炉内传热及其计算

1、西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 第三章第三章 锅炉炉膛的辐射传热及计算锅炉炉膛的辐射传热及计算 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 1 1 炉膛传热过程炉膛传热过程 炉膛是现代锅炉最重要的部分，从炉膛传炉膛是现代锅炉最重要的部分，从炉膛传 热过程来看，进入炉子的燃料与空气混合热过程来看，进入炉子的燃料与空气混合 着火燃烧后生成的高温的火焰与烟气，通着火燃烧后生成的高温的火焰与烟气，通 过辐射把热量传递给四周水冷壁管，到达过辐射把热量传递给四周水冷壁管，到达 炉膛出口处，烟气温度冷却到某一数值，炉膛出口处，烟气温度冷却到某一数值， 然后进入对流烟道。然后进入对流烟道。 西

2、安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 1.特点特点 炉膛内的传热过程与燃料的燃烧过程同时进行，参 与燃烧与传热过程的各因素相互影响。例如，燃料种 类不同燃烧过程不尽相同，形成的火焰成分及温度场 不同，炉膛的吸热量就会不同，即传热过程不同。反 之，传热过程不同就会导致温度场发生变化，影响燃 烧及燃尽。 炉膛传热以辐射为主，对流所占比例很小。 原因： 炉膛内火焰温度较高，例如1000左右，而四周水冷 壁管的温度较低，例如400 炉膛内烟气流速较低，因此，对流传热量占总换热量 的份额很小，一般5%。 西

3、安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 火焰与烟气温度在其行程上变化剧烈火焰与烟气温度在其行程上变化剧烈 对于一般的煤粉炉对于一般的煤粉炉 原因：原因： 火焰根部，燃料燃火焰根部，燃料燃 烧生成的热量大于烧生成的热量大于 辐射传热量，火焰辐射传热量，火焰 温度升高。温度升高。 火焰继续上升，可火焰继续上升，可 燃物逐渐燃烬，燃燃物逐渐燃烬，燃 烧生成的热量小于烧生成的热量小于 辐射传热量，因而，辐射传热量，因而， 火焰温度下降。火焰温度下降。 于是，存在一点在于是，存在一点在 该点火焰温度最高，该点火焰温度最高， 称该点火焰中心。称该点火焰中心。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究

4、所 火焰在炉膛内的换热是一种容积辐射。火焰在炉膛内的换热是一种容积辐射。 辐射换热量与整个炉膛的形状和尺寸等有辐射换热量与整个炉膛的形状和尺寸等有 关。容积越大，炉内换热器量越多，炉膛关。容积越大，炉内换热器量越多，炉膛 出口烟气温度越低。反之炉膛内换热量越出口烟气温度越低。反之炉膛内换热量越 小，炉膛出口烟气温度越高。小，炉膛出口烟气温度越高。 运行因素影响炉内传热过程，例如，运运行因素影响炉内传热过程，例如，运 行过程中，污染发生，污染后的受热面表行过程中，污染发生，污染后的受热面表 面温度升高，导致炉膛换热量降低。面温度升高，导致炉膛换热量降低。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研

5、究所 2.炉膛传热计算方法的分类炉膛传热计算方法的分类 根据根据“维维”数数来分，有零维模型，一维，二维，三维模来分，有零维模型，一维，二维，三维模 型。型。 根据方法论根据方法论，有经验法和半径验法，有经验法和半径验法 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 零维模型零维模型，假定炉内各物理量如烟温，火，假定炉内各物理量如烟温，火 焰温度，受热面壁温等都是均匀的，计算焰温度，受热面壁温等都是均匀的，计算 得到的结果也是某些平均值，如平均炉膛得到的结果也是某些平均值，如平均炉膛 出口烟温，平均受热面热负荷等。出口烟温，平均受热面热负荷等。 一维模型一维模型：沿炉膛的轴线方向，例如高度，：

