第七章鍋爐本體的熱力計算

第七章鍋爐本體的熱力計算第一節(jié)爐膛傳熱過程與計算第二節(jié)對流受熱面的傳熱計算第三節(jié)對流放熱系數(shù)第四節(jié)輻射放熱系數(shù)第五節(jié)平均溫差第六節(jié)對流受熱面?zhèn)鳠嵊嬎惴椒ㄌ嵋仩t本體熱力計算的目的當(dāng)鍋爐燃用燃料與設(shè)計燃料性質(zhì)具有較大差別的時候,需要對鍋爐進(jìn)行熱力校核計算，來核對爐膛出口溫度、各對流換熱面出口煙氣溫度以及過熱器出口的過熱蒸汽溫度。某些情況下，為了提高鍋爐的熱效率或者出力，需要對其進(jìn)行技術(shù)改造，加裝尾部受熱面等，這時候熱力計算是技術(shù)改造的依據(jù)。鍋爐需要配備鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等通風(fēng)裝置，需要進(jìn)行空氣動力計算，熱力計算是空氣動力計算的基礎(chǔ)。鍋爐設(shè)計的需要。第一節(jié)爐膛傳熱計算在爐膛內(nèi)火焰與管內(nèi)介質(zhì)的換熱主要依靠輻射換熱，一般將對流換熱忽略。計算輻射換熱的公式是斯蒂芬－波爾茨曼定律。我們主要以層燃爐的傳熱計算為主。要計算的問題：確定爐膛出口煙溫？爐膛換熱量？爐膛布置的水冷壁管數(shù)量是否合適？一、爐膛的幾何特性爐子火床表面到爐膛出口煙窗之間的容積。底部是火床表面；四周以及頂部為水冷壁中心線表面（如水冷壁覆蓋耐火材料，則為耐火材料向火表面）；沒有布置水冷壁的部分為爐墻內(nèi)表面；爐膛出口界面為出口煙窗第一排管子中心線界面。包括爐膛容積、爐膛周界面積、有效輻射面積等等1.爐膛容積Vl爐排上的燃料層厚度一般取為150毫米。如果裝有老鷹鐵，則爐排長度計算到兩者的接觸點(diǎn)的垂直平面，如沒老鷹鐵，則到爐排末端。包括上述所有界面的總的封閉面積，即火床面積R、水冷壁面積、爐墻面積和出口煙窗面積。對于靠墻布置的水冷壁其表面積等于邊界中心線間距與受熱長度的乘積F=bl；對于雙面受熱的水冷壁，按照水冷壁面積的兩倍計算F=2bl；爐膛周界總面積為Fl=R+Fbz，其中Fbz是除火床面積以外的其余爐膛周界總表面積。2.爐膛周界面積Fl

(也稱爐膛包覆面積)3.有效輻射受熱面積Hf爐膛內(nèi)換熱是借輻射受熱面即水冷壁管輻射來完成(如圖)。但水冷壁的輻射受熱面積并不等于水冷壁的表面積，水冷壁管邊靠爐墻布置，只有向火面直接受到爐內(nèi)火焰的輻射，而其背火面只受到爐墻反射輻射。設(shè)火焰向爐墻總的投射熱量為Qhy，而一次投落到管子壁面上的熱量為Q′，則能量投射的分額(即傳熱學(xué)中的輻射角系數(shù))為：投射到管子的總熱量為一次、二次熱量的總和有效角系數(shù)為火焰投射到管壁受熱面的總熱量與投射到爐墻的熱量之比：有效角系數(shù)與管子布置的關(guān)系單排光管水冷壁的x的數(shù)值與管子的相對節(jié)距S/d及管子中心線離開爐墻的相對距離e/d有關(guān)。膜式水冷壁猶如管子靠管子（S/d=1），x=1。層燃供熱爐通常布置S/d＝2～2.5，e/d＝0.5～1.5，水冷壁管徑51～60mm。快裝鍋爐常采用鰭片管或密布光管。煤粉爐爐膛溫度較高，為防止噴燃器對面結(jié)渣，水冷壁管布置較緊密，S/d＝1.2～1.3，其余的1.5～1.6。煙窗管束的有效角系數(shù)因此，爐膛火焰對煙窗出口三排管束的有效角系數(shù)xgs為三排能量投射之和或（1－第三排管透過熱量的份額），即對爐膛出口煙窗對爐膛而言，可取x=1，這是因為爐膛火焰投射到出口煙窗上的輻射熱。陸續(xù)通過煙窗后各排管子，不再有反射，即全部被吸收。對爐膛出口處布置的管排而言，x不能認(rèn)為等于1。當(dāng)出口管束為三排時，各排的有效角系數(shù)為x1、x2、x3，各排的熱量分配為：有效輻射受熱面的計算火焰與爐壁之間輻射換熱模型二、爐膛傳熱的基本方程及爐膛黑度火焰與爐壁之間的輻射換熱量為：代入Qb、Qh表達(dá)式爐膛系統(tǒng)黑度水冷壁本身輻射:火焰本身輻射:對比Qf

