第九章 炉内辐射传热计算

1、中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment1锅炉热力计算水循环计算管内工质流动阻力计算通风计算强度计算炉墙和构架计算锅炉计算锅炉计算中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment2内容：燃料的燃烧计算热平衡计算炉膛传热计算对流受热面传热计算基本原理能量平衡热平衡 整体平衡 局部平衡传热的基本原理：辐射、对流、导热锅炉热力计算锅炉热力计算中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment3基本方法采用半经验的方法如：前苏联“全苏热工研究所和中央锅炉汽轮机研究所”编写的锅炉机组热

2、力计算标准(1973)锅炉热力计算锅炉热力计算中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment4第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment5 热力计算的基础：热力计算的基础： 传热方程的热量传热方程的热量 = 热平衡方程的热量热平衡方程的热量 炉内传热计算的任务：炉内传热计算的任务： 确定：确定： 水冷壁的吸热量、炉膛出口烟温；水冷壁的吸热量、炉膛出口烟温；或或 受热面布置受热面布置中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment

3、6一、炉内辐射传热特点一、炉内辐射传热特点 1）燃烧与传热同时进行；）燃烧与传热同时进行； 2）以辐射换热为主，对流换热不到）以辐射换热为主，对流换热不到5； 3）火焰辐射成分：三原子气体）火焰辐射成分：三原子气体+灰粒灰粒+焦炭颗粒焦炭颗粒 4）受热面被灰分污染；）受热面被灰分污染； 5）炉内温度、黑度在三维空间变化。）炉内温度、黑度在三维空间变化。第一第一 三三节节 炉内辐射传热的特点和计算原理炉内辐射传热的特点和计算原理中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment二、炉内传热计算的简化和假设二、炉内传热计算的简化和假设 1）只考虑辐射传热，把火焰

4、当作灰体 2）炉内各参数均匀一致（零维模型 ）；（书p.161） 3）以两平行平面之间的辐射换热计算； （书p.162） 4）将燃烧和辐射两个过程分开考虑 5）以炉膛出口烟温Tf”为定性温度。 （书p.169） 第一第一 三三节节 炉内辐射传热的特点和计算原理炉内辐射传热的特点和计算原理中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment8两平行平面之间的辐射传热两平行平面之间的辐射传热一、物体的辐射一、物体的辐射物体的自身辐射物体的自身辐射是指单位面积该物体在半球形范围内向各个方是指单位面积该物体在半球形范围内向各个方向所发射的各种波长能量的总和。向所发射的

5、各种波长能量的总和。对于黑体和灰体对于黑体和灰体 T、 温度和黑度温度和黑度；240240/) 19(/mkWETEmkWTEbb中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment9两平行平面之间的辐射传热两平行平面之间的辐射传热二、介质的吸收率和黑度二、介质的吸收率和黑度根据朗伯根据朗伯-比尔定律，比尔定律，介质的吸收率介质的吸收率ka炉内辐射介质的吸收减弱系数，炉内辐射介质的吸收减弱系数，m-1；S 炉内辐射层有效厚度，炉内辐射层有效厚度，m； 光学厚度或光学密度光学厚度或光学密度。对于灰体，介质的黑度等于其吸收率对于灰体，介质的黑度等于其吸收率11(9

6、4)ak Saee 11(95)ak Saaeek S 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment10两平行平面之间的辐射传热两平行平面之间的辐射传热三、三、炉内火焰黑度炉内火焰黑度 1炉内火焰的辐射介质：由烟气中的三原子气体和固体颗粒构炉内火焰的辐射介质：由烟气中的三原子气体和固体颗粒构成：成： 三原子气体：三原子气体：CO2和和H2O 固体颗粒：灰分颗粒和焦炭或炭黑颗粒固体颗粒：灰分颗粒和焦炭或炭黑颗粒计算火焰黑度或吸收率时，其减弱系数计算火焰黑度或吸收率时，其减弱系数ka或光学密度或光学密度由由三原子气体、灰三原子气体、灰分颗粒和焦炭颗粒分颗粒

