而妨礙鍋爐的實(shí)際出力、蒸汽參數(shù)和燃燒溫度。正確計(jì)算燃燒室受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，也是區(qū)不于煤粉爐的重要方面。

隨著循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的日益成熟，有關(guān)循環(huán)流化床鍋爐的爐膛傳熱計(jì)算思想和辦法的研究也在迅速進(jìn)展。許多聞名的循環(huán)流化床創(chuàng)造公司和研究部門在此方面也做了大量的工作，有的差不多形成商業(yè)化產(chǎn)品使用的設(shè)計(jì)導(dǎo)則。

但由于技術(shù)保密的緣故，目前國(guó)內(nèi)外還沒有公開的能夠用于工程使用的循環(huán)流化床鍋爐爐膛傳熱計(jì)算辦法，所以對(duì)它的研究具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)踐意義。

清華大學(xué)對(duì)CFB鍋爐爐膛傳熱作了深入的研究，長(zhǎng)江動(dòng)力公司、華中理工大學(xué)、浙江大學(xué)等單位也對(duì)CFB鍋爐爐膛中的傳熱過程舉行了有益的探究。依照已公開辟表的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，思考工程上的方便和可行，本章根椐清華大學(xué)提出的辦法，進(jìn)一步分析整理，作為我們研究的基礎(chǔ)。為了了解CFB鍋爐傳熱計(jì)算進(jìn)展過程，也參看了巴蘇的傳熱理論和計(jì)算辦法，浙江大學(xué)和華中理工大學(xué)的傳熱計(jì)算與巴蘇的相近似。

4.1清華的傳熱理論及計(jì)算辦法

4.1.1循環(huán)流化床傳熱分析

CFB鍋爐與煤粉鍋爐的顯著別同是CFB鍋爐中的物料(包括煤灰、脫硫添加劑等)濃度Cp大大高于煤粉爐，而且爐內(nèi)各處的濃度也別一樣，它對(duì)爐內(nèi)傳熱起著重要作用。為此首先需要計(jì)算出爐膛出口處的物料濃度Cp，此處濃度可由外循環(huán)倍率求出。而爐膛別同高度的物料濃度則由內(nèi)循環(huán)流率決定，它沿爐膛高度是逐漸變化的，底部高、上部低。近壁區(qū)貼壁下落流的溫度比中心區(qū)溫度低的趨勢(shì)，使邊壁下落流減少了輻射換熱系數(shù)；水平截面方向上的橫向攪混形成良好的近壁區(qū)物料與中心區(qū)物料的質(zhì)交換，并且近壁區(qū)與中心區(qū)的對(duì)流和輻射的熱交換使截面方向的溫度趨于一致，綜合作用的結(jié)果近壁區(qū)物料向壁面的輻射加強(qiáng)，總輻射換熱系數(shù)明顯提高。在計(jì)算水冷壁、雙面水冷壁、屏式過熱器和屏式再熱器時(shí)需采納別同的計(jì)算式。物料濃度Cp對(duì)輻射傳熱和對(duì)流傳熱都有顯著妨礙。燃燒室的平均溫度是床對(duì)受熱面換熱系數(shù)的另一具重要妨礙因素。床溫的升高增加了煙氣輻射換熱并提高煙氣的導(dǎo)熱系數(shù)。盡管粒徑的減小會(huì)提高顆粒對(duì)受熱面的對(duì)流換熱系數(shù)，在循環(huán)流化床鍋爐條件下，燃燒室內(nèi)部的物料顆粒粒徑變化較小，在較小范圍內(nèi)的粒徑變化時(shí)換熱系數(shù)的變化別大，在舉行滿負(fù)荷傳熱計(jì)算時(shí)能夠忽略，但在低負(fù)荷傳熱計(jì)算時(shí)，應(yīng)該思考小的顆粒有提高傳熱系數(shù)的能力。

爐內(nèi)受熱面的結(jié)構(gòu)尺寸，如鰭片的凈寬度、厚度等，對(duì)平均換熱系數(shù)的妨礙也是很明顯的。鰭片寬度對(duì)物料顆粒的團(tuán)聚產(chǎn)生妨礙；另一方面，寬度與擴(kuò)展受熱面的利用系數(shù)有關(guān)。根

據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，能夠歸納出循環(huán)流化床鍋爐燃燒室受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算辦法。

CFB鍋爐爐膛受熱面的吸熱量按下式計(jì)算：

THKQ???=

(4-1)

式中Q——傳熱量，W；

K——基于煙氣側(cè)總面積的傳熱系數(shù)，W/m2·K；T——溫差，K；H——煙氣側(cè)總面積，m2。

4.1.2受熱面結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)傳熱的妨礙

傳熱系數(shù)K按式(4-2)計(jì)算，其中分母包括四部分熱阻：煙氣側(cè)熱阻b

1

α''；工質(zhì)側(cè)熱阻和受熱面本身熱阻

ftf

1

HH?

