20噸木耳廢菌包供熱鍋爐的本體設(shè)計(jì)

摘要--第3章塑料大棚的相關(guān)計(jì)算本次設(shè)計(jì)的鍋爐是以木耳廢菌包為燃料，對(duì)栽培木耳的塑料大棚進(jìn)行供熱。10月中下旬北方氣溫較低，木耳生長(zhǎng)受限，將木耳廢菌包再利用作為鍋爐燃料，為大棚供熱，既提高了木耳產(chǎn)量、節(jié)約供熱成本，也解決了木耳廢菌包影響環(huán)境質(zhì)量、占用生產(chǎn)土地、影響生產(chǎn)等諸多問(wèn)題。3.1塑料大棚的熱負(fù)荷計(jì)算區(qū)別于建筑供熱，塑料大棚本身的散熱量很大，因此熱損失也很大，主要包括塑料大棚圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失、滲透熱損失和地面熱損失。3.1.1塑料大棚圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失傳熱損失可用下式計(jì)算：(3-1)式中：——塑料大棚圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失，W；μj——第j種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m·℃)Aj——第j種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面積，m2；——室內(nèi)溫度，℃；——室外溫度，℃。塑料大棚的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是由聚乙烯膜和覆棉氈組成的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。已知聚乙烯膜和覆棉氈的導(dǎo)熱系數(shù)和厚度，其傳熱系數(shù)可由下式計(jì)算：(3-2)式中：——第i層圍護(hù)材料厚度，m；——第i層圍護(hù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。已知一個(gè)大棚的長(zhǎng)寬高分別為35m、10m、3.5m，則可計(jì)算大棚的外墻面積、屋面面積，兩者相加就是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面積Aj。本課題其實(shí)是指導(dǎo)教師與企業(yè)聯(lián)合的實(shí)際項(xiàng)目，是為吉林黃松甸鎮(zhèn)的木耳產(chǎn)業(yè)設(shè)計(jì)木耳廢菌包供熱鍋爐。因此應(yīng)查找黃松甸鎮(zhèn)十月份的氣溫走勢(shì)（見(jiàn)圖3-1），分別選取白天和夜晚的最低氣溫作為室外氣溫to：白天為7℃，夜晚為0℃；室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度tin：白天為24℃，夜晚為10℃。再用式（3-1）分別計(jì)算白天和夜晚的傳熱損失，取兩者中的最大值作為塑料大棚圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失，經(jīng)計(jì)算，因?yàn)榘滋斓氖覂?nèi)外溫差更大，所以傳熱損失也更大。圖3-1黃松甸鎮(zhèn)10月份的氣溫走勢(shì)圖表3-1塑料大棚的基本參數(shù)和傳熱損失計(jì)算名稱符號(hào)單位數(shù)值單層聚乙烯膜的導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·℃)0.245聚乙烯膜的厚度m0.00012單層聚乙烯膜的傳熱系數(shù)W/(m2·℃)2041.67覆棉氈的導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·℃)0.04覆棉氈的厚度m0.03覆棉氈的傳熱系數(shù)W/(m2·℃)1.333單位面積大棚傳熱系數(shù)kJ/kg1.332塑料大棚長(zhǎng)度Lm35塑料大棚寬度Wm10塑料大棚高度Hm3.5大棚的外墻面積A1m2315大棚的屋面面積A2m2350室內(nèi)溫度℃24室外溫度℃7傳熱損失kW15.0633.1.2塑料大棚的滲透熱損失塑料大棚的密封性不太好，會(huì)有空氣從縫隙中滲透進(jìn)去并帶走一部分的熱量，這一部分的損失就是滲透熱損失，用下式計(jì)算：(3-3)式中：——滲透熱損失，W；K風(fēng)速——風(fēng)力因子；V——溫室容積，m3；N——每小時(shí)換氣次數(shù)。表3-2滲透熱損失計(jì)算名稱符號(hào)單位數(shù)值風(fēng)力因子kg/h1大棚的容積V℃1225換氣次數(shù)NkJ/kg1.2室內(nèi)溫度℃24室外溫度℃7滲透熱損失kW12.4953.1.3塑料大棚的地面熱損失塑料大棚直接建在地面上，地面溫度一般較低，熱量會(huì)向地面散失，產(chǎn)生熱損失。該大棚寬10m，所以只有一個(gè)區(qū)，傳熱系數(shù)取0.24W/(m·℃)。地面熱損失用下式計(jì)算：(3-4)式中：——地面熱損失，W；μi——第i層地面的傳熱系數(shù)，W/(m·℃)Ai——第i層地面的面積，m2。