6、沿炉膛的轴线方向，例如高度， 考虑温度，黑度等的变化，而在垂直于轴考虑温度，黑度等的变化，而在垂直于轴 线的平面上则认为各个物理量是均匀的。线的平面上则认为各个物理量是均匀的。 二维模型二维模型：适用于轴对称的圆柱型炉膛。：适用于轴对称的圆柱型炉膛。 三维模型三维模型：可以得到炉膛内的温度场，热：可以得到炉膛内的温度场，热 负荷等。负荷等。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 讨论：讨论： 零维、一维模型简单，计算方便，但零维、一维模型简单，计算方便，但 与实际情况相差较大。与实际情况相差较大。 二维模型对实际锅炉用处不大，（无二维模型对实际锅炉用处不大，（无 圆柱形）圆柱形） 三维

7、模型计算难度大，考虑的因素多，三维模型计算难度大，考虑的因素多， 但接近实际情况，计算机的出现，使但接近实际情况，计算机的出现，使 得该模型前途光明。得该模型前途光明。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 经验法：经验法：根据工业性试验结果，整理成经验公式根据工业性试验结果，整理成经验公式 或图表，计算往往比较简单，也可能相当精确，或图表，计算往往比较简单，也可能相当精确， 缺点是，局限较大，只能用于规定的范围，不能缺点是，局限较大，只能用于规定的范围，不能 外推。外推。 过去：过去：主要依靠经验法。主要依靠经验法。 现在：现在：产品较单一的厂家，仍然采用。产品较单一的厂家，仍然采用

8、。 半经验法：半经验法：采用一定的理论（例如相似理论），采用一定的理论（例如相似理论）， 找到描述炉内过程的微分方程，进一步得准则方找到描述炉内过程的微分方程，进一步得准则方 程，再利用这些准则方程整理试验数据。程，再利用这些准则方程整理试验数据。 目前：目前：零维模型半经验法仍是炉膛传热计算的基零维模型半经验法仍是炉膛传热计算的基 本方法。本方法。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 3.炉膛传热计算的基本公式炉膛传热计算的基本公式 1热平衡方程式热平衡方程式 几个概念：几个概念： ()()有效放热量有效放热量 ：随同每千克计算燃：随同每千克计算燃 料送入炉膛的热量。料送入炉膛的热

9、量。 l Q 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 ()理论燃烧温度理论燃烧温度 ll T，1kg 燃料在绝热条件燃料在绝热条件 下燃烧后烟气所具有的温度。下燃烧后烟气所具有的温度。实实际上，由于际上，由于 火焰与水壁之间有热交换，火焰的温度实际火焰与水壁之间有热交换，火焰的温度实际 上会低于上会低于 ll T。在炉膛出口处，烟气完成了全在炉膛出口处，烟气完成了全 部炉内的换热过程，温度最低，烟气的焓最部炉内的换热过程，温度最低，烟气的焓最 小。小。根据能量守恒原理，烟气在炉膛内的换根据能量守恒原理，烟气在炉膛内的换 热量可以看成烟气从理论燃烧温度到炉膛出热量可以看成烟气从理论燃烧温度

10、到炉膛出 口温度的焓降，即，口温度的焓降，即， 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 llj IQBQ 保保 温温 系系 数数 ， 5 5 1 q q j B 计 算 燃 料 消 耗 量 若烟若烟气在气在 ll T和和 l T温度之间的比热容量，温度之间的比热容量， 可以用某一平均值可以用某一平均值 Pj VC表示， 最后得到：表示， 最后得到： lllpjj TTVCBQ 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 2 2辐射换热方程式辐射换热方程式 直接计算辐射换热量，直接计算辐射换热量，Stephan-Boltzmann 把火焰和炉壁看成两个无限大的平行平面，则把火焰和炉壁看成

11、两个无限大的平行平面，则 系统黑度系统黑度, Thy,Tb火焰炉壁的平均温度火焰炉壁的平均温度 火焰炉壁的黑度火焰炉壁的黑度;炉壁面积炉壁面积 44 0bhylxt TTFaQ xt a 1 11 1 bhy xt aa a bhy aa , l F 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 根据有效辐射计算换热量根据有效辐射计算换热量 如果火焰对炉壁的有效辐射为如果火焰对炉壁的有效辐射为，炉壁对火焰，炉壁对火焰 的有效辐射为的有效辐射为，则单位面积上火焰和炉壁间的，则单位面积上火焰和炉壁间的 换热量为换热量为。该热量与火焰对炉壁的有效辐。该热量与火焰对炉壁的有效辐 射之比称为炉壁的热有效

