锅炉原理课件：锅炉炉膛换热计算

1、锅炉原理锅炉传热计算锅炉原理锅炉传热计算锅炉传热计算的类型和方法1辐射受热面的传热计算23对流受热面的传热计算目录屏式受热面的传热计算41/173锅炉传热计算的类型和方法1辐射受热面的传热计算23对流受热锅炉传热计算的类型和方法1辐射受热面的传热计算23对流受热面的传热计算目录屏式受热面的传热计算42/173锅炉传热计算的类型和方法1辐射受热面的传热计算23对流受热内容1、锅炉传热过程及特点2、锅炉传热性能计算的任务和类型3/173一、锅炉传热计算的类型和方法内容3/173一、锅炉传热计算的类型和方法一、锅炉传热计算的类型和方法1、锅炉传热过程及特点锅炉燃烧与传热过程：进入炉膛的燃料与空气混合

2、，着 火燃烧后生成高温火焰(烟气)， 通过辐射传热过程将热能传递给 水冷壁管中的工质，到达炉膛出 口处，烟气被冷却到一定温度后 进入对流烟道，进一步将烟气中 的热量通过对流传热传递给过热 器与再热器中的过热蒸汽，以及 省煤器内的给水。炉膛对角剖面温度分布4/173一、锅炉传热计算的类型和方法1、锅炉传热过程及特点4/173一、锅炉传热计算的类型和方法锅炉传热过程的特点：炉膛内传热过程和燃料燃烧过程同时进行，参与燃 烧过程的各因素相互影响；炉膛中剖面温度分布炉膛水冷壁传热分布5/173一、锅炉传热计算的类型和方法锅炉传热过程的特点：炉膛中剖面温一、锅炉传热计算的类型和方法炉膛内烟温很高，流速较低

3、，炉 膛水冷壁的传热主要是通过：对流？辐射？水平烟道和尾部烟道内的对流受 热面的传热主要是通过：对流？辐射？炉膛中剖面温度分布6/173一、锅炉传热计算的类型和方法炉膛内烟温很高，流速较低，炉 膛一、锅炉传热计算的类型和方法7/173锅炉传热过程的特点：炉膛内传热过程和燃料燃烧过程同时进行，参与燃 烧过程的各因素相互影响；火焰与烟气温度在其行程上变化剧烈。炉膛内烟温很高，流速较低，因此传热以辐射为主，对流占比例很小；水平烟道和尾部烟道内的对流受热面的传热以对流 为主，辐射占比例很小；一、锅炉传热计算的类型和方法7/173锅炉传热过程的特点：一、锅炉传热计算的类型和方法若炉膛水冷壁有结渣沾污发生

4、，受热面表面温度升高，导致炉膛换热量降低。IR Photography (Mikron 7604F Camera)炉膛水冷壁的结渣与受热面表面温度的升高8/173一、锅炉传热计算的类型和方法若炉膛水冷壁有结渣沾污发生，受热2、锅炉传热计算的类型和方法2.1 锅炉传热性能计算概述也称锅炉热力计算；基于前苏联和俄罗斯锅炉机组传热性能计算标准方 法：1954，1957，1973，1998年版本。从能量方程 和辐射能传递方程出发导出的准则为基础，用相似理 论方法整理试验数据，建立炉膛出口烟温的计算式。根据受热面不同传热机理：炉膛辐射受热面的传热计算，求得炉膛出口烟温；对流受热面的传热计算9/173一、

5、锅炉传热计算的类型和方法2、锅炉传热计算的类型和方法9/173一、锅炉传热计算的类型2.2 传热性能计算的任务和类型10/173设计计算：在给定的给水温度和燃料特性的前提下确 定保证达到额定蒸发量、选定的经济指标及给定的蒸 汽参数所必需的各受热面的结构尺寸，并为选择辅助 设备和进行其它计算提供原始资料。设计计算是设计新锅炉采用的方法。已知条件和计算目的的不同设计计算传热计算校核计算一、锅炉传热计算的类型和方法2.2 传热性能计算的任务和类型10/173设计计算：在给定校核计算：根据已有各受热面结构参数及传热面积和 热力系统的型式，在锅炉参数，燃料种类或局部受热 面积发生变化时，通过热力计算确定

6、各个受热面交界 处的水温、汽温、烟温及空气温度的值，确定锅炉热 效率和燃料消耗量等。校核计算的可能情形：锅炉已经存在、已经要安装或已经安装好，需更换 燃料，或受热面需局部改动，想知道对锅炉吸热分 布和过热、再热蒸汽温度有何影响等。接到定货后，发现燃料与设计的某型锅炉相近(容 量参数相同)，需判断能否用这一型式锅炉，在设 计上要不要修改。11/173一、锅炉传热计算的类型和方法校核计算：根据已有各受热面结构参数及传热面积和 热力系统的型两种计算依据相同的传热原理，公式和图表都是相同 的，仅在于计算任务和所求数据不同。设计计算时，对各部件的计算，由于计算上的方便， 也往往采用校核计算的方法。12/

7、173一、锅炉传热计算的类型和方法两种计算依据相同的传热原理，公式和图表都是相同 的，仅在于计设计计算的已知条件为：所拟定的燃烧设备的型式和整体布置资料；燃料特性，包括燃料的元素分析、低位发热量、灰 的成分分析、灰熔融温度和灰渣的温度特性；当采用煤粉燃烧方式时，应给出煤粉制备系统的计 算数据，包括：煤粉空气混合物的总量、一次空气 量、为干燥燃料而抽取的烟气量、煤粉制备系统的 漏风量等；13/173一、锅炉传热计算的类型和方法设计计算的已知条件为：13/173一、锅炉传热计算的类型和方锅炉最大连续蒸发量及在该蒸发量时主汽阀处的蒸 汽压力、温度，以及根据汽轮机或其他使用蒸汽的 装置所要求的汽压、汽