表3-3地面熱損失計(jì)算名稱符號(hào)單位數(shù)值地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)W/(m2·℃)0.24地面面積A3℃1225室內(nèi)溫度℃24室外溫度℃7地面熱損失kW1.428綜上，一個(gè)塑料大棚的采暖熱負(fù)荷為以上三項(xiàng)熱損失之和，即(3-5)表3-3塑料大棚的熱負(fù)荷計(jì)算名稱符號(hào)單位數(shù)值傳熱損失kW15.063滲透熱損失kW12.495地面熱損失kW1.428大棚熱負(fù)荷kW28.9863.2可供的大棚的數(shù)量和面積計(jì)算已知鍋爐的蒸汽體積、飽和蒸汽溫度和給水溫度以及對(duì)應(yīng)的焓值，則可算出用于供熱的有效利用熱量；上節(jié)中已經(jīng)算出了塑料大棚的熱負(fù)荷和一個(gè)大棚的占地面積，所以可以得到鍋爐可供大棚的數(shù)量y和面積Ag。(3-6)(3-7)(3-8)表3-4可供大棚的數(shù)量和面積計(jì)算名稱符號(hào)單位數(shù)值鍋爐的工作壓力MPa1.6鍋爐的蒸汽量kg/h20000飽和蒸汽溫度℃201.37飽和蒸汽焓kJ/kg11.93給水溫度℃60給水焓kJ/kg252.30有效利用熱量kW14110.56大棚熱負(fù)荷kW28.986可供大棚的數(shù)量個(gè)486可供大棚的面積m2170379.15第4章?tīng)t膛的熱力計(jì)算第4章?tīng)t膛的熱力計(jì)算本次設(shè)計(jì)的鍋爐為循環(huán)流化床鍋爐，但因?yàn)樯镔|(zhì)燃料的特殊性，與一般的循環(huán)流化床鍋爐有所不同。按循環(huán)的料是否收集在爐子外部，循環(huán)流化床鍋爐分為內(nèi)、外循環(huán)。本次設(shè)計(jì)的供熱鍋爐采用的是內(nèi)循環(huán)鍋爐，即在爐膛內(nèi)循環(huán)的料。爐膛分為密相區(qū)和稀相區(qū)，密相區(qū)布置豎埋管，稀相區(qū)無(wú)水冷壁，而是布置鍋爐管束。4.1爐膛的主要熱力參數(shù)4.1.1爐膛平均溫度的確定爐膛溫度主要應(yīng)保證高效的燃燒效率和脫硫效率，并保持氮氧化物低排放量，一般選取850℃，可以達(dá)到最佳的脫硫溫度和有效抑制氮氧化物生成的溫度；對(duì)于水分高的燃料，可提高爐膛溫度從而使燃燒效率提高，但最好不要超過(guò)900℃；因此對(duì)于循環(huán)倍率高的循環(huán)流化床鍋爐爐膛以及中、低循環(huán)倍率的鍋爐爐膛的密相區(qū)溫度，一般在850~900℃之間取。本次設(shè)計(jì)中循環(huán)倍率選取4，循環(huán)倍率較低，密相區(qū)設(shè)計(jì)溫度選取850℃，之后還需校核。4.1.2爐膛流化風(fēng)速和熱負(fù)荷的確定運(yùn)行風(fēng)速太小的話會(huì)導(dǎo)致循環(huán)流化床不能正常流化，還會(huì)影響燃燒和傳熱的過(guò)程，從而使鍋爐的尺寸極大。運(yùn)行風(fēng)速也不能過(guò)大，雖然減小了橫截表面的尺寸，卻使?fàn)t子高度不得不增加，不僅制造價(jià)格升高了，還會(huì)增加能耗和磨損。所以選取合適的運(yùn)行風(fēng)速很重要。密相區(qū)運(yùn)行風(fēng)速的一般選擇在5~8m/s左右，稀相區(qū)為4.5~6m/s，為了減少磨損和降低風(fēng)機(jī)能耗，一般可取5m/s。截表面的熱能負(fù)荷即在單位爐內(nèi)截表面積產(chǎn)生的熱量，該參數(shù)對(duì)于鍋爐的設(shè)計(jì)十分重要。在確定了燃料耗費(fèi)量之后，截表面熱負(fù)荷與流化速度也可以確定。當(dāng)流化速度為5~8m/s時(shí)，其截表面熱負(fù)荷大約為3~5MW/m2，斷面熱負(fù)荷一般可選3~4MW/m2。4.1.3一次風(fēng)和二次風(fēng)的比例為了減少氮氧化物的排放，一般都采取分段燃燒，所以分為一次風(fēng)和二次風(fēng)向爐膛送入所需的空氣。一次風(fēng)從布風(fēng)板將空氣送入，確保密相區(qū)燃料的正常流化，并且使其充分燃燒。二次風(fēng)從密集相區(qū)上面將空氣吹入，確保燃燒的整個(gè)過(guò)程在爐膛上方的很好進(jìn)行，并減少氮氧化物的產(chǎn)生。燃燒揮發(fā)分高的燃料，一次風(fēng)比例可以小一點(diǎn)，總風(fēng)量中一次風(fēng)占40~60%，木耳廢菌包的揮發(fā)分含量高，選擇50%。4.2爐膛的尺寸爐膛的尺寸主要包括爐膛的寬、深、高和爐膛下部的尺寸。要考慮是否滿足流化風(fēng)速、受熱面的布置是否能保證工質(zhì)的吸熱和二次風(fēng)是否能順利送入等問(wèn)題。4.2.1爐膛的橫截面積、爐深和爐寬爐膛的橫截面積用下式計(jì)算：(4-1)式中：——爐膛的橫截面積，m2；Bj——計(jì)算燃料消耗量，kg/s；Vy——標(biāo)準(zhǔn)狀況煙氣體積，m3；——煙氣速度，m/s；θpj——爐膛內(nèi)煙氣平均溫度，℃。確定了橫截面積之后，爐膛的深、寬根據(jù)已有運(yùn)行及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定，爐膛深度一般不超過(guò)8m，深寬比在1:1到2:1的范圍內(nèi)均可。