7、和焦炭颗粒三部分组成。三部分组成。四、入射辐射和有效辐射四、入射辐射和有效辐射 物体的入射辐射G：半球范围内从各个方向以各种波长进入该物体单位面积的辐射能的总合，kW/m2。 物体的有效辐射：包括物体的自身辐射和物体接受入射辐射后的反射辐射)69(/,)1 (2mkWGEJb中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment11两平行平面之间的辐射传热两平行平面之间的辐射传热五、五、两个无限大平行平面（灰体）之间的辐射传热两个无限大平行平面（灰体）之间的辐射传热 第一个物体的有效辐射是第二个物体的入射辐射第一个物体的有效辐射是第二个物体的入射辐射两物体之间辐

8、射热交换热流两物体之间辐射热交换热流 T1、 1火焰平均温度和火焰黑度火焰平均温度和火焰黑度； T2、 2水冷壁吸热表面温度和黑度水冷壁吸热表面温度和黑度。 其中其中 为系统黑度。为系统黑度。)149(/,111)(22142410mkWTTqR111211221,JG JG中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment12两平行平面之间的辐射传热两平行平面之间的辐射传热 考虑火焰辐射强度沿炉膛截面方向的减弱考虑火焰辐射强度沿炉膛截面方向的减弱（第三节），（第三节），热能动力工程,2009,24(3):355-361中国 南京能源与环境学院能源与环境学院

9、Energy & Environment13两平行平面之间的辐射传热两平行平面之间的辐射传热 考虑火焰辐射强度沿炉膛截面方向的减弱考虑火焰辐射强度沿炉膛截面方向的减弱（第三节），（第三节）， 两物体之间的辐射热交换热流两物体之间的辐射热交换热流 k总辐射减弱系数，总辐射减弱系数，k=(1.25 1.30)ka，近似取，近似取k=1.28ka ； R炉膛的当量半径炉膛的当量半径；)309(/,11141)(22142410mkWkRTTqR44202112(),/(932.321110)aRkTTqkRWm中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environme

10、nt14第四节第四节 煤粉锅炉炉内传热计算方法煤粉锅炉炉内传热计算方法一、炉内辐射传热公式一、炉内辐射传热公式 炉内火焰和水冷壁之间的炉内火焰和水冷壁之间的辐射传热量辐射传热量（1kg计算燃料计计算燃料计的的炉内辐射传热量）炉内辐射传热量） F炉内水冷壁的吸热表面积炉内水冷壁的吸热表面积, m2；Bcal锅炉的计算燃料量锅炉的计算燃料量, kg/s； 定义定义 syn为为火焰综合黑度火焰综合黑度: 定义定义Csyn为为辐射热交换综合系数辐射热交换综合系数:)319(/,kgkJBFqQcalRR)339(132. 011Rkasyn)349(/,111)(2242410mkWTTqsynR)3

11、59(11112synsynC中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment15炉内辐射传热量炉内辐射传热量 煤粉炉炉内辐射传热公式：炉内火焰和水冷壁之间的煤粉炉炉内辐射传热公式：炉内火焰和水冷壁之间的辐辐射传热量射传热量（按（按计算燃料量计计算燃料量计）)349(),(111)(42410242410kWTTFCTTFFqBQQsynsynRcalRR中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment16第四节第四节 煤粉锅炉炉内传热计算方法煤粉锅炉炉内传热计算方法二、二、火焰平均温度火焰平均温度T1炉内火焰平均温度

12、和炉膛出口烟温用与理论燃烧温度之间比值的无量刚温炉内火焰平均温度和炉膛出口烟温用与理论燃烧温度之间比值的无量刚温度表示度表示伯劳赫的理论近似公式伯劳赫的理论近似公式 炉膛火焰最高温度的相对位置：炉膛火焰最高温度的相对位置：（燃烧器布置的相对高度）（燃烧器布置的相对高度） 燃烧器布置高度：燃烧器布置高度： （加权平均值）（加权平均值）)369(,11 thffthTTTT44112323113(1)3(1)()(937)111()()()()()(938)(939)immththththffffffBmBfiiiBBiiixxTTTTTTTThxxhn Bhhn B中国 南京能源与环境学院能源与