8、温允许偏差范围，锅炉的给 水压力、给水温度，对自然循环锅炉和强制循环锅 炉，还应给出锅筒的工作压力；对装有再热器的再热型锅炉，应给出再热蒸汽的流 量，再热蒸汽进入锅炉时的压力、温度，再热蒸汽 在锅炉出口处的压力和温度；当从锅筒抽取饱和蒸汽时，应给出饱和蒸汽流量， 当从过热器系统中抽取过热蒸汽时，应给出抽取的 过热蒸汽流量；14/173一、锅炉传热计算的类型和方法锅炉最大连续蒸发量及在该蒸发量时主汽阀处的蒸 汽压力、温度减温器在过热蒸汽系统中的位置；过热蒸汽及再热 蒸汽的调温方式，当用喷水减温时，应给出减温水 的压力和温度；当采用表面式减温器时，应给出减 温水的连接系统。锅炉使用地的气象条件和海

9、拔高度。在具备了上述数据资料时，方能正确进行锅炉设计传 热性能计算。当进行设计传热性能计算时，锅炉的排 烟温度、热风温度都是指定的，或者按照设计的具体 条件，根据经验或有关推荐选用适当的数值。15/173一、锅炉传热计算的类型和方法减温器在过热蒸汽系统中的位置；过热蒸汽及再热 蒸汽的调温方校核计算的已知条件为：锅炉机组的图纸和足以确定所有必需结构特性的资 料，包括燃烧设备、炉膛、受热面和烟道的结构、 尺寸数据；同设计计算中所需原始资料数据的第(2)(8)项；锅炉低负荷工况的计算是在已知锅炉各部分结构数 据和蒸汽参数条件下的特殊校核传热性能计算，对 计算所得的结果要考虑其合理性，对计算所得各级

10、受热面交界处的工质参数和烟气参数，要考虑其是 否在推荐的数值范围内。16/173一、锅炉传热计算的类型和方法校核计算的已知条件为：16/173一、锅炉传热计算的类型和方锅炉传热计算的类型和方法1辐射受热面的传热计算23对流受热面的传热计算目录屏式受热面的传热计算417/173锅炉传热计算的类型和方法1辐射受热面的传热计算23对流受热内容1、炉膛传热过程及特点2、炉膛传热计算方法3、炉膛传热计算基本假设和物理模型4、炉膛传热计算基本公式5、炉膛传热计算的相似理论法6、炉膛传热计算准则方程中参数的确定7、炉膛出口烟温及其影响因素8、炉膛传热计算步骤9、炉膛传热计算方法存在的问题18/173二、辐射

11、受热面的传热计算内容18/173二、辐射受热面的传热计算二、辐射受热面的传热计算1、炉膛传热过程及特点炉膛燃烧传热过程：混着烧 放热冷却到炉膛出口：进入炉膛的燃料与空气混合，着火 燃烧放热后生成高温烟气。高温烟 气通过辐射传热将热能传递给水冷 壁管中的工质，烟气到达炉膛出口 处被冷却到一定温度后进入对流烟 道。飞灰在壁面上的沉积结渣显著影响 炉壁传热，且极难定量估计。炉膛中剖面温度分布19/173二、辐射受热面的传热计算1、炉膛传热过程及特点19/173炉膛燃烧传热过程的特点：炉内传热与燃烧耦合；以辐射为主，对流所占比例很小；火焰在炉膛内的换热是一种容积辐射；炉内温度分布都是不均匀的，而是沿炉

12、膛深度、宽 度和高度变化的，呈现出明显的三维特性；炉内火焰的黑度分布也是不均匀的，三维的；壁面结渣沾污程度将显著影响炉内传热；运行与人为因素影响炉内传热(吹灰，分级燃烧等)。20/173二、辐射受热面的传热计算炉膛燃烧传热过程的特点：20/173二、辐射受热面的传热计算二、辐射受热面的传热计算炉膛传热分布炉膛各剖面温度分布21/173炉膛燃烧传热过程的特点：二、辐射受热面的传热计算炉膛传热分布炉膛各剖面温度分布21/二、辐射受热面的传热计算22/1732、炉膛传热计算方法根据“维”数：零维、一维、二维、三维模型。零维模型：假定炉内各物理量如火焰温度、受热面 壁温等都是均匀的，计算得到的结果也是

13、某些平均 值，如平均炉膛出口烟温，平均受热面热负荷等。一维模型：沿炉膛的轴线方向，例如高度，考虑温 度，黑度等的变化，而在垂直于轴线的平面上则认 为各个物理量是均匀的。二维模型：适用于轴对称的圆柱型炉膛。三维模型：可以得到炉膛内的温度场、受热面热负 荷等。二、辐射受热面的传热计算22/1732、炉膛传热计算方法二、辐射受热面的传热计算23/173根据方法论：经验法和半径验法经验法：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，缺点 是，局限较大，只能用于规定的范围，不能外推。过去：主要依靠经验法；现在：产品较单一的厂家，仍然采用。半经验法：采用一定的理论(例如相

14、似理论)，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。二、辐射受热面的传热计算23/173根据方法论：经验法和半径二、辐射受热面的传热计算炉内燃烧传热过程的复杂性给炉膛传热计算带来很大 困难，至今纯理论方法远不能解决炉膛传热计算的问 题，仍需要依靠大量经验数据和简化假设。目前，零维模型半经验法仍是炉膛传热计算的基本方 法。即各计算参数，如烟温、烟气黑度、壁面温度和 黑度等都取一个平均值，计算所得结果，如炉膛出口 烟温和壁面传热也是一个平均值。在此基础上，采用 相似理论来指导试验和整理试验数据，得到准则方程 式，这些经验公式可推广应用到相似的同类现象上去。2