12、系数射之比称为炉壁的热有效系数 于是于是 利用辐射热统计或其他仪器可测得利用辐射热统计或其他仪器可测得和和，于，于 是得到是得到Q。 1yx q 2yx q 21yxyx qq 1 21 yx yxyx q qq 121yxyxyx qqqq 1yxl qFQ 1yx q 2yx q 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 假定假定也可用四次方程来表示也可用四次方程来表示 式中式中为炉膛黑度，值得注意的是：为炉膛黑度，值得注意的是：既非火既非火 焰黑度，也非系统黑度，而是对应于火焰有效焰黑度，也非系统黑度，而是对应于火焰有效 辐射的一个假想的黑度。辐射的一个假想的黑度。 1yx q 4

13、01hylyx Taq l a l a 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 四对基本换热方程式的分析四对基本换热方程式的分析 由热平衡方程来看，要求得炉换热量由热平衡方程来看，要求得炉换热量Q，必须求必须求 得得，那么，那么与哪些参数相关呢？与哪些参数相关呢？ 即即(1) 或或（2） l T l T 辐射热平衡 QQ 44 0 bhylxtpjlllj TTFaVCTTB 4 0 hylllllpjj TaFTTVCB 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 由（由（1）知，若求）知，若求，必须预先得，必须预先得 到到， 由（由（1）知，若求）知，若求，必须预先得到，必须预先得

14、到, ， 目前，目前，的确定有困难，经过探索的确定有困难，经过探索 可确定，因此，我们的任务可确定，因此，我们的任务 是：是： 确定：确定： l T hy T xt a b T l T hy T l a xt a b T l a hy T l a 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 二、炉内温度场分布规律二、炉内温度场分布规律 研究炉内温度场分布规律的目的：研究炉内温度场分布规律的目的： 确定火焰的平均温度确定火焰的平均温度。 前面讲过，火焰及烟气在其行程上的变化是前面讲过，火焰及烟气在其行程上的变化是 剧烈的，但影响炉内温度场沿炉膛高度及的剧烈的，但影响炉内温度场沿炉膛高度及的 变

15、化有许多因素，例如，燃料特性，燃烧方变化有许多因素，例如，燃料特性，燃烧方 式，受热面的结构特性等。但试验表明，对式，受热面的结构特性等。但试验表明，对 于有相当高度而四周布满水冷壁的炉膛，炉于有相当高度而四周布满水冷壁的炉膛，炉 内温度场具有类似性，并且可表达成内温度场具有类似性，并且可表达成: hy T 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 （1） 其中，其中，为理论燃烧温度，为理论燃烧温度，相对火焰高度相对火焰高度 L火焰的总高度（燃烧器中心到出口中心），火焰的总高度（燃烧器中心到出口中心），x距距 燃烧器中心的火焰高度；燃烧器中心的火焰高度； 为考虑传热，燃烧对火焰温度影响的经

16、验系数。为考虑传热，燃烧对火焰温度影响的经验系数。 （1）中令中令，得炉膛出口无因次温度的四次方，得炉膛出口无因次温度的四次方 ： 将（将（1）从）从0到到1积分，可得到炉膛火焰温度四次方的积分，可得到炉膛火焰温度四次方的 平均值：平均值： 最高温度点的位置最高温度点的位置 得得 ee 4 ll T T ll T L x , 1 ee l 4 eedx hy 1 1 1 1 1 0 44 0 4 dx d lnln m X 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 由于由于均为均为和和的函数，联立后消去的函数，联立后消去和和， 得到：得到： 此函数关系画在图上此函数关系画在图上 mhyl