13、环境学院Energy & Environment17第四节第四节 煤粉锅炉炉内传热计算方法煤粉锅炉炉内传热计算方法三、三、理论燃烧温度理论燃烧温度Tth理论燃烧温度理论燃烧温度是在绝热条件下燃料燃烧所产生的热量可将燃烧产物加热达是在绝热条件下燃料燃烧所产生的热量可将燃烧产物加热达到的温度。到的温度。1kg计算燃料的炉内有效热（包括燃料的有效放热和随空气计算燃料的炉内有效热（包括燃料的有效放热和随空气带入的热量）带入的热量） 引入引入烟气平均热容烟气平均热容的概念计算理论燃烧温度：炉内烟气在理论燃烧温度至的概念计算理论燃烧温度：炉内烟气在理论燃烧温度至炉膛出口温度区间内的平均热容。炉膛出

14、口温度区间内的平均热容。)419(/)()()409(/100100004643 kgkJIIQkgkJQqqqqQQcapcsfhapcsffaafeffaveffththavefffthfeffavfthavfeffVCQTTVCQTTIQVCTTVCIQcVI )(),(中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment18第四节第四节 煤粉锅炉炉内传热计算方法煤粉锅炉炉内传热计算方法四、四、吸收减弱系数与火焰黑度吸收减弱系数与火焰黑度计算炉内辐射传热量（式计算炉内辐射传热量（式9-34）时，煤粉燃烧火焰的吸收减弱系数和火焰）时，煤粉燃烧火焰的吸收减弱

15、系数和火焰黑度，由三原子气体、灰分颗粒和焦炭颗粒三部分组成，对于炉膛在常黑度，由三原子气体、灰分颗粒和焦炭颗粒三部分组成，对于炉膛在常压（压（p0.1MPa）下工作的煤粉炉，其计算式为）下工作的煤粉炉，其计算式为 上述减弱系数的计算方法见式（上述减弱系数的计算方法见式（9-43）（）（9-49）。）。Skcokcokashashgaaekkrkk1)429(1中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment19第四节第四节 煤粉锅炉炉内传热计算方法煤粉锅炉炉内传热计算方法五、水冷壁灰污表面的壁温五、水冷壁灰污表面的壁温T2和黑度和黑度 2考虑水冷壁管子外表

16、面的灰污，与炉内火焰辐射热交换的壁面温度考虑水冷壁管子外表面的灰污，与炉内火焰辐射热交换的壁面温度T2 Tw管子外表平均壁温，可取管内工质平均温度；管子外表平均壁温，可取管内工质平均温度； Rf水冷壁灰垢层热阻，污染系数或灰污系数。水冷壁灰垢层热阻，污染系数或灰污系数。水冷壁灰污表面黑度水冷壁灰污表面黑度 2在在0.75-0.85之间，一般取之间，一般取0.8。可以通过灰污表面温度可以通过灰污表面温度T2和黑度和黑度 2，利用式（，利用式（9-34）计算辐射传热量。也可）计算辐射传热量。也可以以采用经验方法简化计算采用经验方法简化计算。)509(2KqRTTRfw中国 南京能源与环境学院能源与

17、环境学院Energy & Environment20第五节第五节 炉内辐射传热计算的热有效系数法炉内辐射传热计算的热有效系数法一、热有效系数和炉膛黑度一、热有效系数和炉膛黑度为了避免求解水冷壁灰污表面温度为了避免求解水冷壁灰污表面温度T2及灰污表面黑度及灰污表面黑度 2的复杂的复杂性，性，经验性地采用热有效系数法计算炉内辐射传热量经验性地采用热有效系数法计算炉内辐射传热量。定义：定义： （热有效系数）： 换热量qR占火焰有效辐射J1的份额。（炉膛黑度）：火焰的有效辐射J1占黑体辐射力的份额。 )539()1 (synsynsynsynf4210 1/(952)synRfqJTkWm )

18、549()(11 4122TTsynf中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment21第五节第五节 炉内辐射传热计算的热有效系数法炉内辐射传热计算的热有效系数法二、炉内传热计算公式二、炉内传热计算公式 辐射传热量辐射传热量 烟气放热量烟气放热量 热平衡：炉内辐射传热量热平衡：炉内辐射传热量=炉内烟气放热量炉内烟气放热量)569()559()1 (3041 thavcalfsynfTFVCBBoaBo)339(132. 01)539()1 ()559(1410RkkWTFQasynsynsynsynsynfsynfR)559()1 ()( kWTTTVC

