锅炉原理9-炉膛换热计算

授课教师：范红途联系电话mail:fhtcxj@锅炉原理Tf〃[Q,Tf〃]第九章、锅炉炉膛换热计算锅炉热力计算的目的——确定锅炉受热面与燃烧产物和工质之间的关系。

计算基础——燃烧计算、锅炉热平衡计算。热力计算炉膛换热计算炉膛出口后对流受热面的换热计算计算方法设计计算、校核计算一、概述二、锅炉炉膛内传热的特点1、炉膛换热的主要特点——燃料燃烧放热、产生高温的燃烧产物、传热方式以辐射为主对流为辅。2、炉膛换热计算的任务——布置足够的换热面积，将炉膛出口烟气温度降到合适的温度（灰熔点温度以下），避免受热面结渣。关注点——炉膛出口截面平均烟气温度。设计计算是已知炉膛出口温度，计算受热面积；校核计算是已知炉膛受热面，计算炉膛出口的烟气温度。4、炉膛内工作过程的简化分别考虑燃烧与换热——认为燃料从燃烧器进入炉膛后瞬间完成燃烧过程并达到最高绝热燃烧温度Ta,再用经验数据来记及燃烧工况对换热的影响；炉膛内换热主要以辐射换热方式进行。对流换热比例不足5%；火焰平均温度——将火焰稳定看做是均匀的；炉膛受热面及火焰面均按灰体来处理。3、炉膛换热计算的主要困难影响因素多——炉膛结构形式、几何尺寸、燃料种类、性质、燃烧器的布置和型式、运行方式等；炉内过程复杂——结构、火焰稳定分布、火焰辐射特性不易确定、积灰、积渣；计算方法——采用依靠大量经验数据的工程计算方法。5、炉膛换热的基本物理模型炉膛火焰与壁面换热过程被简化为两个无限接近的灰体表面间的辐射问题。水冷壁温度T2水冷壁黑度ε2火焰温度T1火焰黑度ε1火焰水冷壁水冷壁面积F三、炉内辐射换热基本方程及有效辐射热的计算方法（1）、物体的辐射黑体自身辐射总能量：灰体自身辐射总能量：T—物体的绝对温度K—5.67x10-11kw/m2.k4

—灰体黑度（2）、介质的吸收率和黑度辐射能经辐射层S后辐射强度因被吸收的减弱程度：辐射能经辐射层S后辐射强度的降低值与原始辐射强度的比值，也称为介质的吸收率—单位立体角原始辐射强度kw/(m2.sr)ka—辐射介质吸收减弱系数1、炉内辐射换热基本方程根据克希霍夫定律，等温条件下介质的黑度等于其吸收率（3）、炉内火焰黑度焦炭颗粒接近黑体，但因浓度的关系辐射力占火焰总辐射力的25~30%三原子气体比固体物质辐射力低，黑度随温度的提高而降低灰分颗粒充满整个炉膛，煤粉炉中其辐射力占火焰总辐射力的40~60%—光学厚度，无量纲布格尔准则（4）、入射辐射和有效辐射AGJE入射辐射G有效辐射J自身辐射E灰体：（5）、两平行平面间的辐射传热单位——KW/m2qR——辐射热交换热流，KW/m2ε1、ε2——两个平面的黑度T1、T2——高温和低温两个平面的绝对温度，K两平行平面间的辐射传热图ee高温烟气与辐射受热面间的辐射换热方程：其中：Bcal—计算燃料消耗量，kg/sQR—以1kg燃料为基准的炉内换热量kJ/kgF—炉膛换热壁面积，m2