15、4/173二、辐射受热面的传热计算炉内燃烧传热过程的复杂性给炉膛传热计二、辐射受热面的传热计算25/1733、炉膛传热计算基本假设和物理模型3.1 基本假设炉内传热只考虑辐射换热，忽略对流传热；零维模型假设：炉内各物理量如烟温，火焰温度，受 热面壁温等都是均匀的，火焰辐射按平均火焰温度计 算。计算得到的结果也是平均值，如平均炉膛出口烟 温，平均受热面热负荷等；把水冷壁看作平面并当作火焰的辐射表面，同时也是 水冷壁接受火焰辐射的面积。炉内高温火焰与四周炉膛水冷壁的热交换假设为两个 无限大平行灰体表面间的辐射热交换。二、辐射受热面的传热计算25/1733、炉膛传热计算基本假设二、辐射受热面的传热计

16、算3.2 炉膛内辐射换热的基本物理模型炉内火焰与四周炉壁的换热由完全的三维容积辐射简 化为两个无限大平行灰体表面间的辐射换热：炉壁温度Tb 炉壁黑度b火焰温度Thy 火焰黑度hy炉膛温度分布与传热分布26/173二、辐射受热面的传热计算3.2 炉膛内辐射换热的基本物理模型二、辐射受热面的传热计算4、炉膛传热计算基本公式4.1 炉膛内烟气的换热炉膛出口，烟气完成了全部炉内的换热过程，温度最 低，烟气的焓最小。烟气在炉膛内的换热量QR可以 看成从理论燃烧温度到炉膛出口温度的焓降：QR = BCalQef IYYfl式中，：保温系数；BCal：为计算燃料消耗量，kg/s；27/173Qef ：以1k

17、g计算燃料为基准的炉内有效放热量，包含f燃料在炉内的有效放热量和空气代入的热量，kJ/kg；lIYY：炉膛出口烟气焓；二、辐射受热面的传热计算4、炉膛传热计算基本公式27/173二、辐射受热面的传热计算l若烟气在理论燃烧温度T和炉膛出口烟温TYY 之间的th比热容量，可以用某一均值VCav表示，则QR = BCalVCavTth TYYl假设炉膛内火焰与水冷壁的传热全部通过辐射换热， 那么烟气在炉膛内的换热量QR应等于炉膛水冷壁与 高温火焰的辐射热交换量Qrad：l28/173QR = BCalVCavTth TYY= Qrad如何求得炉膛水冷壁与高温火焰的辐射热交换Qrad？二、辐射受热面的

18、传热计算l若烟气在理论燃烧温度T和炉膛出口二、辐射受热面的传热计算s1(hy)T1(hy)s2(b)T2(b)G1G2J1J2火焰壁面炉壁-火焰辐射换热模型4.2 炉膛内的辐射换热一个物体的总辐射能力(有效 辐射)J包括入射辐射的反射和 物体的本身辐射：1J1 =1 s1G1 + s1a0T4229/173J2 =1 s2G2 + s2a0T4对于两无限大平行平面：G1 = J2 G2 = J1相互之间的辐射热交换q：q = G2 J2 = J1 G1= J1 J2二、辐射受热面的传热计算s1(hy)s2(b)G1G2J1二、辐射受热面的传热计算方法1：把火焰和炉壁看成两个无限大的平行平面，

19、则Qrad = sxtFa0T4 T4hyb式中：sxt =11/shy+1/sb1：两个平行平面的系统黑度；30/173Thy, Tb：火焰和炉壁的平均温度；shy, sb：火焰和炉壁的黑度 如若求Qrad，必须预先得到Thy、Tb；hy、b。二、辐射受热面的传热计算方法1：把火焰和炉壁看成两个无限大的二、辐射受热面的传热计算方法2(热有效系数法)：利用炉壁的热有效系数qrad = Jhy = Jhy Jb式中，热有效系数表示火焰与炉壁间的换热量与火 焰有效辐射之比： =受热面吸收的热量投射到炉壁的热量因此，热有效系数代表了炉壁的平均吸热能力。火 焰与炉壁间的总换热量为Qrad = FJhy

20、31/173二、辐射受热面的传热计算方法2(热有效系数法)：利用炉壁的热二、辐射受热面的传热计算用火焰温度Thy的四次方来表示火焰的有效辐射Jhy， 并引入炉膛黑度slt：hyJhy = slta0T4上式中的炉膛黑度slt 既非火焰黑度，也非系统黑度(sxt =11/shy+1/sb1)，而是对应于火焰有效辐射的一32/173个假想黑度)。 如若求Qrad(= FJhy)，必须预先得到、Thy、slt。二、辐射受热面的传热计算用火焰温度Thy的四次方来表示火焰的二、辐射受热面的传热计算4.3 炉膛换热基本方程根据QR = Qrad，则有：1BCalVCavTth TYY= sxtFa0T4

21、T4hyb(a)或l33/173BCalVCavTth TYYhy= Fslta0T4(b)l若用式(a)求TYY，必须预先得到Thy、sxt、Tb。lhy若用式(b)求TYY，必须预先得到T、slt。采用式(a)还是此采用式(b)来计算炉膛出口烟温TYY 的l数值会导致不同的炉内传热计算方法。可以看出，无 论哪种方法，都需要确定火焰的平均温度Thy。二、辐射受热面的传热计算4.3 炉膛换热基本方程1BCal二、辐射受热面的传热计算4.4 小结根据能量守恒，通过将炉膛换热过程简化为两个无限 大平行灰体表面间的辐射换热，并引入热有效系数 和炉膛黑度slt，得到炉膛换热基本方程：BCalVCavT

22、th TYY= Fslta0T4lhy炉膛换热计算的主要目的是通过上式求得炉膛出口烟34/173温TYY(校核计算)。l但是，热有效系数、炉膛黑度slt 和平均火焰温度Thy等参数不能依靠理论分析得到，难以确定。解决办法：根据传热学的基本概念，将不易确定的 参数替换为容易由实验和经验确定的参数。二、辐射受热面的传热计算4.4 小结34/173温TYY(校二、辐射受热面的传热计算l5、炉膛传热计算的相似理论法5.1 炉膛换热基本方程无量纲形式采用公式：BCalVCavTth TYY= Fslta0T4(b)lhy定义无量纲火焰平均温度hy和无量纲炉膛出口烟温YY：hy =Thy ,lYY =lT