17、X及 44 , mlhy Xf, 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 可以看出，可以看出，Xm不变时不变时,与与呈线性关系呈线性关系. 因此有因此有 m和和n均是均是Xm的函数的函数 截距近似为截距近似为0， n实际上是实际上是Xm为不同值时，直线的斜率，从图中可以大致为不同值时，直线的斜率，从图中可以大致 得到得到 最后，有火焰平均温度最后，有火焰平均温度 hy lg l lg n l hym 4 4 lglglgmn lhy 0lg 4 m1m 0 . 14 . 0 n n ll l ll hy T T m T T 4 4 n L n llhy TmTT 4 144 西安交通大学

18、锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 3炉膛黑度炉膛黑度 一、室燃炉的一、室燃炉的 前面讲过两个传热方程前面讲过两个传热方程 二者相等二者相等 l a 44 0bhylxt TTFaQ 4 0hyll TaFQ 4 4 1 hy bxt l T Ta a 4 4 1 1 11 1 hy b bhy T T aa 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 火焰的有效辐射火焰的有效辐射 炉壁对火焰的有效辐射炉壁对火焰的有效辐射 而而 代入后，整理得代入后，整理得 4 01hylyx Taq 4 0 4 02 1 hylbbbyx TaaTaq 1 21 yx yxyx q qq b l hy b

19、a a T T 1 4 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 b l bhy l a a aa a 11 1 11 1 blbhy aaaa 1 1 1 11 1 1 lhy aa hyhy hy hy l aa a a a 1 1 1 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 二、火床炉的二、火床炉的 对于火床炉，炉排上的赤热煤层也参与辐射对于火床炉，炉排上的赤热煤层也参与辐射 换热，情况更复杂，假定燃烧层的黑度为换热，情况更复杂，假定燃烧层的黑度为1，燃，燃 烧层的温度与火焰温度相等，经求解得到烧层的温度与火焰温度相等，经求解得到 其中其中为炉排面积为炉排面积R与炉膛总壁面积与

20、炉膛总壁面积之比之比 （不包括（不包括R） l a 1111 1 hy hyhy l a aa a l F l F R 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 4火焰黑度火焰黑度 在炉膛黑度的计算式中，除在炉膛黑度的计算式中，除外，还须知道外，还须知道， 即火焰黑度，那么怎样计算即火焰黑度，那么怎样计算呢？呢？ hy a hy a 我们在传热学中知道，固体发射或吸收辐射能可我们在传热学中知道，固体发射或吸收辐射能可 以认为中在表面进行，称表面辐射，但是，当气以认为中在表面进行，称表面辐射，但是，当气 体或带有悬浮固体粒子的气体和其他物体进行辐体或带有悬浮固体粒子的气体和其他物体进行辐 射

21、换热时，它的辐射和吸收是沿整个容积进行的射换热时，它的辐射和吸收是沿整个容积进行的 ，称容积辐射。，称容积辐射。 气体介质辐射的一个重要特点是可能具有明显的气体介质辐射的一个重要特点是可能具有明显的 选择性，气体只辐射和吸收一定波长间隔（称为选择性，气体只辐射和吸收一定波长间隔（称为 光带）中的辐射，对于其他波长的辐射能，它几光带）中的辐射，对于其他波长的辐射能，它几 乎是透明的。乎是透明的。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 在锅炉的炉膛中，研究的是烟气辐射。在锅炉的炉膛中，研究的是烟气辐射。 烟气一般由烟气一般由 二原子气体（二原子气体（N2，O2，CO） 三原子气体（三原子气

22、体（CO2，H2O，SO2） 以及悬浮固体粒子（炭黑、飞灰，焦碳粒以及悬浮固体粒子（炭黑、飞灰，焦碳粒 子）所组成。子）所组成。 氮和氧发射和吸收辐射热的能力很弱，可氮和氧发射和吸收辐射热的能力很弱，可 以认为是透明的，一般情况下，烟气中以认为是透明的，一般情况下，烟气中CO 的浓度很低。因此，中烟气中具有辐射能的浓度很低。因此，中烟气中具有辐射能 力的主要是三原子气体和悬浮的固体粒子。力的主要是三原子气体和悬浮的固体粒子。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 1 1 三原子气体三原子气体 COCO2 2，H H2 2O O，SOSO2 2在红外线光谱区的某些光带内辐在红外线光谱区的