—炉膛系统黑度（6）、高温烟气在炉内放热的热平衡方程QR—以1kg燃料为基准的炉内换热量，kJ/kghf”—炉膛出口截面上燃烧产物的焓，

kJ/kg

—考虑炉膛散热损失的保温系数—燃烧产物的平均比热容，kJ/（kg.℃)Ta—燃烧产物的绝热温度，KTf”—炉膛出口烟气温度，K将代入得：上述方程理论上可进行炉膛换热计算的主要任务——设计计算、校核计算。问题：可以由炉膛设计计算的初始条件得到，可以根据炉膛几何尺寸、温度、烟气辐射成分等求得，但壁面温度T2,中的炉膛壁面黑度既不是炉膛受壁面受热面管的，也不是炉墙的，很难确定，火焰温度T1也难以确定。解决办法：根据传热学的基本概念，引入其他容易由实验方法确定的参数，替代不易确定的上述参数2、有效辐射热计算方法水冷壁热有效系数：受热面吸热量与投射到炉壁上的热量的比值。火焰的有效辐射，水冷壁的有效辐射，火焰与水冷壁间辐射换热量：因此：而则：因其中称为炉膛黑度：该式表示:火焰的有效辐射在数值上等于某个表面的自身辐射，其温度为火焰温度，其黑度为一个假想黑度εf所以炉膛内辐射换热量：是假想的黑度根据高温烟气在炉内放热的热平衡方程得炉膛换热方程：从上式可见，引入

避免了直接确定水冷壁的ε2，T2的困难。结论：炉膛换热主要因素为炉膛黑度、辐射受热面平均吸热能力，辐射受热面面积及火焰平均温度T1四、炉内传热的相似理论计算方法1、火焰平均温度、理论燃烧温度、炉膛出口烟气温度之间关系

工程中炉膛内换热计算的方法建立于上节得到的炉膛换热方程式上，并通过对火焰平均温度的近似表述，应用相似理论得到半经验关联式。由实验及经验数据总结得出为无量纲温度根据炉膛换热方程得到：其中：BO——玻耳兹曼特征数根据大量炉内换热实验数据整理得：M——经验数据，与燃料性质、燃烧方式、燃烧器布置的相对高度、炉内火焰温度平均值、绝热温度等有关。2、炉膛出口烟气无量纲温度传热特征方程式炉膛烟气出口温度：水冷壁面积：℃m2注意：计算中与有关，常采用试凑法，先假设一个，计算出的值，代入上述公式求出，两个差值小于100℃即完成计算，否则重新假设。五、炉膛受热面的辐射特性炉膛受热面或多或少会被燃烧产物沾污，积灰表面会影响受热面的辐射特性，热交换强度会有不同程度的降低。用水冷壁热有效系数和沾污系数来描述。受热面壁面为洁净金属表面时，水冷壁的有效辐射

相比于火焰的有效辐射小得多，忽略，则。由于受热面壁面存在角系数问题，火焰的有效辐射能够投射到受热面管表面的部分为，所以。角系数定义：受热面壁面存在污染时，灰垢层的温度比清洁受热面外壁温度高得多，用污垢系数进行修正，是受热面受到污染而使吸热降低的一个修正。是火焰辐射到水冷壁受热面上的热量最终被水冷壁受热面获得的份额。

可见之间的关系：其中可以从实际运行的锅炉直接检测，x可以根据受热面结构计算，可以得到。见相关资料。对炉膛受热面有局部覆盖时（如设卫燃带），总的值：F1、F2——未覆盖、覆盖耐火层的有效辐射受热面m2。