的表達(dá)式，可以得到爐膛的系統(tǒng)黑度為：假定火床是黑體，其溫度等于火焰平均溫度。這樣，火焰的本身輻射包括了火焰及火床兩部分的輻射，即對于層燃爐，不僅有火焰的本身輻射，而灼熱的火床表面也向水冷壁受熱面輻射熱量。只是火床的輻射流在穿越爐膛空間時，會部分被火焰吸收，余下的再會投射到水冷壁受熱面上。所以上式中的爐膛系統(tǒng)黑度僅適用于室燃爐。對層燃爐來說，需要進(jìn)行修正。令，則可得可見，層燃爐爐膛的系統(tǒng)黑度是綜合黑度，它不僅與火焰黑度ah、水冷壁壁面黑度ab有關(guān)，而且還與爐膛幾何特性中水冷程度

、火床與爐壁面積之比ρ相聯(lián)系。室燃爐爐膛的系統(tǒng)黑度：層燃爐而言，用代替上式中的ah層燃爐爐膛的系統(tǒng)黑度：三、火焰黑度以爐膛出口處的煙溫和成分作為計算依據(jù)，計算火焰平均黑度。按布格爾定律火焰減弱系數(shù)k由三原子氣體減弱系數(shù)kq和固體顆粒(灰粒和焦炭粒)減弱系數(shù)kg所組成1.燃用固體燃料時三原子氣體減弱系數(shù)kqrq—?dú)怏w中三原子氣體總的容積份額查圖公式計算或查圖固體顆粒的減弱系數(shù)kg固體顆粒減弱系數(shù)kg是由灰粒減弱系數(shù)kh和焦炭粒等的修正系數(shù)C組成（7-21）或查圖分發(fā)光部分和不發(fā)光部分的黑度合成.2.燃用氣體或液體燃料時四、爐膛有效放熱量與理論燃燒溫度爐膛有效放熱量,也稱入爐熱量，是相應(yīng)于1kg真正參與燃燒的燃料所進(jìn)入爐膛的熱量，它計及了隨它一起加進(jìn)爐膛的其他熱量，即當(dāng)燃料燃燒不用于熱空氣時：當(dāng)鍋爐裝有空氣預(yù)熱器向爐內(nèi)送熱空氣時：當(dāng)根據(jù)爐膛有效放熱量就可求出爐膛理論燃燒溫度。Vy—對應(yīng)αl''的每kg燃料燃燒后的煙氣容積，Nm3/kgcpj—煙氣從0到

ll溫度范圍內(nèi)的平均容積比熱，kJ/Nm3·℃。理論燃燒溫度所謂理論燃燒溫度，是假定在絕熱情況下將Ql作為煙氣的理論焓而得到的煙氣理論溫度

ll。事實上，燃燒是一個動態(tài)過程，煙氣溫度的變化取決于燃燒放熱與輻射換熱之間的平衡。五、火焰平均溫度及水冷壁管外積灰層表面溫度火焰平均溫度按卜略克-肖林公式汁算，即水冷壁管外積灰層表面溫度Tb計算式：Tgb—水冷壁管金屬壁溫，可視為管內(nèi)工作壓力下介質(zhì)的飽和溫度；ε—管外積灰層熱阻，決定于燃料性質(zhì)和爐內(nèi)燃燒工況，一般取為2.6m2℃/kW；qf

—水冷壁受熱面輻射熱流密度。六、爐膛出口煙溫爐膛出口煙溫一般指防渣管前，進(jìn)對流管束時的煙氣溫度。七、爐膛換熱計算對每kg計算燃料而言從爐膛煙側(cè)熱平衡公式可得：Vycpj——在溫度Tll和Tl''區(qū)間內(nèi)，每kg燃料所產(chǎn)生煙氣的平均熱容量kJ/kg·K不同工作壓力下m取值線算圖得出八、爐膛換熱計算步驟第二節(jié)對流換熱面的傳熱計算傳熱方程式：熱平衡方程式：煙氣側(cè)：工質(zhì)側(cè)：對流受熱面計算基本方程式工質(zhì)所吸收的來自爐膛的輻射熱灰污系數(shù)解決關(guān)鍵工業(yè)試驗解決另外方法:有效系數(shù)對流受熱面的傳熱系數(shù)缺少灰污系數(shù)值燃用固體燃料的錯列管束，在煙氣橫向沖刷時，其灰污系數(shù)與煙氣的流速、管子的節(jié)距和直徑以及煙氣中灰粒的分散度等因素有關(guān)。