23、某些光带内辐 射和吸收能量，在光带外，既不辐射也不吸收，射和吸收能量，在光带外，既不辐射也不吸收， 呈现透明性质，因而，若火焰完全是由三原子呈现透明性质，因而，若火焰完全是由三原子 气体组成时，这种火焰肉眼看不到，称为不发气体组成时，这种火焰肉眼看不到，称为不发 光火焰。光火焰。 2 2 炭黑粒子炭黑粒子 成因：燃料的烃类化合物在高温下分解。成因：燃料的烃类化合物在高温下分解。 特点特点 （1 1）直径小，）直径小，0. 030. 03mm （2 2）使火焰发光，具有很强的辐射能力。使火焰发光，具有很强的辐射能力。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 3焦碳粒子焦碳粒子 成因：水分和

24、挥发分逸出后的剩余部分。成因：水分和挥发分逸出后的剩余部分。 特点特点（1）直径稍大，）直径稍大，3050m （2）有很强的辐射能力。有很强的辐射能力。 4灰粒子灰粒子 成因：焦碳粒子的可燃成分燃烬后的剩余部分。成因：焦碳粒子的可燃成分燃烬后的剩余部分。 特点特点（1）直径与炭黑粒子和焦碳粒子之间。）直径与炭黑粒子和焦碳粒子之间。 （2）有一定的辐射能力，在高温下发光。）有一定的辐射能力，在高温下发光。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 火焰辐射的特点是它在整个炉膛容积中进火焰辐射的特点是它在整个炉膛容积中进 行。而火焰与周围水冷壁换热量可以看作行。而火焰与周围水冷壁换热量可以看作

25、 是整个炉膛容积内的火焰对其全部周界面是整个炉膛容积内的火焰对其全部周界面 的辐射力。由于炉膛的形状不尽规则，从的辐射力。由于炉膛的形状不尽规则，从 不同方向辐射对周界面上的射线行程各不不同方向辐射对周界面上的射线行程各不 相同，导致到达周界面上的辐射力亦不相相同，导致到达周界面上的辐射力亦不相 同。同。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 从传热学的观点，将火焰作为灰体，则 KPS hy eQ 1 P炉膛压力，一般取 P=0.1MPa； K火焰辐射减弱系数，是火焰中各辐射介质的减弱系数 的代数和。单位：1/（mMPa） 贝尔规律 ks s eII 0 采用当量半球的方法。此时关键是

26、求得当量半球的半径 S， 即平均射线行程，一般 C F V S 4 F包壁面积，V气体容积，C修正系数，C=0.850.97 在锅炉热工计算中，取 C=0.9 即 F V S6 . 3 称 S 为有效辐射层厚度 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 燃用气体、重油的火焰中，主要辐射燃用气体、重油的火焰中，主要辐射 介质是三原子气体及炭黑。燃用固体介质是三原子气体及炭黑。燃用固体 燃料的火焰中，除三原子气体外，还燃料的火焰中，除三原子气体外，还 有灰粒子及焦炭粒子。有灰粒子及焦炭粒子。 一般将上述两种情况分开处理一般将上述两种情况分开处理. 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所

27、PSkrk fg thqq ea )( 1 PSrk bfg qq ea 1 式中 q r火焰中三原子气体总的容积份额, OHROq rrr 2 2 q k三原子气体的辐射减弱系数。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 1000 37. 011 . 0 10 6 . 178. 0 10 2l q oH q T SP r k q P火焰中三原子气体总的分压力，PrP qq ； th k火焰中炭黑粒子的辐射减弱系数， Y Y l lth H CT k 5 . 0 1000 6 . 123 . 0 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 从该式中可看出：从该式中可看出： H C 越高

28、，炭黑粒子的浓度就越高， th k越大。 l 越高， th k越小，当2 l 时，0 th k l T越高，炉温度 mm HC分解得的越多， th k越大。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 燃用固体燃料 21x xkkrkk jhhqq 1/（mMPa） 3 22 43000 hl y h dT k 1/（mMPa） 式中， y 烟气的密度，可取 y =1.3kg/m3； h d 灰粒的平均直径。对层燃炉，可取 h d =20 m ， 对煤粉炉，可取h d =16 m ； 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 h 灰粒的无因次浓度。 y fh y h G aA 100 j