19、BIQBQthfthavcalfeffcalref中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment22第五节第五节 炉内辐射传热计算的热有效系数法炉内辐射传热计算的热有效系数法三、炉膛出口温度三、炉膛出口温度利用伯劳赫的近似公式（利用伯劳赫的近似公式（9-37）表示无量纲火焰温度和炉膛出口温度之）表示无量纲火焰温度和炉膛出口温度之间的关系，得到间的关系，得到炉膛出口温度计算公式炉膛出口温度计算公式炉膛传热计算方法一炉膛传热计算方法一 影响炉膛出口烟温的因素影响炉膛出口烟温的因素 锅炉负荷（燃料量）锅炉负荷（燃料量） 燃料特性燃料特性 过量空气系数过量空气系

20、数 炉膛结构（水冷壁面积）炉膛结构（水冷壁面积） 受热面的灰污受热面的灰污 燃烧器及其布置燃烧器及其布置)579()1 ( 33/1 BoxBoTTsynfmthff中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment23第六节第六节 炉膛水冷壁结构特征炉膛水冷壁结构特征 炉膛有效容积的边界炉膛有效容积的边界水冷壁中心线所在的平面；水冷壁中心线所在的平面；炉膛出口（烟窗）的平炉膛出口（烟窗）的平面面 ；冷灰斗高度中心点的平面。冷灰斗高度中心点的平面。 h4h1h2h3hh50.5h5Dawh4h1h2h3hh5Dhr.4hr.1(a)(b)w中国 南京能源与环

21、境学院能源与环境学院Energy & Environment24第六节第六节 炉膛水冷壁结构特征炉膛水冷壁结构特征 水冷壁面积、炉膛有效容积和辐射层有效厚度水冷壁面积、炉膛有效容积和辐射层有效厚度FVSFFfi6 . 3中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment25第七节第七节 水冷壁热有效系数水冷壁热有效系数 煤粉炉水冷壁热有效系数煤粉炉水冷壁热有效系数（表（表9-3） 炉膛水冷壁面积的平均热有效系数炉膛水冷壁面积的平均热有效系数 如果水冷壁各部分污染程度不同（如有卫燃带）（见表如果水冷壁各部分污染程度不同（如有卫燃带）（见表9-3） 或或

22、水冷壁的角系数水冷壁的角系数不同不同 炉膛出口烟窗炉膛出口烟窗考虑屏的辐射吸收考虑屏的辐射吸收平均热有效系数平均热有效系数xicFFiiav中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment26第八节第八节 炉内热负荷的分布规律炉内热负荷的分布规律 炉内水冷壁的总吸热量炉内水冷壁的总吸热量 炉内水冷壁单位面积的平均吸热量炉内水冷壁单位面积的平均吸热量（即（即热负荷热负荷或热流密度）或热流密度） 炉内热负荷炉内热负荷沿炉膛高度沿炉膛高度、宽度、深度方向是不均匀的。炉内、宽度、深度方向是不均匀的。炉内某一区段受热面的吸热量某一区段受热面的吸热量 根据试验值或经验

23、数据，确定该区域的热负荷不均匀系数根据试验值或经验数据，确定该区域的热负荷不均匀系数 i 计算该区局部热负荷计算该区局部热负荷 计算该区域的吸热量计算该区域的吸热量)639(/)629(/2402mkWTqmkWqqisynfiiiiav)609()()609(/)( kWIQBQkgkJIQQQfeffcalreffeffrefR或)619(/2mkWFQFQBqrefrefcalav)629(/kgkJQFFBFqQrefiicaliii中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment27炉膛传热计算方法炉膛传热计算方法 方法一方法一 辐射传热量辐射传