0—實驗條件下（管徑38mm；含灰細(xì)度R30＝33.7％）的灰污系數(shù)，由圖查得；cd

—管徑修正系數(shù)；ckf

—灰粉顆粒分散度影響的修正系數(shù)；R30—顆粒超過30m的灰量占總灰量的重量百分?jǐn)?shù)；

—對實驗室試驗結(jié)果的附加修正值，對錯列布置的過熱器，當(dāng)鍋爐燃用沉積松灰的煤取2.6；燃用無煙煤而無吹灰時取4.3；燃用褐煤有吹灰時取3.4。有效系數(shù)受熱面有效系數(shù)取值蒸汽過熱器：0.60~0.70；鍋爐管束及鋼管省煤器：0.55~0.65；管式空氣預(yù)熱器：0.75~0.80。對積灰少、沖刷條件好的情況，取上限值，對有中間管板的管式空氣預(yù)熱器取下限值。既然對流輻射放熱系數(shù)α1利用系數(shù)

對于空氣預(yù)熱器，通常還把灰污和沖刷不完全對傳熱的影響一并用利用系數(shù)來考慮，它表示受熱面實際的傳熱系數(shù)K和無灰污并沖刷完全時的傳熱系數(shù)K0比值，即：對沒有中間管板的單級管式空氣預(yù)熱器

值，無煙煤、重油

＝0.80；其他煤種及氣體燃料

＝0.85。如果管式空氣預(yù)熱器有一塊中間管板時，

值要比表中數(shù)據(jù)降低0.l，有兩塊中間管板時，

值要降低0.15；當(dāng)鍋爐燃用重油且爐膛出口過量空氣系數(shù)＞1.03或空氣預(yù)熱器的人口空氣溫度＜80℃時，因易生成潮濕積灰，故

值要降低0.1。對于空氣預(yù)熱器，由于利用系數(shù)自已同時考慮了灰污和沖刷不完全對傳熱影響，因此在確定

1時就不必再考慮沖刷不完全的影響了。第三節(jié)對流放熱系數(shù)

d管束特性修正系數(shù)管束的排數(shù)修正系數(shù)介質(zhì)在最窄斷面處的平均流速1、橫向沖刷錯列管束或者通過線算圖查取(7-46)cs的取值取決于橫向管間流通斷面AB與斜向管間流通斷面CD之比值

其中cc的取值與管排數(shù)有關(guān)的修正系數(shù)。最初幾排放熱較弱，以后逐漸增強(qiáng)2、橫向沖刷順列管束按整個管束的平均溫度及速度求出各部分的對流放熱系數(shù)，然后再按各部分受熱面積大小比例計算其平均對流放熱系數(shù)?！娣e加權(quán)3、橫向沖刷順列+錯列管束當(dāng)錯列（或順列）布置的管子受熱面超過總受熱面的85％時，則整個管束可按錯列（或順列）計算4、縱向沖刷管束矩形通道內(nèi)煙氣管外縱向沖刷熱流方向修正系數(shù)管子入口段修正系數(shù)近來的研究表明，對于管內(nèi)的縱向沖刷，公式(7-55)中的常數(shù)0.023如用0.021或0.022取代，結(jié)果將更為準(zhǔn)確，普朗特準(zhǔn)則的指數(shù)也有被0.43～0.55代替的趨向。常用的還是查線算圖ct—考慮熱流方向?qū)Ψ艧岬挠绊懏?dāng)煙氣或空氣被加熱時，比被冷卻時放熱系數(shù)小當(dāng)煙氣或空氣被冷卻時，ct=1；當(dāng)蒸汽和水在管內(nèi)流動時，壁溫和介質(zhì)的溫度較為接近c(diǎn)t≈1cl