選取爐的流化風(fēng)速為4m/s，爐膛橫表截面計(jì)算為2.51m2，選取深和寬之比為1:1，爐膛深度為1.59m，爐膛寬度為1.59m。4.2.2爐膛高度循環(huán)流化床鍋爐的密相區(qū)高度取決于二次風(fēng)口的位置，一般在1.5~3m的范圍內(nèi)。利用靜止料層高度范圍將密相區(qū)高度定為2m。爐膛高度應(yīng)以保證小于臨界粒徑的燃料顆粒一次性通過(guò)爐膛即能夠燃盡為原則確定，該高度也就是爐膛的最小高度。在混合完好情況下，爐膛的最小高度可用下式估算：(4-2) 式中：——物料的循環(huán)流率，kg/(m2·s)；——爐膛中氣固兩相流的平均密度，kg/m3，0.363kg/m3；——燃盡時(shí)間，s。物料的循環(huán)流率可以用選定的循環(huán)倍率乘以總?cè)剂狭吭俪誀t膛橫截面積得到，kg/(m2·s)。在循環(huán)流化床鍋爐中，尺寸較小的顆粒的燃燒處于動(dòng)力燃燒的區(qū)域，其燃盡時(shí)間tb為(4-3)式中：——燃料密度，kg/m3；——；——爐膛內(nèi)氧的摩爾濃度，kmol/m3，可取平均值；——化學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)，m/s，可按下式計(jì)算：(4-4)式中：Tp——粒子的熱力學(xué)溫度，K；R——?dú)怏w常數(shù)，值為8.314J/kmol。 如前所示，按ttb及di=dc，這里的dc取1500微米，由上式即可估算出燃燒室最小高度Hmin。4.2.3爐膛下部的尺寸上面計(jì)算的是爐膛上部分的高度，即耐火層上面的爐膛高度。從布風(fēng)板供應(yīng)一次風(fēng)，為密相區(qū)的燃燒的整個(gè)過(guò)程提供所需空氣。二次風(fēng)口放置的地方一般位于距布風(fēng)板1.5m~3m的位置，并且位于爐子上部和下部連接處。二次風(fēng)可以單層或多層供應(yīng)。下部的截面表面積通常較小，布風(fēng)板上呈圓錐型擴(kuò)大，角度小于45°，這樣可以在布風(fēng)板處將流化風(fēng)速提高，有利于燃料的燃燒，留在料層的時(shí)間將增加，所以燃燒熱能效率也會(huì)提高。二次風(fēng)吹進(jìn)口應(yīng)在爐膛擴(kuò)大處，以保證上方燃燒份額。該鍋爐將排渣管布置于爐墻接近布風(fēng)板處，這樣就不用在布風(fēng)板上開(kāi)小孔布置排渣管。4.3布風(fēng)裝置流化床鍋爐的布風(fēng)裝置大多采用風(fēng)帽式、密孔板式，其中風(fēng)帽式是最廣泛使用。傾面距布風(fēng)板最小距離為穩(wěn)定壓力段，其高度一般為500~900mm，底邊傾斜角度通常為60~70°。布風(fēng)板之間的空隙不宜過(guò)大，以免出現(xiàn)死滯區(qū)，造成床料沉積，導(dǎo)致局部結(jié)焦。風(fēng)帽節(jié)距一般為：(4-5)式中：——風(fēng)帽間距，mm；df——風(fēng)帽外徑，mm。設(shè)計(jì)中采用有帽頭的風(fēng)帽，用小直徑較小的風(fēng)帽，因?yàn)槠淞骰焚|(zhì)好，直徑約為40~50mm。應(yīng)用最廣泛的風(fēng)帽為菌狀和柱型兩種樣式的風(fēng)帽。橫方向孔之間的距離與縱方向孔之間的距離均為100mm。還會(huì)布置一些小孔在風(fēng)帽的周圍，數(shù)量取8~12，直徑取4~6mm。對(duì)燃料尺寸為0~8mm的燃料，一般取小孔風(fēng)速為30~35m/s，如果燃料的密度大，取上限；如果燃料的密度小，取下限。木耳廢菌包燃料密度小，因此設(shè)計(jì)時(shí)取小孔風(fēng)速為30m/s。4.4密相區(qū)埋管設(shè)計(jì)布置在密相區(qū)的豎埋管，其受熱面積按管子的外表的面積計(jì)算，即：(4-6)式中：——受熱面積，m2；——管子根數(shù)；——埋管的外徑，m；取51mm；——埋管的長(zhǎng)度，m；取=6m。其中，由于豎埋管彎曲部分距離布風(fēng)板風(fēng)帽平面至少為0.3m，因此4.9m位于密相區(qū)，0.8m位于稀相區(qū)過(guò)渡段。節(jié)距設(shè)置為120mm。由布風(fēng)板有效面積確定n=16，前后墻各8根。豎埋管底部彎頭處的磨損率最大，為了使磨損率降低，會(huì)在管子表面焊上防磨鰭片或防磨銷釘。若數(shù)量比較少、只在埋管彎頭處焊接，它的面積可忽略不計(jì)。4.5稀相區(qū)管束設(shè)計(jì)4.5.1稀相區(qū)輻射受熱面面積計(jì)算稀相區(qū)由鍋爐管束外敷耐火磚以及鍋爐管束排交叉彎曲構(gòu)成。位于稀相區(qū)下部過(guò)渡段內(nèi)的埋管延伸部分的受熱面，不斷受到料層粒子的直接沖刷，傳熱能力將大于稀相區(qū)管束區(qū)域，這部分受熱面積計(jì)算公式為：(4-7)式中：——位于稀相區(qū)下部過(guò)渡段空間內(nèi)的埋管延伸長(zhǎng)度，m；過(guò)渡段高度取為0.8m；——管子的外徑，m；——考慮埋管延伸部分的受熱面，一般取為1.4~1.6；當(dāng)埋管延伸部分布置在過(guò)渡段底部，取高值，當(dāng)埋管延伸部分較均勻地布置在整個(gè)過(guò)渡段的高度內(nèi)，取低值。