α；λ

δ

1；以及附加熱阻as

。

λ

δεαα1aft

fb111

+++''=

sHHK

(4-2)

式中b

α''——煙氣側(cè)向壁面總表面的名義換熱系數(shù)，W/m2

·K；f

——工質(zhì)側(cè)換熱系數(shù)，W/m2

·K，可按蘇1973年熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)求取；

Ht——煙氣側(cè)總面積，m2；Hf——工質(zhì)側(cè)總面積，m2；

as

——附加熱阻，m2

·K/W；

1

——管子厚度，m；

——受熱面金屬導(dǎo)熱系數(shù)，W/m2

·K；

b

sb

b

1]1)1([αεαηα?++-=''P

(4-3)

式中P——鰭片面積系數(shù)，t

fm

HHP=

；Hfin——鰭片面積，m2；Ht——受熱面外部面積，m2。

d

sd

sHHP)12

(1t

fm-+--=

=

πδ(4-4)

s,d——管子節(jié)距、外徑，m，見圖4-1。

——鰭片利用系數(shù)，

hhth'

'?''?=

ββη)

(

(4-5)

式中

——與受熱面受熱事情、膜式壁鰭片結(jié)構(gòu)尺寸和材料等有關(guān)，可表示為

)

1()

(bsbαεδλδαβ++=

hN

(4-6)

式中N——受熱事情，單面受熱N=1，雙面受熱N=2；

h——實(shí)際鰭片高度圖4-1爐膛受熱面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2

d

sh-=

(4-7)

——鰭片厚度，m；

s

——受熱面污染系數(shù)，取為0.0005；

h’——折算高度，m：

μ

h

h=

'(4-8)

h”——有效高度，m：

N

hh'

=

''(4-9)

依照實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，可得到鰭片寬度系數(shù)與結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系：

2

0.1659+0.3032+0.8608ssddμ??

=-???

(4-10)

αb——煙氣側(cè)換熱系數(shù)，見式(4-15)：

as

——附加熱阻，在計(jì)算耐火材料涂層受熱面時(shí)思考：

a

a

asλδε=

(4-11)

a

——受熱面耐火層厚度，m；

a

——受熱面耐火層導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K，按式(4-12)計(jì)算：

a10aTaa+=λ

(4-12)

式中a0、a1——系數(shù)；

aT——耐火層平均溫度，K，按式(4-13)計(jì)算：

2/)(wbaTTT+=

(4-13)

式中Tb——煙氣側(cè)溫度，K；

Tw——受熱面壁面溫度，K，見式(4-17)：

受熱面外內(nèi)面積比為

???

???+=12)2(2111ftδδπδπdsHH

(4-14)

式中

1

——管壁厚度，m；

s——管節(jié)距，m；

——鰭片厚度，m。

4.1.3CFB鍋爐煙氣側(cè)換熱系數(shù)

b

爐膛煙氣物料兩相混合物向壁面的換熱包括對(duì)流和輻射兩部分，按兩者的線性疊加，則有

Crbααα+=

(4-15)

式中

r

——輻射換熱系數(shù)，W/m2

·K，見式(4-16)：c

——對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2

·K，見式(4-26)：

))((2

w2bwbrTTTT++?=σεα

(4-16)

式中——Boltzmann常數(shù)；

Tw——水冷壁管壁溫度，按式(4-17)計(jì)算：

wfwTTT?+=

(4-17)

式中Tf——受熱面內(nèi)工質(zhì)溫度，K。

水冷壁管壁內(nèi)外側(cè)溫差

()07finwbfff

1000

07w

.HT.NTTH?α??=?-?????

(4-18)

式中Tb——煙氣側(cè)溫度，K；

Tf——受熱面內(nèi)工質(zhì)溫度，K；N——受熱事情，1或2；w——導(dǎo)熱妨礙系數(shù)，

w=0.2+0.007

(4-19)

式中——金屬導(dǎo)熱系數(shù)，W/m2

·K；

壁面與煙氣側(cè)的系統(tǒng)黑度

可寫作式(4-20)的形式：

1

1

1

1w

b

-+

=

εεε

(4-20)

式中

b

——煙氣側(cè)黑度，按式(4-21)計(jì)算：

wε——壁面黑度，普通為0.5~0.8。

在氣固兩相中，煙氣側(cè)黑度包括顆粒黑度和煙氣黑度兩部分：

gpgpbεεεεε-+=

(4-21)

式中

p

——固體物料黑度，由式(4-22)計(jì)算：

BBB)1(2)1()1(psp

spspspspsp

εεεεεεε--???