29、 k可取 j k=10 1/（mMPa） 1 x为考虑燃料种类影响的系数，对无烟煤和贫煤，取 1 x=1； 对烟煤和褐煤，取 1 x=0.5。 2 x为考虑燃烧方式影响的系数 对煤粉炉取 2 x=0.1； 对层燃炉取 2 x=0.03。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 5炉膛受热面的辐射特性炉膛受热面的辐射特性 一、角系数及有效系数一、角系数及有效系数 炉内吸热是借炉膛内布置了辐射受热面炉内吸热是借炉膛内布置了辐射受热面 水冷壁来达到的。水冷壁来达到的。 水冷壁的辐射受热面面积并不等于所有管水冷壁的辐射受热面面积并不等于所有管 子的表面积，这是因为水冷壁管一般都是子的表面积，这是

30、因为水冷壁管一般都是 靠炉墙布置，只有曝光的一面受到炉内火靠炉墙布置，只有曝光的一面受到炉内火 焰的辐射，而其背面只受到炉墙的反射辐焰的辐射，而其背面只受到炉墙的反射辐 射，所以不能完全利用。射，所以不能完全利用。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 设火焰向炉壁总的投射热量为 t Q， 而一次投落到管子壁面上的热量为 Q， 则 t Q Q （传热学的角系数定义） 为纯几何因子为纯几何因子 但锅炉的水冷壁由于它与炉墙的相对位置，使得但锅炉的水冷壁由于它与炉墙的相对位置，使得 未直接投射到水冷壁管上的辐射热，未直接投射到水冷壁管上的辐射热，到达炉墙后，到达炉墙后， 会被反射回来而部分落

31、到水冷壁管子上。会被反射回来而部分落到水冷壁管子上。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 有效角系数x的定义： 投射到炉壁的热量 投射到受热面的热量 x 它计及了火焰辐射与炉墙反射的作用。它计及了火焰辐射与炉墙反射的作用。 ),( d e d s fx 大大 s，管数少，炉墙温度升高。，管数少，炉墙温度升高。 e 大也对炉墙失去保护作用。但太小，大也对炉墙失去保护作用。但太小， 则金属利用率差。则金属利用率差。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 对膜式壁对膜式壁x=1。 炉膛出口烟窗取炉膛出口烟窗取x=1。 但对炉膛出口处布置的管排而言，但对炉膛出口处布置的管排而言，x不

32、能视为不能视为1。 有效角系数与炉壁面积的乘积称为有效辐射受热面。有效角系数与炉壁面积的乘积称为有效辐射受热面。 bf xFH 若某区域的炉壁面积为若某区域的炉壁面积为Fbi，有效角系数为有效角系数为xi，则则 该区域的有效辐射受热面为该区域的有效辐射受热面为: biifi FxH 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 由于名区域布置水冷壁有效角系数不尽相同，则由于名区域布置水冷壁有效角系数不尽相同，则 炉膛总的效辐射受热面炉膛总的效辐射受热面 biifi FxHH 整个炉膛的平均角系数 bzbi bii F H F Fx x bz F为炉膛壁面总面积，对层燃炉 RFF lbz l F

33、为炉膛包覆面积，R 为炉排面积。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 也称作炉膛的水冷程度，现代锅炉膛的也称作炉膛的水冷程度，现代锅炉膛的 水冷程度都很高，一般可达水冷程度都很高，一般可达0.9以上。以上。 整个炉膛中，所布置的水冷壁结构特性不整个炉膛中，所布置的水冷壁结构特性不 同，或污染情况不同时，名部分的热有效同，或污染情况不同时，名部分的热有效 系数不等。则整个炉膛的平均热有效系数系数不等。则整个炉膛的平均热有效系数 为为 x bz bii l F F 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 二、热有效系数二、热有效系数 炉膛水冷壁管的热有效系数表示火焰与炉炉膛水冷壁管