這里取1.4；管束輻射受熱面面積：(4-8)式中：——各排管束角系數(shù)；——管子的外徑，m；管子直徑選取d=51mm，管距S按S/d在2~2.5間選取，節(jié)距S=120mm。根數(shù)為8。敷設(shè)耐火磚的管束部分，其輻射受熱面積折算按：(4-9)(4-10)式中：——敷墻傾斜直管面積，m2；——敷墻彎管面積，m2；——彎曲鍋爐管束面積，m2；——傾斜直鍋爐管束面積，m2；由于爐膛橫截面積為2.51m2，邊長(zhǎng)為1.59m，取彎曲圓直徑為1m。敷墻彎管和未敷墻彎管各占一半。=1.57m；=0.302m2；=2m2。為了能順利通過(guò)管束間隙進(jìn)入循環(huán)，未敷墻鍋爐管束在底面的長(zhǎng)度投影與敷管鍋爐管束在底面的長(zhǎng)度投影比為3:1。=29m；=5.57m2；=29.01m；=13.94m2；=37.17m2；稀相區(qū)輻射受熱面總面積：(4-11)4.5.2稀相區(qū)周界面積計(jì)算(4-12)式中：——密相區(qū)頂部橫截面，m2；——除了稀相區(qū)底部以外的其他周界面積，m2；4.5.3稀相區(qū)有效輻射層厚度(4-13)式中：——稀相區(qū)容積，m3；4.4密相區(qū)的傳熱計(jì)算4.4.1密相區(qū)煙氣側(cè)的熱平衡（一）燃燒份額燃料在密相區(qū)內(nèi)來(lái)不及燃燒的固體和氣體可燃物，隨飛灰離開(kāi)密相區(qū)后，將在稀相區(qū)進(jìn)一步燃燒，燃料只在密相區(qū)之中完成了部分燃燒，其燃燒數(shù)量占燃燼燃料的比例即為密相區(qū)的燃燒份額。在計(jì)算密相區(qū)煙氣側(cè)熱平衡時(shí)，必須考慮其燃燒份額。由于廢菌包揮發(fā)份較高，密相區(qū)燃燒份額取小值，取0.8。（二）密相區(qū)不完全燃燒損失確定了燃燒份額，即可以確定密相區(qū)固體不完全燃燒熱損失：(4-6)其中為密相區(qū)氣體不完全燃燒熱損失，可類比于揮發(fā)份同樣高的褐煤及I類煙煤：(4-7)由于燃料并不是全部在密相區(qū)中完成燃燒的，所以密相區(qū)出口的實(shí)際過(guò)量空氣系數(shù)將大于名義空氣過(guò)量系數(shù)，它們之間的關(guān)系如式：(4-8)密相區(qū)出口處煙氣焓是在密相區(qū)內(nèi)1kg實(shí)際燃料消耗量的基礎(chǔ)上，并按密相區(qū)實(shí)際過(guò)量空氣系數(shù)計(jì)算確定，即(4-9)式中：——理論煙氣焓，kJ/kg；——理論空氣焓，kJ/kg；——密相區(qū)出口飛灰焓，kJ/kg。4.4.2密相區(qū)出口處煙氣平均熱容量(4-10)式中：——密相區(qū)溫度，℃。4.4.3密相區(qū)入爐熱量(4-11)4.4.4埋管受熱面吸熱量埋管受熱面吸熱量可由下式求得：(4-12)式中：——保熱系數(shù)，可由下式求得：(4-13)4.4.5流化速度(4-14)式中：——密相區(qū)流化速度是指假定沒(méi)有料層時(shí)的橫截面氣體速度，m/s；——布風(fēng)板有效面積，m2；Vg——實(shí)際過(guò)量空氣系數(shù)下的煙氣體積，m3(標(biāo))/kg，用下式求得：(4-15)4.4.6臨界流化速度(4-16)式中：——阿基米德準(zhǔn)則數(shù)，用下式求得：(4-17)式中：g——重力加速度，取9.81m/s2；ρp——燃料真實(shí)密度，kg/m3；ρg——煙氣密度，kg/m3；——煙氣運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)，m2/s；——料層顆粒的平均當(dāng)量直徑，m；當(dāng)燃料尺寸為0~8mm時(shí)，通常取1.5mm。流化數(shù)的公式為：(4-18)4.4.7密相區(qū)埋管傳熱計(jì)算（一）傳熱計(jì)算的基本公式(4-19)式中：Hm——埋管受熱面積，m2；tw.f——埋管內(nèi)工質(zhì)溫度，℃；若埋管是蒸發(fā)受熱面，其值等于工作壓力下的工質(zhì)飽和溫度；K——埋管的總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。（二）傳熱系數(shù)若埋管為蒸發(fā)受熱表面，埋管的總傳熱系數(shù)K的組成為：乳化團(tuán)對(duì)表面的放熱系數(shù)和料層對(duì)表面的輻射放熱系數(shù)，即：(4-20)式中：——埋管的結(jié)構(gòu)特性修正系數(shù)，是修正埋管布置情況對(duì)傳熱方面的影響；乳化團(tuán)對(duì)壁面的放熱系數(shù)：(4-21)式中：——?dú)馀葙N壁所占的時(shí)間份額；——乳化團(tuán)與壁面之間的接觸熱阻，m2·℃/W；——乳化團(tuán)本身的熱阻，m2·℃/W。用下列公式計(jì)算：(4-22)當(dāng)乳化團(tuán)貼著壁面?zhèn)鬟f熱給表面時(shí)的兩個(gè)熱阻、用下列式子計(jì)算：(4-23)(4-24)式中：——乳化團(tuán)貼壁時(shí)間，s；——乳化團(tuán)有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；——乳化團(tuán)的密度，kg/m3；——乳化團(tuán)的比熱容，kJ/(kg·℃)；等于料層粒子的比熱容，也是灰的比熱容。