23、YYTthTth式(b)无量纲化，得到无量纲炉膛换热基本方程：sltBo35/1734hy+ YY 1 = 0(c)l二、辐射受热面的传热计算l5、炉膛传热计算的相似理论法hy二、辐射受热面的传热计算式中，Bo称为炉膛换热相似准则数或波尔兹曼准则数Bo = BCalVCavthFa0T3thFa0T4Bo(= BCalVCavTth )表示炉膛内的总热量与炉膛为黑体36/173时的辐射换热能力之比，因此，Bo越大，炉膛换热 能力相对越差，炉膛出口烟温越高。 方程(c)中包含两个待求变量：炉膛火焰平均温度hyl和炉膛出口烟温YY 。为求解方程(c)，需确定hy 与lYY的函数关系。二、辐射受热面

24、的传热计算式中，Bo称为炉膛换热相似准则数或波二、辐射受热面的传热计算沿炉膛高度温度的变化Hlhr37/173二、辐射受热面的传热计算沿炉膛高度温度的变化Hl37/173二、辐射受热面的传热计算5.2 炉内温度场分布规律目的：确定火焰温度hy与炉膛出口烟温YY的关系。l试验表明，对相当高度而四周布满水冷壁的炉膛，炉 内温度场具有相似性，并可表示为4 = e X eX, =TTth式中：，：考虑传热、燃烧对火焰温度影响的经验系数；X：相对火焰高度，X = x/L；L：火焰的总高度(燃烧器中心到出口中心)；x：距燃烧器中心的火焰高度；38/173二、辐射受热面的传热计算5.2 炉内温度场分布规律目

25、的：确定二、辐射受热面的传热计算令X=1，得到无因次炉膛出口烟温的四次方：1YY4 = 4X = 1= e e(1)从0到1积分，可得到炉膛火焰温度四次方的平均值：4410hy = = dX =1 e114 1 e(2)dX最高温度点的位置，由d4 = 0，得Xm= ln ln (3)联立式(1)(2)(3)后消去和，得139/173hy = YY, Xm二、辐射受热面的传热计算令X=1，得到无因次炉膛出口烟温的四二、辐射受热面的传热计算140/173hy与YY及Xm的关系二、辐射受热面的传热计算140/173hy与YY及Xm二、辐射受热面的传热计算m1由图，X不变时，lghy与lgYY呈线性

26、关系。即lghy1YY= klg+ lgm4m1式中，m和n均是X的函数。图中lghyklgYY直线的截距近似为0，于是m 1；而从直线的斜率可以大 致得到0.4 k 1.0。l因此，火焰温度hy与炉膛出口烟温YY的关系：hy41= mYY4n(d)写为有量纲形式为：hyT4th= mT4 1n141/173TYYn二、辐射受热面的传热计算m1由图，X不变时，lghy与二、辐射受热面的传热计算5.3 求解炉膛出口烟温将式(d)代入式(c)，准则方程为ltsmBo4nYYYYll+ 1 = 0(e)式中，Bo为波尔兹曼准则数Bo = BCalVCavthFa0T3若能确定m，n的值，则由方程(e

27、)可求得炉膛出口烟l温YY。于前所述，m 1，则lYY = sltBo , k42/173二、辐射受热面的传热计算5.3 求解炉膛出口烟温ltsmB二、辐射受热面的传热计算lYY =slt但是，研究表明，n与燃烧及传热条件有关，不能依 靠理论分析得到。统计分析大量试验结果，得出炉内辐射传热的准则方 程式：Bo0.6M +Bo0.6slt(f)43/173式中，M为考虑炉内火焰最高温度位置Xm的修正系数，与燃料种类，燃烧方式有关。二、辐射受热面的传热计算lYY =slt但是，研二、辐射受热面的传热计算当用式(f)计算炉膛出口烟温时，式(f)可写为：lTYY =Tthlt0thFsa T30.6M

28、+ 1BCalVCav当用式(f)确定水冷壁所需面积F时，式(f)可写为：F =lt0sa T31MBCalVCavTthlTYY 11/0.6QRlt0sa Tth3=MTYYth11MTthllTYY 12/3式中，QR = BCalQef IYY为烟气在炉膛内的换热量。fl44/173二、辐射受热面的传热计算当用式(f)计算炉膛出口烟温时，式(二、辐射受热面的传热计算6、准则方程中参数的确定锅炉结构参数：有效辐射面积F，有效容积V水冷壁热有效系数及污染系数经验系数M：表征炉内温度分布特性，与燃料性质、 燃烧方法和燃烧器布置相对高度等因素有关炉膛黑度slt火焰黑度shy: 三原子分子，炭黑

29、，焦碳颗粒，灰粒绝热燃烧温度Tth平均比热容VCav45/173二、辐射受热面的传热计算6、准则方程中参数的确定45/173二、辐射受热面的传热计算炉膛的有效容积V确定炉膛容积的一般性原则炉膛容积的四周边界是水冷壁管中心线 所在平面或绝热保护层的向火表面；炉膛容积的下边界为冷灰斗的二等分水 平面；对于具有接近于水平炉底的炉膛，下边界则为炉底；炉膛容积的上边界为炉膛出口烟窗；大型电站锅炉中，一般在炉膛上部布置 各种屏式受热面，此时炉膛出口烟窗如 何界定？46/173二、辐射受热面的传热计算炉膛的有效容积V46/173三、对流受热面的传热计算炉膛出口烟窗截面的界定(将屏按辐射受热面)型锅炉：一般规