???+-?-=(4-22)

式中B——系數(shù)，各向同性反射時(shí)為0.5，漫反射顆粒為

23，本文中取為2

3

；psε——物料表面平均黑度，與固體顆粒的濃度有關(guān)，可表示為

()psεp1expBCCε=--

(4-23)

Cp——物料空間濃度，kg/m3。

g

——煙氣黑度，由式(4-24)計(jì)算：

()ggg1expksε=--

(4-24)

煙氣輻射減弱系數(shù)k可按下式簡(jiǎn)單計(jì)算：

2bg0552*******.rTk.rs∑+????=--????

?

(4-25)

式中，OH2r——煙氣中水蒸氣份額；

∑r——煙氣中三原子氣體份額；

sg——煙氣輻射厚度，近似為下落流厚度，m。

對(duì)流換熱系數(shù)由煙氣對(duì)流和顆粒對(duì)流兩部分組成，即

pcgccααα+=

(4-26)

式中g(shù)

cα——煙氣對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2

·K，計(jì)算見式(4-27)；

pcα——顆粒對(duì)流換熱系數(shù)，計(jì)算見式(4-28)。

7.0fgcgcvC?=α

(4-27)

式中g(shù)

cC——煙氣對(duì)流系數(shù)，4~6J/m3

·K；

vf——煙氣速度，m/s。

pc5.0fpcpc)(αα?=vC

(4-28)

式中vf——煙氣速度，m/s，該項(xiàng)為顆粒對(duì)流強(qiáng)度與顆粒粒徑的直截了當(dāng)修正；

pcα——初始流態(tài)條件下顆粒對(duì)流理論換熱系數(shù)，其值與顆粒的粒度、溫度、受熱面布

置有關(guān)；

pcC——顆粒對(duì)流系數(shù)，按式(4-29)計(jì)算：

()1pcpcp1expnCCC=--

(4-29)

Cp——爐膛局部物料濃度，kg/m3；n1——常數(shù)，0.85~1.25。

依照第二章中上部快速床的分析，則受熱面所在位置的濃度與其高度位置緊密相關(guān)，用于傳熱的平均濃度關(guān)聯(lián)到受熱面的平均高度，則雙面水冷壁、屏過、屏再局部物料濃度Cp按式(4-30)計(jì)算：

ppltpzltppppz42

exp28exp284277CHHHC...CH?-?????

=-?++??????????

(4-30)

式中Cpp——實(shí)際溫度下爐膛出口處

特征物料濃度，kg/m3

；該數(shù)值能夠依照?qǐng)D4-2

選定，并依照經(jīng)驗(yàn)予以修正。

Hlt——爐膛總高度，m；Hpz——雙面水冷壁屏再或屏過

總高度，m。

水冷壁物料濃度Cp按式(4-31)計(jì)算：

pp

lth1ppp

lt1h42

exp28exp284277CHdhC...CHhd??

+????=-?++???--????

??

(4-31)

式中h1——爐膛下部冷灰斗錐體計(jì)算高度(從布風(fēng)板算起)，m；

dh——梯形段上直段耐火層高度，m。

4.1.4按清華辦法對(duì)一臺(tái)440t/h貧煤CFB鍋爐的計(jì)算

用清華辦法對(duì)按某國(guó)外引進(jìn)程序設(shè)計(jì)的鍋爐輸入數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果舉行了分析校核，以便了解妨礙傳熱的因素和妨礙關(guān)系。該爐為燃燒貧煤的440t/hCFB鍋爐，100%，、50%負(fù)荷的計(jì)算結(jié)果見表4-1~表4-4。

此外，按清華辦法對(duì)一臺(tái)440t/h無(wú)煙煤、440t/h煙煤、480t/h褐煤CFB鍋爐爐膛也舉行了同樣的傳熱計(jì)算，結(jié)果示于表4-10。

4.1.5100%負(fù)荷全爐膛傳熱量計(jì)算結(jié)果的校核

在上節(jié)中差不多求出水冷壁、雙面水冷壁、屏過、屏再四部分受熱面所汲取的熱量。其和應(yīng)等于鍋爐熱平衡計(jì)算中在爐內(nèi)的傳熱量。

以新鄉(xiāng)440t/h鍋爐主循環(huán)回路作為對(duì)象，熱平衡爐內(nèi)傳熱量Q1：

)100100(y

xffk4

6

43ar

net,j1fhIIIQqqqqQBQ-''-++=?

(4-32)

??

?

??--++?=17.92111432565.207631003.035.010*******.51105995.0

kJ/h830516501638250850=?=

MW4.2313600

1000

833051650=?