乳化團(tuán)的貼壁時(shí)間：(4-25)乳化團(tuán)有效導(dǎo)熱系數(shù)：(4-26)(4-27)式中：λg——煙氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；λp——固體粒子的導(dǎo)熱系數(shù)，溫度在800~1000℃以內(nèi)，可取0.30~0.33W/(m·℃)；εcr——乳化團(tuán)的空隙度，一般為0.5。乳化團(tuán)的密度等于料層的堆積密度，即：(4-28)乳化團(tuán)接觸了埋管受熱面以后，會(huì)迅速使貼壁的粒子溫度降低。因此，計(jì)算料層對(duì)壁面的輻射放熱系數(shù)，要通過(guò)料層的有效輻射溫度來(lái)得到，即：(4-29)式中：——受熱面壁面黑度，可取=0.8；——埋管的壁面溫度，℃，；——料層有效輻射溫度，℃。(4-30)式中：——密相區(qū)溫度，℃。同時(shí)，結(jié)構(gòu)特性修正系數(shù)可表示埋管的布置形式和結(jié)構(gòu)特性對(duì)料層的放熱系數(shù)影響，可由下式求得：(4-31)對(duì)于豎向埋管，單排豎埋管的料層放熱系數(shù)與管子中心線距離爐壁的距離e有關(guān)，可用系數(shù)表示，由于e≧200mm，因此e/d>4，=1；查得0.92。4.4.8埋管受熱面設(shè)計(jì)與校核埋管受熱面設(shè)計(jì)計(jì)算的目的：根據(jù)所選燃料的性質(zhì)，選擇流化速度和高度，確定布風(fēng)板面積，根據(jù)選定的密相區(qū)溫度，求得埋管受熱面的面積，同時(shí)確定埋管受熱面布置形式。（一）埋管受熱面設(shè)計(jì)計(jì)算的步驟根據(jù)選定的流化速度計(jì)算布風(fēng)板有效面積；由選定的密相區(qū)溫度，按煙氣側(cè)熱平衡方程式計(jì)算埋管吸熱量；按給定的燃料分析資料計(jì)算料層的臨界流化速度；分別計(jì)算乳化團(tuán)貼壁時(shí)間和氣泡貼壁所占的時(shí)間份額；計(jì)算乳化團(tuán)對(duì)壁面的放熱系數(shù)；計(jì)算料層對(duì)壁面的輻射放熱系數(shù)；根據(jù)埋管的布置情況和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，查結(jié)構(gòu)特性修正系數(shù)，并計(jì)算料層對(duì)埋管的傳熱系數(shù)K；按下式計(jì)算埋管受熱面面積：(4-32)埋管受熱面校核計(jì)算的目的：按設(shè)計(jì)的埋管受熱面面積和結(jié)構(gòu)布置，利用燃料數(shù)據(jù)、燃料消耗量的等已知條件下，計(jì)算密相區(qū)溫度。（二）埋管受熱面校核計(jì)算的步驟估算爐膛密相區(qū)溫度；計(jì)算密相區(qū)出口處煙氣的平均熱容量；計(jì)算料層對(duì)埋管的傳熱系數(shù)K；按下式計(jì)算密相區(qū)溫度：(4-33)若計(jì)算得到的，與之前估選值作差，不超過(guò)20℃，則可認(rèn)為計(jì)算是合格的。若相差超過(guò)20℃，但不超過(guò)50℃，則需要重新估取，只重算輻射放熱系數(shù)，而和可不作修正。如果相差超過(guò)50℃，則應(yīng)重新估取，全部重新計(jì)算，直至符合誤差要求，應(yīng)以最后得到的為準(zhǔn)。表4-1傳熱計(jì)算名稱符號(hào)單位數(shù)值燃燒份額—0.8密相區(qū)氣體不完全燃燒熱損失%3密相區(qū)固體不完全燃燒熱損失%19.4密相區(qū)出口實(shí)際過(guò)量空氣系數(shù)—1.34密相區(qū)出口處煙氣焓kW5848.65密相區(qū)溫度℃850密相區(qū)出口煙氣的平均熱容量kJ/(kg·℃)6.88密相區(qū)的入爐熱量kJ/kg11678.17保熱系數(shù)—0.98埋管受熱面吸熱量kW7641.88流化速度m/s6.58阿基米德數(shù)—3402.42臨界流化速度m/s0.59流化數(shù)—4.29乳化團(tuán)的貼壁時(shí)間s1.44氣泡貼壁所占的時(shí)間份額—0.251乳化團(tuán)有效導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·℃)0.202乳化團(tuán)與壁面之間的接觸熱阻m2·℃/W0.0017乳化團(tuán)本身的熱阻m2·℃/W0.0088乳化團(tuán)對(duì)壁面的放熱系數(shù)W/(m2·℃)132.33料層對(duì)壁面的輻射放熱系數(shù)W/(m2·℃)67.62結(jié)構(gòu)特性修正系數(shù)—0.92埋管的總傳熱系數(shù)W/(m2·℃)183.96埋管的受熱面積m217.794.5稀相區(qū)傳熱計(jì)算4.5.1帶入稀相區(qū)熱量(4-34)式中：——每1kg計(jì)算耗燃料量帶入稀相區(qū)的熱量，kJ/kg；——稀相區(qū)漏風(fēng)系數(shù)，取值為0.1；——密相區(qū)出口煙氣焓；——密相區(qū)固體不完全燃燒熱損失，%；——煙道灰物理熱損失，%。稀相區(qū)受熱面的吸熱量可用熱平衡方程計(jì)算，即：(4-35)式中：——稀相區(qū)出口煙氣焓，kJ/kg。假定稀相區(qū)出口煙溫為750℃，查煙氣焓溫表可知其焓為7433.26kJ/kg。