30、定为炉膛后墙 折焰角尖端垂直向上直至顶棚 管形成的假想平面；但如果假 想平面以内的屏式受热面横向 节距s1 457mm，则炉膛出口 烟窗应移至该屏区之前；塔式锅炉：为沿烟气行程遇到 的受热面横向节距s1 液体燃料 固体燃料水冷壁污染系数57/173二、辐射受热面的传热计算壁面沾污越严重，水冷壁污染系数值越二、辐射受热面的传热计算6.4 经验系数M经验系数M是考虑炉内火焰最高温度相对位置的重要 修正系数，与燃料种类和燃烧方式有关。可按如下经 验公式求得：M = A BXm式中，A、B为与燃料炉膛结构有关的经验系数：经验系数A、B的取值58/173二、辐射受热面的传热计算6.4 经验系数M经验系数

31、A、B的取二、辐射受热面的传热计算火焰最高温度相对位置Xm可按下式确定：Xm = Xr + X式中：Xr = r/Hl，为设置燃烧器的相对标高；r 为燃烧器轴线离炉顶或冷 灰斗中腰线的设置的设置高 度；Hl 为炉底或冷灰斗中腰线到 出口窗中位线的炉膛高度，X 为考虑炉内最高温度位 置偏离燃烧器设置标高的修正值。沿炉膛高度温度的变化X59/173m二、辐射受热面的传热计算火焰最高温度相对位置Xm可按下式确定二、辐射受热面的传热计算系数X的取值60/173二、辐射受热面的传热计算系数X的取值60/173二、辐射受热面的传热计算6.5 炉膛黑度slt由两个辐射传热方程：Qrad = sxtFa0T4

32、 T4hybQradhy= sltFa0T4二者相等，可以推得：slt =sxt1 bT4hyT4=1s11hyb+ s 11 bT4hyT4(g)61/173下一步：求T4/T4 以最终求得炉膛黑度sltbhy二、辐射受热面的传热计算6.5 炉膛黑度sltQradhy=二、辐射受热面的传热计算利用炉膛水冷壁的热有效系数：Jhy Jb =Jhy式中，Jhy为火焰对炉壁的有效辐射，Jb为炉壁对火焰 的有效辐射，分别为hyJhy = slta0T4Jb = sba0T4 +1 sbslta0T4bhy将Jhy和Jb代入并整理后，得 bT4hyT4= slt1 sb(h)62/173二、辐射受热面的

33、传热计算利用炉膛水冷壁的热有效系数：Jhy二、辐射受热面的传热计算将式(h)代入式(g)并整理后，得lts=1shy + 1=shy1 shy+ shy可见，炉膛黑度取决于火焰黑度hy和水冷壁热有效系 数。下一步：求火焰黑度hy以求得炉膛黑度slt。63/173二、辐射受热面的传热计算将式(h)代入式(g)并整理后，得l二、辐射受热面的传热计算64/1736.6 火焰黑度shy火焰黑度shy 表示炉内高温介质的辐射能力，炉内介 质中的：双原子气体(N2,O2等)：辐射可忽略不计；三原子气体(CO2,H2O等)和碳氢化合物气体(CH4 等)：在很广温度范围内具有较强的辐射力和吸收 率；悬浮固体颗

34、粒(焦炭颗粒、灰粒、炭黑微粒)：具有 较强的辐射能力。二、辐射受热面的传热计算64/1736.6 火焰黑度shy二、辐射受热面的传热计算将火焰作为灰体，根据基尔霍夫定律，火焰黑度：shy = 1 ekps式中：S = 3.6V/F为炉内介质的有效辐射层度，m。V为炉膛有效容积，F为炉壁面积；p为炉内介质压力，一般取p = 0.1MPa；k为炉内介质的辐射减弱系数，1/m MPa。65/173二、辐射受热面的传热计算将火焰作为灰体，根据基尔霍夫定律，火二、辐射受热面的传热计算66/173火焰黑度的计算，实质上是计算辐射减弱系数k，因 此与火焰的成分有关由于燃料不同，炉内介质的辐射成分不同。因此，

35、在 计算火焰的黑度时，要区分燃用气体、重油和燃用固 体燃料的火焰：气体、重油：三原子气体和炭黑颗粒；固体燃料：三原子气体和灰分及焦炭颗粒二、辐射受热面的传热计算66/173火焰黑度的计算，实质上是二、辐射受热面的传热计算燃用固体燃料时：辐射减弱系数由下式确定：k = kqrq + khh + kjj1/ m MPa式中：kqrq：烟气中三原子气体的辐射减弱系数；khh：烟气中灰分颗粒的辐射减弱系数；kjj：烟气中焦炭颗粒的辐射减弱系数；rq：烟气中三原子气体总的容积份额；h：烟气中灰粒的质量浓度，kg/kg；j：烟气中焦炭颗粒的容积浓度，g/m3。67/173二、辐射受热面的传热计算燃用固体燃

36、料时：辐射减弱系数由下式确二、辐射受热面的传热计算燃用气体或液体燃料时：火焰常常被分为发光火焰和 不发光火焰。三原子气体的火焰是不发光的，火焰是透明的；如火焰中还有炭黑微粒，那么火焰是发光的。因此，气体或液体燃料火焰的黑度可认为由火焰中的 发光部分的黑度f和不发光部分的黑度bf，即shy = msf +1 msbf式中，m为火焰发光部分所占份额，取决于qv：当qv 400 kW/m3，m = 0.1(气体)和m = 0.55(液体);当qv 1200 kW/m3，m = 0.6(气体)和m = 1.0(液体);当400 qv 400 kW/m3，采用直线内插法确定。68/173二、辐射受热面的

37、传热计算燃用气体或液体燃料时：火焰常常被分为二、辐射受热面的传热计算7、炉膛出口烟温及其影响因素lTYY =Tthlt0thFsa T30.6M+ 1BCalVCav燃烧器型式及布置位置：改变炉内火焰中心的位置；受热面的多少；受热面结渣和积灰程度的变化；过量空气系数的变化烟气再循环69/173二、辐射受热面的传热计算7、炉膛出口烟温及其影响因素lTYY二、辐射受热面的传热计算lTYY =TthMlt0thFsa T3BCalVCav0.6+ 1锅炉负荷变化：炉内辐射换热量变化幅度不等同于 燃料量变化幅度。根据试验，锅炉负荷从半负荷状 态变化到额定负荷时，负荷增加100，炉内火焰平 均温度增加约