34、的热有效系数表示火焰与炉 壁间接的换热量与火焰有效辐射之比。壁间接的换热量与火焰有效辐射之比。 投射到炉壁的热量 受热面吸收的热量 1 21 yx yxyx q qq 值越大，表示炉壁的吸热能力越高， 值的大小取决于 2yx q，若0 2 yx q，1； 若 12yxyx qq，0。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 2yx q是自身辐射及反辐射所组成。显然，若炉壁温度很低， 则其自身辐射部相对地就很小；若炉壁黑度增大，则炉壁的 反辐射就减小。所以，炉壁的有效辐射决定于炉壁温度 b T及 黑度 b a 如果水冷壁管表面十分干净，则外壁温度接近管内如果水冷壁管表面十分干净，则外壁温度

35、接近管内 工质温度，一般情况下不会高于工质温度，一般情况下不会高于400，管壁的自身，管壁的自身 辐射相对于火焰的有效辐射可以忽略。辐射相对于火焰的有效辐射可以忽略。 若水冷壁管外壁结了一层垢，即使很簿，管子最外若水冷壁管外壁结了一层垢，即使很簿，管子最外 层灰垢的表面温度也会很高，如层灰垢的表面温度也会很高，如900，这时自身辐，这时自身辐 射就不能忽略了。此外，水冷壁越脏，炉壁黑度就射就不能忽略了。此外，水冷壁越脏，炉壁黑度就 越小，使炉壁的反辐射增加。越小，使炉壁的反辐射增加。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 三、污染系数 水冷壁管的污染系数表示水冷壁管由于结积灰垢导致管壁

36、温度升高和 黑度减小而水冷壁管吸热能力减小的一个系数。 投射到受热面的热量 受热面吸收的热量 显然，气体燃料的液体燃料的 固体燃料的 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 有 效 角 系 数 x， 污 染 系 数 和 热 有 效 系 数 从 不 同 的 角 度 描 述 了 炉 膛 受 热 面 的 辐 射 特 性 。 三 者 的 关 系 为 ： x M 经 验 系 数 ，取 决 于 炎 焰 最 高 点 的 相 对 位 置X m， 与 燃 料 种 类 ， 燃 烧 方 式 有 关 。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 6炉膛传热计算炉

37、膛传热计算 其中其中 4 0hyll TFaQ n l n llhy TmTT 4 144 n l n llll TmTFaQ 4 14 0 lllpjj TTVCBQ 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 由上两式 01 04 l l n l ma B ll l l T T 3 0 0 lll pjj TF VCB B Boltzmann 准则数 它表示炉膛换热能力与炉膛为黑体时的换热 能力之比。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 若能够确定 m，n 的数值，则从这个无因次方程可以进行炉膛传热如前面所述， 1m。则 n a B f l l , 0 研究表明，n 与燃烧及传

38、热条件有关，不能依靠理论分析得到，统计分析大量 的试验结果： 6 . 0 0 6 . 0 0 l l l a B M a B 或者 1 6 . 0 3 0 pjj llll ll l VCB TaF M T T 根据这个公式可以计算出炉膛出口烟温 l ，或炉膛壁面积 l F ，最后得到炉 膛传热量。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 7炉膛出口烟温及其影响因素炉膛出口烟温及其影响因素 一、炉膛出口温确定的原则一、炉膛出口温确定的原则 1保证锅炉辐射受热面和对流受热面工作保证锅炉辐射受热面和对流受热面工作 的可靠。的可靠。 燃用固体燃料时，以受热面不结渣为为限，燃用固体燃料时，以受热

39、面不结渣为为限， 一般应小于一般应小于t1。 液体和气体燃料时，无结渣问题，主要受液体和气体燃料时，无结渣问题，主要受 经济性的限制。经济性的限制。 但不能太低，否则炉内平均温度度水平降但不能太低，否则炉内平均温度度水平降 低，影响炉内燃料稳定的着火和燃尽。低，影响炉内燃料稳定的着火和燃尽。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 2技术经济性的要求技术经济性的要求 炉膛中辐射传热量与火焰的温度的四次方成正比，炉膛中辐射传热量与火焰的温度的四次方成正比， 在高烟温区中辐射传热的效果优于对流传热，因在高烟温区中辐射传热的效果优于对流传热，因 此，若吸收相同的热量，采用辐射传热可以节省此，若