根據(jù)帶入稀相區(qū)的熱量和稀相區(qū)出口過(guò)量空氣系數(shù)，查焓溫表得稀相區(qū)入口折算煙氣溫度為803℃。知道了與，在兩者之間，1kg燃料所產(chǎn)生的煙氣平均熱容量：(4-36)4.5.2稀相區(qū)煙氣黑度（一）基本公式(4-37)式中：ag——稀相區(qū)煙氣黑度；k——煙氣輻射減弱系數(shù)，1/(m·MPa)；p——爐內(nèi)介質(zhì)壓力，MPa，對(duì)非正壓燃燒的爐膛一般取0.1MPa；S——有效輻射層厚度，m。（二）煙氣的輻射減弱系數(shù)(4-38)式中：——三原子氣體的輻射減弱系數(shù)；kf——飛灰的輻射減弱系數(shù)。(4-39)式中：——可由計(jì)算手冊(cè)附錄查得，查后得5.5/(m·MPa)；rg——三原子氣體總?cè)莘e份額。(4-40)式中：——稀相區(qū)出口煙氣溫度，K；ρg——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煙氣密度，kg/m3（標(biāo)）；dav——煙氣中固體粒子平均直徑，m；ρp——固體粒子真實(shí)密度，kg/m3；p——爐內(nèi)介質(zhì)壓力，MPa。μf——煙氣中的飛灰濃度，kg/kg，用下式計(jì)算：(4-41)式中：——煙氣帶走的飛灰份額；——飛灰含碳量，%；Gg——煙氣重量，kg/kg。（三）煙氣有效輻射層厚度 (5-23)對(duì)于光管的管束： (5-24)式中：——管子橫向節(jié)距，m；——管子縱向節(jié)距，m；——管子外徑，m。4.5.3稀相區(qū)出口溫度和出口焓稀相區(qū)出口無(wú)因次溫度用下式計(jì)算：(4-42)式中：——波爾茲曼準(zhǔn)則數(shù)；m——系數(shù)，取0.16；——稀相區(qū)系統(tǒng)黑度。波爾茲曼準(zhǔn)則數(shù)由下式得到：(4-43)式中：——絕對(duì)黑體輻射系數(shù)，值為5.7×10-8W/(m2·K4)；稀相區(qū)系統(tǒng)黑度用下式計(jì)算：(4-44)式中：ag——煙氣黑度；awal——受熱面表面黑度，可取0.8；ρ——火床與爐墻面積之比，ρ為0.00986；——稀相區(qū)水冷度，可由下式求得：(4-45)稀相區(qū)出口溫度可由下式計(jì)算：(4-46)查焓溫表稀相區(qū)出口煙氣焓：=6306.36kJ/kg。稀相區(qū)吸熱量：=3347.46kJ/kg第5章對(duì)流受熱面?zhèn)鳠嵊?jì)算第5章對(duì)流受熱面?zhèn)鳠嵊?jì)算5.1對(duì)流受熱面和傳熱過(guò)程5.1.1對(duì)流受熱面鍋爐中的對(duì)流受熱表面是指鍋爐管道、省煤設(shè)備等在這些受熱面中，溫度高的煙氣主要以相對(duì)流動(dòng)的方式進(jìn)行傳熱，所以成為對(duì)流受熱表面。鍋爐出口后煙氣流動(dòng)過(guò)程中所有進(jìn)行煙氣熱能交換的受熱表面都是鍋爐的對(duì)流受熱表面。這些受熱面的在結(jié)構(gòu)布置、工作介質(zhì)的種類和性質(zhì)以及所在的煙氣的溫度高低等方面都會(huì)不一樣，但是傳熱過(guò)程都是一樣的，即以相對(duì)流動(dòng)換熱為主的多種結(jié)合的傳熱過(guò)程，它們的傳熱量計(jì)算可以用一樣的方法進(jìn)行。在爐膛上方煙道附近放置的一些屏式的過(guò)熱器，雖然輻射換熱量有顯著的增大，但是由于管子里的工作介質(zhì)的熱能狀態(tài)與水冷壁不一樣，管子里工作介質(zhì)是以對(duì)流的形式進(jìn)行換熱；管子外面煙氣的流速要比爐膛煙氣的流速要大一些，也有一定的對(duì)流換熱性能。本章主要介紹各個(gè)對(duì)流受熱面?zhèn)鳠嵊?jì)算和計(jì)算所需的參數(shù)的選取和計(jì)算。5.1.2對(duì)流傳熱過(guò)程受熱表面的傳熱進(jìn)程包括三個(gè)主要的串聯(lián)環(huán)節(jié)：從熱的流體向溫度高的一側(cè)壁面的熱能傳遞；從溫度高的一側(cè)壁面向溫度低的一側(cè)壁面的熱能傳遞；從溫度低的一側(cè)壁面到冷的流體的熱能傳遞。在穩(wěn)定傳熱過(guò)程中，通過(guò)串聯(lián)在一起的各個(gè)環(huán)節(jié)的熱量流量Q是不變的。在鍋爐的受熱表面中熱量從溫度高的一側(cè)壁面到溫度低的一側(cè)壁面的傳遞進(jìn)程中，還有穿透管子外的壁面的積灰和管子內(nèi)的壁面的水垢層的導(dǎo)熱。鍋爐對(duì)流受熱表面的傳熱進(jìn)程的有一個(gè)顯著特征：從煙氣到溫度高的一側(cè)壁面的傳遞并不是一個(gè)純粹的對(duì)流換熱的過(guò)程，而是一種有輻射換熱的多種形式復(fù)合的換熱過(guò)程。在工程中，因?yàn)闊煔庵泻腥拥臍怏w以及揚(yáng)灰，它們也具有一定的輻射力，因此除了對(duì)流傳熱以外，還要加上爐膛的輻射放熱量。5.2傳熱計(jì)算5.2.1傳熱基本方程熱平衡方程表示煙氣放熱量和工質(zhì)吸熱量之間的平衡。