38、200，炉内辐射换热量增加70左右。 说明炉内辐射换热量的变化率小于锅炉负荷的变化 率。所以，当锅炉负荷增加时，炉膛出口烟焓必然 增加，炉膛出口烟温升高。70/173二、辐射受热面的传热计算lTYY =TthMlt0thF二、辐射受热面的传热计算炉膛形状系数：炉膛形状系数f为炉壁面积Fl与炉膛 有效容积V之比。同样的炉膛容积，H/ddl 越大，f值越大，即炉 膛的当量直径越小，炉 膛横截面积越小，炉膛 水冷壁面积越大。布置 双面露光水冷壁也可以 提高形状系数。炉膛形状系数f与炉膛的H/ddl关系实线无双面露光水冷壁的炉膛； 虚线有双面露光水冷壁的炉膛71/173二、辐射受热面的传热计算炉膛形状

39、系数：炉膛形状系数f为炉壁二、辐射受热面的传热计算220t/h燃油锅炉的炉膛容积热负荷 与形状系数和炉膛出口温度的关系72/173qv不变时，随着形状系数的增加，炉膛出口烟温不 断降低。二、辐射受热面的传热计算220t/h燃油锅炉的炉膛容积热负荷二、辐射受热面的传热计算8、炉膛传热计算步骤lTYY =Tthlt0thFsa T30.6M+ 1BCalVCav由预备性计算求得烟气特性表和焓温表，由热平衡计 算得到计算燃料量Bcal和保热系数；求炉膛受热面积F、炉膛的有效容积V、水冷壁角系 数x、燃烧器的相对高度hr和有效辐射层度S；根据燃料性质、燃烧方式等因素确定污染系数；求热有效系数；73/1

40、73二、辐射受热面的传热计算8、炉膛传热计算步骤lTYY =Tt二、辐射受热面的传热计算 根据燃料特性和排渣方式求系数M。f 求随同1kg燃料带入炉内的热量Qef 和理论燃烧温度Tth；l 假设炉膛出口烟温TYY，由焓温表查的烟气焓； 求平均热容VCav； 求炉内介质的辐射减弱系数k； 求火焰黑度shy； 求炉膛黑度slt；74/173 计算炉膛出口烟温TYY；l 若计算与假定值之差小于100，则计算结果符合要 求，否则从第7步重新假设计算。二、辐射受热面的传热计算 根据燃料特性和排渣方式求系数M。9、炉膛传热计算方法存在的问题计算模型中大量的经验公式与参数来自于统计数据， 计算结果的精确性也

41、因此依赖于这些统计数据。但是过去的统计数据主要来自于小容量锅炉，因此计算 小容量锅炉时(300t/h)炉膛出口烟温计算式还比 较准确，但对于容量较大锅炉，计算不够准确。我国的煤质变化范围极大，对于很多煤种(无烟煤、褐煤)炉膛出口烟温计算式的计算结果不够准确当前锅炉往往采用各种的低氮燃烧措施(如分级燃 烧等)，使炉膛烟温分布发生较大变化，有别于相 似理论法公式所描述的烟温分布。燃煤机组正快速地向大容量、高参数方向发展。75/173二、辐射受热面的传热计算9、炉膛传热计算方法存在的问题75/173二、辐射受热面的传锅炉传热计算的类型和方法1辐射受热面的传热计算23对流受热面的传热计算目录屏式受热面

42、的传热计算476/173锅炉传热计算的类型和方法1辐射受热面的传热计算23对流受热内容1、对流受热面及其传热特点2、对流受热面热平衡方程3、对流传热计算公式4、对流受热面传热温压5、对流受热面传热面积和烟气流速6、对流受热面传热系数7、受热面沾污及冲刷不完全对传热的影响8、强化受热面的传热计算9、对流受热面传热计算步骤77/173三、对流受热面的传热计算内容77/173三、对流受热面的传热计算三、对流受热面的传热计算1、对流受热面及其传热特点烟气离开炉膛后，进入半辐射式受 热面(屏式受热面)和对流受热面：屏式受热面：对流受热面：如过热器、再热器、省煤器和空气预热器等，以对 流传热方式为主。布置

43、在炉膛出 口处的对流受热面还直接受来自 炉膛的辐射热。炉膛中剖面温度分布78/173三、对流受热面的传热计算1、对流受热面及其传热特点炉膛中剖面2、对流受热面热平衡方程2.1 热平衡方程当烟气流经对流受热面时，烟气放热给受热面用来加 热受热面内的工质，烟气温度由PY降至PYY，工质温度 由tY升至tYY。在对流受热面烟道内烟气的放热量Qdf 等于工质的吸 热量Qdx：Qdf = Qdx79/173三、对流受热面的传热计算2、对流受热面热平衡方程79/173三、对流受热面的传热计算三、对流受热面的传热计算2.2 烟气对流放热量当烟气流经对流受热面时，烟气放热给受热面，烟气 温度由PY降至PYY。

44、在每一对流受热面烟道内，漏入的 空气(其量以漏风系数a表示)被烟气加热，其温度 由tl提高至PYY；再考虑烟道对外界的散热损 失， 烟气在对流烟道 中所放出并传递给对 流受热面的热量(对流 放热量)Qdf为：对流受热面热平衡图PY80/173PYYtYYtY三、对流受热面的传热计算2.2 烟气对流放热量烟道对外界的散l烟气的对流放热量：Qdf = IY + aI0 IYYkJ/kg式中：考虑散热损失影响的保热系数；IY：受热面前(以下标1表示)的烟气焓，kJ/kg； IY =I0 +a 1 I0yk1a：受热面前烟气的过量空气系数；IYY：受热面后(以下标2表示)的烟气焓，kJ/kg； IYY