=

其中

0lkXXXlt0

rkBΠk)(LIQααβ?+?+?''=

(4-33)

18.43.34)06.005.0()1816.4482)()(06.005.02.1(21??++?+--=αα

kJ/kg5.20768.1568.2060=+=

式中Iff——回料器及冷渣器反回風(fēng)帶入的熱量，kJ/kg；

y

xI''——主循環(huán)回路出口(分離器出口)煙氣焓，煙溫883℃查溫焓表，當(dāng)過量空氣系數(shù)=1.2時(shí)，kJ/kg2.111441816.404.2665y

x=?=''I。Ifh——離開主循環(huán)回路(分離器出口)的飛灰?guī)ё叩臒犰?，kJ/kg

()arshfhfhfhfh4

100100

100100-100-AAIaCCqυ+=?

???kJ/kg

(4-34)

式中αfh——飛灰份額，%；

Aar——燃料中灰份，%；Ash——加石灰石產(chǎn)生的灰份；Cfh——飛灰可燃物含量，%；

(Cυ)fh——飛灰熱燴，kJ/kg。將具體數(shù)據(jù)代入式(3-34)后得：

fh184642100100

058059217100100-15100-2.97

..I..+=?

???=kJ/kg

爐膛傳熱計(jì)算中爐內(nèi)四種受熱面總的吸熱量為：

129.29MW(水冷壁)+25.59MW(水冷屏)+46.94MW(屏過)+34.15MW(屏再)=235.97MW，該數(shù)值與爐內(nèi)熱平衡計(jì)算的傳熱量232.66MW相差小于1.5%，故能夠結(jié)束計(jì)算。4.1.6低負(fù)荷傳熱計(jì)算

普通的，煤粉爐當(dāng)處于低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，相關(guān)于正常負(fù)荷時(shí)，爐膛中的水冷壁受熱面顯得過大，導(dǎo)致爐內(nèi)溫度水平大大落低，爐膛出口溫度也下落。為了維持低負(fù)荷時(shí)汽溫仍保持在額定范圍內(nèi)，在設(shè)計(jì)鍋爐時(shí)，除了額定工況的計(jì)算外，還必須舉行70%、50%負(fù)荷的計(jì)算，這時(shí)普通要大大增加過熱器及再熱器受熱面，以保證低負(fù)荷時(shí)溫壓大大落低的事情下仍能達(dá)到汽溫的要求。

但關(guān)于循環(huán)流化床鍋爐，低負(fù)荷時(shí)，煙氣流速減小，煙氣攜帶固體的能力下落，可使理論燃燒溫度上升(參照下一節(jié))，從而能夠彌補(bǔ)由于在低負(fù)荷時(shí)相關(guān)于正常負(fù)荷時(shí)過大的水冷壁受熱面而造成的煙氣過度冷卻。并且，也能夠落低水冷壁的傳熱系數(shù)，使?fàn)t膛出口溫度較少變化，從而維持過熱汽溫達(dá)到額定值。

低負(fù)荷傳熱計(jì)算普通舉行75%和50%額定負(fù)荷計(jì)算。下面討論幾個(gè)工況參數(shù)的變化事情。

(1)床層溫度ccθ和爐膛出口溫度lt

θ''100%負(fù)荷時(shí)由于內(nèi)外物料循環(huán)流量較高，爐膛上下乃至于整個(gè)主循環(huán)回路的溫度基本一致。但低負(fù)荷時(shí)爐內(nèi)，物料循環(huán)流率顯著落低，趨向于鼓泡床，故床層溫度顯著高于爐膛出口溫度。這時(shí)為了求得床層溫度，就得舉行分段計(jì)算，舉行密相區(qū)傳熱計(jì)算。而為了求得爐膛出口溫度仍能夠舉行全爐膛計(jì)算。

(2)密相區(qū)燃燒率

為了舉行分段計(jì)算，就需要懂密相區(qū)的燃燒率、上升和下落的物料量和物料溫度。經(jīng)分析，低負(fù)荷時(shí)燃燒工況向鼓泡床轉(zhuǎn)化，故燃燒率a

應(yīng)大于正常運(yùn)行時(shí)的

m

。以100MWe級(jí)

CFB鍋爐為例，正常運(yùn)行時(shí)取

m

0.47，低負(fù)荷時(shí)取a

0.6。

(3)上升與下落循環(huán)物料的溫差

思考循環(huán)物料量落低，故上升與下落物料的溫差也應(yīng)減小，取為3℃。(4)煙氣速度u0

煙氣速度受煤耗量Bj和煙氣體積(由于α增加，體積增加)和煙氣溫度Qpj的妨礙，普通低負(fù)荷時(shí)煙氣速度下落。以100MWe機(jī)組為例，100%負(fù)荷時(shí)u0=5.68m/s；75%負(fù)荷時(shí)u0