(5-1)式中：Qh——對(duì)應(yīng)于1kg燃料，受熱面的吸熱量，kJ/kg；K——傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；——溫壓，℃；——計(jì)算燃料消耗量，kg/h；——修正系數(shù)，各受熱面取1；H——受熱面積，m2；對(duì)于鍋爐管道、省煤設(shè)備，受熱面的面積取成管子煙氣一側(cè)表面的面積，即按管子外直徑計(jì)算?？諝忸A(yù)熱設(shè)備的受熱面積按煙氣一側(cè)及空氣一側(cè)的平均表面積計(jì)算，即按管子的內(nèi)直徑和外直徑的平均值計(jì)算。5.2.2煙氣放熱量(5-2)式中：——漏風(fēng)系數(shù)；——保熱系數(shù)，之前已求出為0.98；——受熱表面入口處的煙氣焓，kJ/kg；——受熱表面出口處的煙氣焓，kJ/kg；——理論漏風(fēng)焓，即在空氣泄漏系數(shù)下的理論空氣焓，kJ/kg；應(yīng)先選定漏風(fēng)溫度，再在焓溫表里查得理論漏風(fēng)焓。對(duì)于空氣預(yù)熱設(shè)備，是指空氣中漏進(jìn)煙氣，漏風(fēng)溫度取為空氣預(yù)熱設(shè)備空氣一側(cè)進(jìn)、出口溫度，的平均值，即。對(duì)于其他受熱表面，漏風(fēng)溫度等于冷的空氣溫度，通常取20℃。5.2.3工質(zhì)吸熱量（一）空氣預(yù)熱器(5-3)式中：——空氣預(yù)熱器出口處的空氣量和理論空氣量的比值；、——分別為空氣預(yù)熱器出口和入口處的理論空氣焓，kJ/kg；——空氣預(yù)熱器的漏風(fēng)系數(shù)。（二）省煤器(5-4)式中：——受熱表面出口處的工質(zhì)焓，kJ/kg；——受熱表面進(jìn)口處的工質(zhì)焓，kJ/kg。5.2.4輻射熱量對(duì)流受熱面從爐膛獲得的輻射熱量為：(5-5)式中：——爐膛輻射面的平均熱流密度，W/m2；——煙窗面積，m2；——煙窗處對(duì)流受熱面管束的角系數(shù)；——煙窗處的爐膛內(nèi)輻射熱流體密度的分布系數(shù)；參照該原則選定：如果煙窗設(shè)在整個(gè)一面爐壁的上方，=0.6；如果煙窗設(shè)在爐壁側(cè)，且沿著爐膛整體高度，=0.8。5.3傳熱系數(shù)5.3.1傳熱系數(shù)通式(5-6)(5-7)式中：——熱有效系數(shù)，按表（5-1）??；——煙氣對(duì)管壁的放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；——煙氣對(duì)管子壁面的對(duì)流放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；——煙氣對(duì)管子壁面的輻射放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；——管壁對(duì)管子內(nèi)的工質(zhì)的放熱系數(shù)，W/(m2·℃)。表5-1熱有效系數(shù)受熱面名稱熱有效系數(shù)說(shuō)明過(guò)熱器0.60-0.70積灰少、沖刷好的受熱面選上限鍋爐管道及省煤器0.55-0.65流化床鍋爐的各個(gè)對(duì)流受熱表面選上限空氣預(yù)熱器0.75-0.80有管板的空氣預(yù)熱器選下限煙氣管內(nèi)縱向沖刷0.85-0.90—對(duì)于蒸發(fā)受熱面及省煤器，遠(yuǎn)大于，所以傳熱系數(shù)也可寫(xiě)成：(5-8)空氣預(yù)熱器一般放在低溫?zé)煹乐校瑹煔獾妮椛淇珊雎圆挥?jì)，其傳熱系數(shù)為：(5-9)對(duì)流受熱面得到爐膛的輻射熱之后，受熱面的溫度會(huì)上升，所以會(huì)使從煙氣傳給管子壁面的對(duì)流熱量減少，關(guān)于這部分受熱面的傳熱系數(shù)，在計(jì)算時(shí)，要將輻射熱的影響進(jìn)行修正。鑄鐵肋片式省煤器的傳熱系數(shù)可根據(jù)煙氣速度和溫度，查計(jì)算手冊(cè)附錄。5.3.2對(duì)流放熱系數(shù)影響對(duì)流放熱系數(shù)的參數(shù)有：氣流的速度和溫度、定性尺寸、管子的布置方式、受熱表面的形狀、受熱表面的沖刷情況（縱方向、橫方向或斜方向沖刷）、沖刷介質(zhì)的物理特征以及管子表面的溫度等。（一）煙氣計(jì)算速度(5-10)式中：F——煙氣流通面積，m2；Vg——1kg燃料在燃燒后，標(biāo)況下以煙氣管道中平均過(guò)量空氣系數(shù)去算得煙氣體積，m3(標(biāo))/kg；——煙氣平均溫度，℃。（二）煙氣流通面積當(dāng)煙氣或空氣橫方向或斜方向沖刷布置在等截表面煙氣道中的管束時(shí)，同流的截面積等于管道中心線所在平表面的煙氣管道截面積與管子肋片在該平面所占的面積作差，即：(5-11)式中：——管子中心所在煙道的尺寸，m；——每排管子的根數(shù)；——管子的長(zhǎng)度，m，彎管的管子長(zhǎng)度取它的投影長(zhǎng)度。——管子的外徑，m；我國(guó)低壓力的鍋爐一般采用d=51mm的無(wú)縫隙鋼管作為鍋爐管道，其橫方向相對(duì)節(jié)距s/d=2~2.5。