45、 = I0 +a + a 1 I0yk81/173I0： a = 1时漏入空气的焓，kJ/kg ；la：该受热面的漏风系数。三、对流受热面的传热计算l烟气的对流放热量：式中：81/173I0： a = 1时漏2.3 工质对流吸热量对于过热器和省煤器，一般按下式计算工质对流吸热 量为：Qdx =DBCaliYY iYkJ/kg对于屏式过热器等吸收炉内辐射的受热面，则：Qdx =DBCaliYY iY82/173 QfkJ/kg式中：D：受热面内工质的流量，kg/s；iY，iYY：受热面进、出口工质的焓，kJ/kg；Qf ：以辐射方式从炉膛中获得的热量，kJ/kg三、对流受热面的传热计算2.3 工

46、质对流吸热量Qdx =DBCaliYY iYk3、对流传热计算公式对于1kg计算燃料来说，对流传热量按下式计算：QdC= KHtBCal式中：K：传热系数，kW/(m2C)；H：传热面面积，m2；t：传热温压，C。为进行锅炉对流受热面的传热计算，还需对传热系数、传热面积和传热温压作具体的说明。83/173三、对流受热面的传热计算3、对流传热计算公式QdC= KHtBCal式中：83/14、传热温压传热温压是参与换热的两种介质在整个受热面中的平 均温差。温压的大小除与两种介质在受热面进、出口温度有关 外，还与两种介质相互间的流动方向有关：逆流方式 的传热温压最大，顺流方式温压最小。对单纯的逆流或

47、顺流流动方式，传热温压t = td txlntd tx式中，td和tx分别为受热面两端温差中较大和较小 的温差，C。84/173三、对流受热面的传热计算4、传热温压84/173三、对流受热面的传热计算当td/tx 1.7时，算术平均温差已足够精确：t =td tx2= Ppj tpj式中，Ppj 和tpj 分别为平均烟气温度和平均工质温度，C：pjpj22P= 1PY + PYY,t= 1tY + tYY85/173三、对流受热面的传热计算当td/tx 1.7时，算术平均温差已足够精确：t锅炉对流受热面，有时布置较复杂，既非纯顺流也非 纯逆流，主要有：串联混合流：两段组成，一段顺流，另一段逆流

48、。 这是对流式过热器常用的布置方案。并联混合流：指在同一烟气流通截面上布置成并行 的几部分，工质在烟气进口截面上要往返几个行程。交叉流：两种介质的流动方向是互相交叉的，如管 式空气预热器。86/173三、对流受热面的传热计算锅炉对流受热面，有时布置较复杂，既非纯顺流也非 纯逆流，主要三、对流受热面的传热计算87/173三、对流受热面的传热计算87/173三、对流受热面的传热计算88/173三、对流受热面的传热计算88/173三、对流受热面的传热计算89/173三、对流受热面的传热计算89/173根据传热学，逆流时温压最大，顺流时温压最小，其 它流动，方式(串联混合流、平行混合流、交叉流等) 则

49、可按逆流温压乘以一个修正系数来计算：t = ttnl式中，tnl：按逆流计算的平均温压，C；t：考虑非逆流布置的修正系数；t值可根据对流受热面具体布置方式，进行解析求解 或做成线算图。利用线算图来确定t值时，应先计算出一些辅助参数 (见下页)：90/173三、对流受热面的传热计算根据传热学，逆流时温压最大，顺流时温压最小，其 它流动，方式串联混合流时，为确定t值，需先计算出三个无因次 辅助参数：A = Hsl ,P =H,R = r1r2PY tYr2式中，H、Hsl：总受热面积和顺流部分受热面积，m2；r1、r2：两种传热介质的总温降，C；从烟气流程看： 先顺后逆时： r1 = PY PYY

50、，r2 = tYY tY 先逆后顺时： r1 = tYY tY ，r2 = PY PYYtY、tYY：分别为工质的进、出口温度，C；PY、PYY：分别为烟气的进、出口温度，C。91/173三、对流受热面的传热计算串联混合流时，为确定t值，需先计算出三个无因次 辅助参数：三、对流受热面的传热计算串联混合流的温压修正系数92/173三、对流受热面的传热计算串联混合流的温压修正系数92/173并联混合流时，需要二个无因次辅助参数：P =,R = tdrxPY tYtx式中，td：烟气或工质温度变化PY PYY 或tYY tY 取两者中的 大者，C；tx：烟气或工质温度变化PY PYY 或tYY tY

51、 取两者中的 小者，C。交叉流时，温压的大小主要取决于行程曲折次数及气 流相互流动的总趋向(顺流或逆流)：P =rx PY tY,R = tdtx三、对流受热面的传热计算93/173并联混合流时，需要二个无因次辅助参数：P =,R = td三、对流受热面的传热计算1多行程介质的两个行程 均为顺流；2多行程介质的三个行程， 二个为顺流，一个为逆流；3多行程介质的两个行程 中，一个为逆流，一个为 顺流；4多行程介质中三个行程， 两个为逆流，一个为顺流；5多行程介质的两个行程 均为逆流并联混合流系统的温压修正系数94/173三、对流受热面的传热计算1多行程介质的两个行程 均为顺流；三、对流受热面的传

52、热计算1一次交叉流；2二次交叉流；3三次交叉流；4四次交叉流交叉流系统的温压修正系数95/173三、对流受热面的传热计算1一次交叉流；交叉流系统的温压修正5、对流受热面传热面积和烟气流速对流受热面的面积对于管式对流受热面，为减少计算误差，应按以下原 则计算传热面积：当管壁两侧的放热系数相差很大时，以放热系数小 的一侧的面积作为计算传热面积;当管壁两侧的放热系数相当时，以内、外壁的表面 积的算术平均值作为计算传热面积。96/173三、对流受热面的传热计算5、对流受热面传热面积和烟气流速96/173三、对流受热面的凝渣管，锅炉管束，省煤器，过热器和再热器等受热 面：传热面积以管外表面积计算；管式空