—考慮管子相對長度對放熱的影響當(dāng)在縱向沖刷管束時，由于在進(jìn)口處層流邊界層尚未形成，該處的局部放熱系數(shù)最大，隨著邊界層厚度的增加，放熱系數(shù)逐漸減少，待到邊界層轉(zhuǎn)化為湍流狀態(tài)時，放熱系數(shù)又趨增大并趨于穩(wěn)定。式(7-55)中得出的放熱系數(shù)是整個受熱面長度的平均值。因此，從受熱面入口到非穩(wěn)定段，對平均放熱系數(shù)的影響用修正系數(shù)來考慮，其值取決于管束長度和當(dāng)量直徑的比值。其值可直接查線算圖（圖7-13）得到煙氣縱向沖刷管束時煙氣或空氣被冷卻時：空氣被加熱時：過熱蒸汽縱向沖刷時非沸騰水縱向沖刷時：5.橫向—縱向混合沖刷管束時的傳熱系數(shù)計算傳熱系數(shù)時可按以下原則：

(1)煙氣流量和煙氣溫度，可取整個管束的平均值，以簡化計算；

(2)煙氣速度對放熱影響較大，而且不同沖刷時速度變化也較大，因此速度應(yīng)按橫向沖刷部分和縱向沖刷部分分別計算。按不同的速度和平均溫度，借助于相應(yīng)的公式和線算圖，分別先求出各部分受熱面的放熱系數(shù)，然后計算它們各自的傳熱系數(shù)，再按下式得到整個管束的平均傳熱系數(shù)：平均流速及計算截面積的取值容積流量V的計算平均流速及計算截面積的取值（續(xù)）通道截面積F的計算管子平均節(jié)距或平均管徑計算第四節(jié)輻射放熱系數(shù)

f一、公式法放熱系數(shù)

f對流換熱形式：1.煙氣為含灰氣流，可作為灰體，則管壁吸熱的輻射熱流密度為：放熱系數(shù)

f2.不含灰氣流，煙氣中主要是三原子氣體，對輻射有顯著選擇性，不能視為灰體吸收率Ay管壁吸收的輻射熱流密度為：二、查圖法對含灰氣流：對不含灰氣流：煙氣黑度有效輻射層厚度：對流煙道中管束（光管）有效輻射層厚度輻射衰減系數(shù)：對流煙道中管束（鰭片管）火管鍋爐的煙管、管式空氣預(yù)熱器的第二級較大的氣流空間（轉(zhuǎn)彎室空間）煙氣室容積煙氣室壁面積管壁積灰層表面溫度第五節(jié)平均溫差傳熱方程式：順流或逆流：混流：當(dāng)有：第六節(jié)對流受熱面?zhèn)鳠嵊嬎惴椒ㄕ獙α魇軣崦鎮(zhèn)鳠嵊嬎愕牟襟E已知量 需求量受熱面結(jié)構(gòu)特性工質(zhì)的入口溫度計算燃料消耗量煙氣入口溫度漏風(fēng)系數(shù)漏風(fēng)焓受熱面?zhèn)鳠崃繜煔?、工質(zhì)的出口溫度計算步驟：為什么不用兩個點(diǎn)呢?那多簡單阿!各對流受熱面?zhèn)鳠嵊嬎闾攸c(diǎn)1.防渣管及鍋爐管束管內(nèi)工質(zhì)為汽水混合物，其溫度恒等于工作壓力下的飽和溫度，故工質(zhì)側(cè)的熱平衡方程式可不用。煙氣和工質(zhì)的平均溫差按算術(shù)平均計算（式7-77）。受到爐膛的輻射部分在傳熱系數(shù)中修正。當(dāng)防渣管排數(shù)Z2＞5時，可認(rèn)為爐膛輻射在管束上的熱量全部被管束吸收掉，而不再透到后面的對流管束上去。如Z2＜5時，就應(yīng)計算穿過防渣管束，投到其后受熱面上的輻射熱量，其計算公式為：有爐膛輻射時，對流傳熱系數(shù)的變化對每m2對流受熱面而言，管壁積灰層表面得到的熱流密度為：通過積灰層的熱流量為：傳給管內(nèi)工質(zhì)的熱流量為：有爐膛輻射時對流傳熱系數(shù)的變化（續(xù)）由并取可得到有爐膛輻射時對流傳熱系數(shù)的變化（續(xù)）由并取可得到2.過熱器的傳熱計算已知過熱器蒸汽參數(shù)，確定過熱器的受熱面積已知過熱器蒸汽的進(jìn)出口焓值過熱器對流吸熱量過熱器進(jìn)出口煙溫預(yù)定過熱器結(jié)構(gòu)及尺寸，求得傳熱系數(shù)平均溫差過熱器受熱面積2.過熱器的傳熱計算(續(xù))已知過熱器的受熱面積，核算過熱器蒸汽可以達(dá)到的溫度以及煙氣在流經(jīng)過熱器后的溫度已知