（三）對(duì)流放熱系數(shù)氣流橫向沖刷順列管束時(shí)：(5-12)式中：——管束幾何布置形式的修正系數(shù)，和縱方向相對(duì)節(jié)距及橫方向相對(duì)節(jié)距有關(guān)，按式（5-13）計(jì)算；——?dú)饬髁鲃?dòng)方向上管子束排數(shù)的修正系數(shù)，與所求管束的各個(gè)管子組的平均排數(shù)有關(guān)；——?dú)饬黧w平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·℃)；——?dú)饬黧w平均溫度下的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)，m2/s；d——管子外徑，m；w——?dú)饬魉俣?，m/s；Pr——?dú)饬黧w速度溫度下的普朗特?cái)?shù)。其中用下式計(jì)算：(5-13)式中：(5-14)(5-15)若或，；若或，式中值就取3。當(dāng)時(shí)，用下式求?。?(5-16)當(dāng)時(shí)，橫方向沖刷的順排列管束的對(duì)流放熱系數(shù)可以查得。5.3.3輻射放熱系數(shù)（一）基本公式在進(jìn)行對(duì)流管子束的傳熱計(jì)算時(shí)，必須將高溫度煙氣的輻射加進(jìn)去。輻射放熱系數(shù)按下式算得： (5-17)式中：——受熱面的熱流密度，W/m2；——煙氣溫度，℃；——積灰狀態(tài)下管子表面溫度，℃。也可用下式求得： (5-18)式中：——積灰情況下受熱面表面的黑度；通常取0.8；ag——煙氣黑度；——煙氣平均溫度，K；——積灰狀態(tài)下受熱面表面溫度，K；用下式計(jì)算： (5-19) (5-20)式中：——積灰層兩側(cè)溫差，對(duì)于鍋爐管束及布置在高溫區(qū)(>100℃)的省煤器取=60℃；需注意：以上式子中的煙氣溫度應(yīng)取煙氣的平均溫度。5.4溫壓所謂溫壓是指參與熱量交換的兩種換熱介質(zhì)之間的在整個(gè)受熱表面中的平均溫度差。溫道差大小與兩種換熱介質(zhì)的相對(duì)流動(dòng)的方向有關(guān)。如果某一換熱介質(zhì)的溫度在受熱面范圍中是恒定不變的，如鍋爐管子束，這時(shí)溫壓與兩介質(zhì)的相對(duì)流動(dòng)方向是無(wú)關(guān)的。 (5-25)式中：——同一端兩介質(zhì)間的較大值，℃；——另一端兩介質(zhì)間的溫差值，℃。5.5傳熱計(jì)算方法在進(jìn)行各對(duì)流受熱表面的設(shè)計(jì)計(jì)算之前，可以根據(jù)已經(jīng)知道的蒸汽參數(shù)、給水溫度、選取的排煙氣溫度、熱風(fēng)的溫度、省煤器出口處的水溫等，提前估算各受熱面的吸熱量和受熱面前后的煙溫。在各受熱面計(jì)算完成后，再對(duì)選定的數(shù)值進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)流受熱表面設(shè)計(jì)計(jì)算的方法是：已定的受熱表面的吸收熱、工質(zhì)的進(jìn)、出口的溫度，確定受熱表面的面積。但受熱表面的結(jié)構(gòu)尺寸都是提前確定的。設(shè)計(jì)計(jì)算的步驟：根據(jù)煙氣與工作介質(zhì)的進(jìn)、出口處溫度，以及它們的相對(duì)流動(dòng)方向，確定平均溫壓、工作介質(zhì)平均溫度及煙氣的平均溫度，然后算得煙氣平均流動(dòng)速度及工質(zhì)平均流動(dòng)速度；確定對(duì)流放熱系數(shù)及輻射放熱系數(shù)；確定煙氣一側(cè)的放熱系數(shù)，對(duì)于空氣預(yù)熱器設(shè)備還需要確定工質(zhì)一側(cè)的放熱系數(shù)；根據(jù)不同情況選取有效系數(shù)，并確定傳熱系數(shù)；根據(jù)傳熱方程式計(jì)算受熱面積；進(jìn)行受熱面的布置，若實(shí)際布置的受熱面的面積和算得值有差別，應(yīng)根據(jù)實(shí)際布置的受熱面的面積校核受熱表面的吸收熱量、煙氣與工作介質(zhì)的出口溫度。校核計(jì)算校核計(jì)算的方法：已定受熱面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工質(zhì)入口處的溫度、計(jì)算燃料耗費(fèi)量、煙氣入口處的溫度、漏風(fēng)系數(shù)與漏風(fēng)焓等，確定受熱面的傳熱表面的傳遞熱量和煙氣、工質(zhì)的出口處的溫度。校核計(jì)算的步驟：先假設(shè)受熱表面的煙氣出口處的溫度，由焓溫表再查得出口焓；按煙氣側(cè)的熱量平衡方程計(jì)算煙氣放出的熱量；按工質(zhì)側(cè)的熱量平衡方程得到工作介質(zhì)出口焓值和溫度，蒸發(fā)受熱表面則不同；按傳熱方程算得受熱面?zhèn)鳠崃?；檢驗(yàn)?zāi)呈軣岜砻娴臒煔獬隹谔幍臏囟燃僭O(shè)的是否合理，可按下式計(jì)算煙氣放出熱量和傳遞熱量的誤差百分?jǐn)?shù)： (5-26)計(jì)算完成后，對(duì)于沒(méi)有減溫器的過(guò)熱設(shè)備，；而有減溫器的鍋爐管道束、省煤設(shè)備及空氣預(yù)熱器，。如果兩個(gè)熱量之差超過(guò)以上范圍，則必須重新假設(shè)煙氣出口處的溫度再次進(jìn)行計(jì)算。若第二次假設(shè)的溫度與第一次假設(shè)的溫度之差小于500℃，則傳熱系數(shù)可不必重新進(jìn)行計(jì)算，只需重新算得溫壓以及和然后再進(jìn)行校核，直到在規(guī)定范圍里為止。5.6鍋爐管束設(shè)計(jì)與計(jì)算對(duì)于低壓鍋爐，由于汽化所需焓較大，還必須在對(duì)流煙氣