40、吸收相同的热量，采用辐射传热可以节省 受热面积和金属消耗量。但过多地增加辐射受热受热面积和金属消耗量。但过多地增加辐射受热 面后，炉膛出口温度降得太低，亦即炉内温度水面后，炉膛出口温度降得太低，亦即炉内温度水 平较低，这不仅影响燃烧的顺利进行，而且辐射平较低，这不仅影响燃烧的顺利进行，而且辐射 热负荷的减低，节省金属的优越性不能充分体现。热负荷的减低，节省金属的优越性不能充分体现。 因此，若较高辐射受热较少，对流受热面就须很因此，若较高辐射受热较少，对流受热面就须很 多，但较低辐射受热较多，对流受热面就也减少多，但较低辐射受热较多，对流受热面就也减少 不了很多。不了很多。 故有最佳值使得二者和

41、为最小。故有最佳值使得二者和为最小。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 我国热力计算标准方法中推荐，小型锅炉我国热力计算标准方法中推荐，小型锅炉 燃用固体燃料时，炉膛出口烟温不宜低于燃用固体燃料时，炉膛出口烟温不宜低于 950。对于燃用固体燃料的大中型室燃炉，。对于燃用固体燃料的大中型室燃炉， 比较经济合理的炉膛出口烟温约为比较经济合理的炉膛出口烟温约为1200， 燃用气体燃料时，因其火焰发光性较差黑燃用气体燃料时，因其火焰发光性较差黑 度较小，辐射传热效果差，而对流受热面度较小，辐射传热效果差，而对流受热面 没有飞灰磨损的限制，将用较高的烟气流没有飞灰磨损的限制，将用较高的烟气流

42、 速，以获得较大的对流传热系数，炉膛出速，以获得较大的对流传热系数，炉膛出 口烟温可提高到口烟温可提高到1400左右。左右。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 说明：此式虽来大量的统计数据，但当时的容量说明：此式虽来大量的统计数据，但当时的容量 较小较小300t/h。且忽略了炉膛截面上温度不均匀的且忽略了炉膛截面上温度不均匀的 影响，因此，容量较大时，计算不够准确，对我影响，因此，容量较大时，计算不够准确，对我 国的煤种类，计算值较实测值低国的煤种类，计算值较实测值低100130。已有。已有 的适用更大容量的计算式。的适用更大容量的计算式。 即使仍采用上式的形式，也应进行修正，如哈

43、锅即使仍采用上式的形式，也应进行修正，如哈锅 与普华公司合作，认为上世纪式应增加形状系数，与普华公司合作，认为上世纪式应增加形状系数， 在决定在决定M值时应考虑煤的公应特性（活化解及其值时应考虑煤的公应特性（活化解及其 频率因子等）煤粉细度。炉膛形状等，并且提出频率因子等）煤粉细度。炉膛形状等，并且提出 了自己的计算方法。了自己的计算方法。 问题：未考虑炉膛几何尺寸对炉内传热的影响，问题：未考虑炉膛几何尺寸对炉内传热的影响， 帮计算与实际出入较大，算出的炉膛出口烟温比帮计算与实际出入较大，算出的炉膛出口烟温比 实测验值高实测验值高70100。若煤种基本符合设计范围，。若煤种基本符合设计范围，

44、则运行中汽温偏低。则运行中汽温偏低。 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 层燃炉方法与苏联方法的比较层燃炉方法与苏联方法的比较. JB/DQ1026 我国层燃炉热力计算方法我国层燃炉热力计算方法 基本出发方程式基本出发方程式 44 0 bpj j fxt TT B Ha Q , KJ/Kg pj T炉内烟气火焰的有效平均温度 n l n jrpj TTT 1 jr T绝热燃烧温度，即理论燃烧温度 西安交通大学锅炉研究所西安交通大学锅炉研究所 n反映燃烧工况对炉内温度场的影响。 、 ， 对抛煤机炉 n=0.6， 对其它层 燃炉 n=0.7 b T水冷壁管外结灰层表面温度。 hbfb TqT hb T水冷壁管金属温度，取为工作压力下水的