53、预器：以内外表面积的平均值计算；回转式空预器：按蓄热板两侧表面积之和计算；屏式受热面：按屏平壁表面积(由屏最外圈管子所围 成的平面面积Fp的两倍)再乘以角系数xp ：H = 2xpFp97/173三、对流受热面的传热计算凝渣管，锅炉管束，省煤器，过热器和再热器等受热 面：传热面积烟气流速的计算流过各受热面的流体的流速在不 同的地点都不相同，这是因为烟气流通截面积发生变化烟气温度、密度发生变化由于烟气温度和流通截面积发生 变化，流过各受热面的流体的流 速在不同的地点都不相同。三、对流受热面的传热计算锅炉中截面温度分布98/173烟气流速的计算三、对流受热面的传热计算锅炉中截面温度分布98在进行对

54、流传热计算时，锅炉烟道内烟气的流速按其 平均温度和流通截面的最窄面积来计算。烟气流速的 计算公式：yBCalVyPpj + 273w=273F式中：Vy：1kg燃料燃烧所产生的标准状态下的烟气体积(在烟 道中平均过量空气系数下)，Nm3/kg。F：烟气流通(最窄)截面积，m3 。Ppj ：烟气平均温度，C。99/173三、对流受热面的传热计算在进行对流传热计算时，锅炉烟道内烟气的流速按其 平均温度和流空气预热器中空气流速的计算公式：wk =BCalpjV0tpj + 273 273F式中：V0：1kg燃料燃烧所需的理论空气量，Nm3/kg；pj ：平均空气量与理论所需空气量之比；F：烟气流通(

55、最窄)截面积，m3；tpj ：空气平均温度，C。100/173三、对流受热面的传热计算空气预热器中空气流速的计算公式：wk =BCalpjV0管内水和蒸汽的流速的计算公式：Dvpjw =式中：D：工质流量，kg/s；vpj：工质平均比容，m3/kg ；：工质流通截面的面积，m2；101/173三、对流受热面的传热计算管内水和蒸汽的流速的计算公式：Dvpj式中：101/173流通截面积：流体横向冲刷管束时，其流通截面积按下式：F = ab Z1dl式中，a和b为烟道的截面尺寸，d和l为管子的直 径和长度，如为蛇形管，可取其投影长度。流体在管外纵向冲刷管束时，流通截面积为：F = ab Zd24F

56、 = Zn102/173式中，Z为并列管子的数目。流体在管内流动时，流通截面积为：d24三、对流受热面的传热计算流通截面积：F = ab Zd24F = Zn102三、对流受热面的传热计算103/1736、传热系数6.1 传热系数表达式对流受热面从烟气侧到工质侧的传热过程：热烟气 对流辐射 外壁 导热 内壁 对流 工质对于管子外表面积灰，内表面结垢的受热面，从烟气 到工质的传热计算公式：三、对流受热面的传热计算103/1736、传热系数三、对流受热面的传热计算烟气侧工质侧tb1tb2tb4tb3管壁垢层灰层d4 d3d2 d1 d0Q = 1t1 tb1d0lhQ = htb1b21 tdlm

57、Q = mtb2b32 tdlQ =ggtb3 tb4d3l2Q =tb4 t2d4l104/173三、对流受热面的传热计算烟气侧工质侧tb1tb2tb4tb式中：1 ， 2 ：分别为烟气对管外壁和管内壁对工质的放热 系数，kW/(m2C)；h，h：分别为管外壁积灰层的度及其导热系数，m 及kW/(mC)；两者的比值h/h为灰层热阻，也称灰污 系数或污染系数，以或Rf表示：s = hhm，m：分别为金属管壁的度及其导热系数，m及kW/(mC)；两者的比值m/m为管壁热阻；g，g：分别为管内壁结垢层的度及其导热系数，m及kW/(mC)；两者的比值g/g为结垢层热阻。105/173三、对流受热面的

58、传热计算式中：s = hh105/173三、对流受热面的传热计算整理得：t1 t2 =Q1+ h d0l 1hd0+ md1md0gd2+ gd0+1d0 d3 2d4以灰层外表面(H = d0l)为计算基础的传热系数K：K =11+ h 1hd0+ m d1md0+ gd2gd0+1d0 d3 2d4以垢层表面(H = d4l)为计算基础的传热系数KY：KY =11d4+ h 1d0h+ gd4+ md4d4+1 d1md2gd3 2三、对流受热面的传热计算106/173整理得：t1 t2 =Q1+ h d0l 为简化计算，管式受热面的传热系数可按多层平壁的 传热系数计算，这样传热系数K可写

59、为：K =11+ h + m + g +1 1hmg2 m上式中，金属管壁的热阻m相对很小，而锅炉正常运行时的管垢对锅炉传热的影响应很小，因此其热阻g g也可忽略不计，这样传热系数的公式可进一步简化为K =11+ h +1 1h2三、对流受热面的传热计算107/173为简化计算，管式受热面的传热系数可按多层平壁的 传热系数计算K =11 + h +1 lh2实际中，因很难测得h和h，由上式直接确定传热系 数仍有困难。一般采用不含灰气流冲刷干净的管壁的对流放热系数1、2以及一个能反映受热面污染程度的系数(灰层 热阻h/h的影响)来计算传热系数的大小。108/173三、对流受热面的传热计算K =1

60、1 + h +1实际中，因很难测得h和h，传热系数K的计算中，对受热面积灰沾污(灰层热阻h/h)有不同的处理方法：用污染系数：燃用固体燃料，横向冲刷错列布置 光管管束时，用灰污系数来考虑受热面积灰影响：K =11 1221+ +11 + +11用热有效系数：燃用固体燃料，横向冲刷顺列布 置光管管束时；或燃用气体和液体燃料时，用热有 效系数来考虑：0K = K=1+1 12= 11 + 1 2三、对流受热面的传热计算109/173传热系数K的计算中，对受热面积灰沾污(灰层热阻K =1三、对流受热面的传热计算对于工质为水、汽水混合物及超临界压力的过热蒸汽，由于其放热系数 2 足够高，热阻1/ 2