24、热量 烟气放热量烟气放热量 热平衡：炉内辐射传热量热平衡：炉内辐射传热量=炉内烟气放热量炉内烟气放热量 利用伯劳赫的近似公式（利用伯劳赫的近似公式（9-37）得到）得到炉膛出口温度计算公式炉膛出口温度计算公式)569(; )559()1 (3041 thavavcalfsynfTFVCBBoaBo)339(132. 01)539()1 ()559(1410RkkWTFQasynsynsynsynsynfsynfR)559()1 ()( kWTTTVCBIQBQthfthavcalfeffcalref)579()1 ( 33/1 BoxBoTTsynfmthff中国 南京能源与环境学院能源与环境

25、学院Energy & Environment28第九节第九节 基于前苏联基于前苏联19731973年炉膛传热计算框架的方法年炉膛传热计算框架的方法一、前苏联一、前苏联1973年炉膛传热计算方法年炉膛传热计算方法方法二方法二 不考虑炉内火焰的辐射能在向水冷壁面传递过程中辐射强度因介质不考虑炉内火焰的辐射能在向水冷壁面传递过程中辐射强度因介质的吸收和散射性能导致的减弱。的吸收和散射性能导致的减弱。 采用炉膛黑度（由火焰黑度采用炉膛黑度（由火焰黑度 1计算）和热有效系数计算）和热有效系数作为计算参数作为计算参数 不单独计算炉膛火焰的平均温度，认为火焰平均温度（以无量纲温不单独计算炉膛火焰的平

26、均温度，认为火焰平均温度（以无量纲温度表示）与表征炉膛热负荷的波尔滋曼准则数、炉膛黑度、炉内火度表示）与表征炉膛热负荷的波尔滋曼准则数、炉膛黑度、炉内火焰最高温度位置和无量纲炉膛出口温度等有关。焰最高温度位置和无量纲炉膛出口温度等有关。根据试验数据确定根据试验数据确定炉膛出口温度的计算公式炉膛出口温度的计算公式。 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment29第九节第九节 基于前苏联基于前苏联19731973年炉膛传热计算框架的方法年炉膛传热计算框架的方法 辐射传热量辐射传热量 烟气放热量烟气放热量 热平衡：炉内辐射传热量热平衡：炉内辐射传热量=炉内

27、烟气放热量炉内烟气放热量 根据试验数据根据试验数据的整理，得到炉内辐射传热的准则方程式的整理，得到炉内辐射传热的准则方程式)569(; )559()1 (3041 thavavcalffTFVCBBoaBo)659()1 (111410ffRkWTFQ炉膛黑度采用热有效系数)559()1 ()( thfthavcalfeffcalrefTTTVCBIQBQKVCBTFMTTBoMTTBoMavcalthavfthffthfffff1)()669()/(11;)(116 . 0306 . 06 . 0 中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment30第九

28、节第九节 基于前苏联基于前苏联19731973年炉膛传热计算框架的方法年炉膛传热计算框架的方法炉内介质温度分布系数炉内介质温度分布系数M 考虑炉内火焰最高温度相对位置的参数考虑炉内火焰最高温度相对位置的参数 影响因素影响因素 燃烧器的位置（及摆动角度）燃烧器的位置（及摆动角度） 燃料性质燃料性质 燃烧方式燃烧方式 计算公式计算公式xb由式（由式（9-38）、（）、（9-39）计算）计算)(5 . 056. 0)(5 . 059. 0 xxMxxMBB无烟煤、贫煤烟煤、褐煤中国 南京能源与环境学院能源与环境学院Energy & Environment31第九节第九节 基于前苏联基于前苏联

29、19731973年炉膛传热计算框架的方法年炉膛传热计算框架的方法二、基于前苏联二、基于前苏联1973年炉膛传热计算框架的方法年炉膛传热计算框架的方法方法三方法三 通过对炉膛的火焰黑度进行修正通过对炉膛的火焰黑度进行修正，以考虑辐射沿射线行程的，以考虑辐射沿射线行程的减弱减弱 炉膛出口温度计算公式仍保持炉膛出口温度计算公式仍保持1973年方法年方法方法二方法二的形式的形式)339(132. 0)539()1 ()559(11410RkkWTFQasynsynsynsynsynfsynfR火焰综合黑度炉膛黑度采用热有效系数KVCBTFMTTBoMTTavcalthavsynfthfsynfthff1)()679()/(116