——相应壁面的沾污系数。可选用六、炉膛火焰黑度炉膛黑度计算式中的炉膛火焰黑度表述炉内介质高温辐射的能力。如何计算？简化处理假定：将传热学中贝尔定律得出的单色黑度公式近似地推广到多组分和非单色辐射烟气中。将火焰当做灰体处理。炉膛火焰黑度：k——炉内介质的辐射减弱系数，为各自辐射介质减弱系数的代数和1/(m.MPa)。p——炉膛内火焰压力，对平衡通风负压燃烧的炉膛取0.1MPaS——有效辐射层厚度，m从炉膛火焰黑度公式可见，只要确定K、p、S即可得到。有效辐射层厚度S：，mV——炉膛容积m3。F——炉膛包覆面积m2煤粉火焰辐射减弱系数k：火焰的辐射减弱系数为三原子气体CO2、H2O、灰粒、焦炭颗粒的辐射减弱系数之和。1)、三原子气体CO2及H2O的辐射减弱系数kqrH2O——烟气中水蒸汽的容积份额。rn——三原子气体总的容积份额p——烟气中三原子气体的分压力，近似取0.1MPa1/(m.MPa)2)、灰粒的辐射减弱系数kh1/(m.MPa)——烟气密度，kg/m3dpj——灰粒平均直径，——灰粒浓度，kg/m33)、焦炭颗粒的辐射减弱系数kt1/(m.MPa)与含灰浓度、灰粒的平均直径有关与焦炭颗粒的浓度有关，而其浓度又与燃料的种类和燃烧方式有关kjt——取10x1——燃料的种类影响系数。无烟煤和贫煤取1，烟煤褐煤取0.5x2——燃烧方式影响系数，煤粉炉0.1，层燃炉0.03七、火焰中心位置修正系数M炉膛出口烟气无量纲温度传热特征方程式：其中M是被用来考虑沿炉膛高度方向上温度最高处的相对位置对炉内换热的影响参数。是重要的修正系数，对技术结果影响很大。A、B——与燃料种类和炉膛结构有关的经验系数，查表。xr——燃烧器的相对高度，xr=hr/h1

Δx——火焰最高温度点的相对位置修正值，查表。h1——炉膛高度，mhr——燃烧器布置高度，m当布置几层燃烧器时，hr按以下计算：Bi——对应于每层燃烧器的燃煤量，kg/shrj——对应于该层燃烧器的布置高度，mni——该层燃烧器数目八、炉膛结构特征及其他参数

1、炉膛容积对固态排渣煤粉炉，如图。炉膛容积为图中阴影部分。各种锅炉的炉膛因布置有不同形式的受热面、屏式过热器或凝渣管，炉膛结构有所不同，对容积、炉壁面积的计算有所影响。

。2、炉壁面积炉壁面积按包覆炉膛容积的表面积计算。将炉壁的投影面作为火焰的辐射表面。也是炉壁受热面接收火焰辐射的表面积。炉膛内双面曝光水冷壁及屏式受热面，应以边界管子中心线间的距离和曝光长度乘积的两倍作为其相应的面积。炉膛容积中包含有辐射式屏式受热面时，炉膛总面积=无屏区炉膛容积的炉壁面积+屏的面积+屏区的炉壁面积。同时还要考虑某些炉膛的曝光不完整性。3、炉壁的有效辐射面积由于辐射角系数的影响，炉膛受热面的有效辐射面积H不等于炉壁面积F。x——角系数，可查有关图线。s——管节距。e——管中心线距炉墙的距离。d——管子外径。

而在炉膛壁面的不同位置，角系数x有可能不同，总的有效辐射面积H:

s/d↑→x↓

e/d↑→x↑x越大，越多能量落到表面上膜式水冷壁x=1卫燃带x=1

炉膛出口烟窗x=1燃烧器、看火孔、人孔门x=04、炉壁的出口截面炉膛出口截面的定义位置与炉型有关。通常中、小型锅炉的出口截面指凝渣管或锅炉管束的进口截面。大容量锅炉指屏式过热器或屏式再热器的进口截面，前屏过热器被视为炉膛辐射受热面的一部分。出口截面的大小一般应使烟气平均流速在6m/s左右。5、输入炉膛的有效热量及绝热燃烧温度输入炉膛的有效热Q1是指每千克计算燃料的燃烧产物所拥有的总热量。Qf—1kg燃料带入锅炉的可利用热量。Qa—1kg燃料所需空气带入炉膛的热量αf—炉膛出口处过量空气系数。Δα1—炉膛漏风系数Δαzf

—制粉系统漏风系数hlk0、hrk0—冷热空气理论焓以Q1作为火焰绝热燃烧焓，根据该燃料对应的烟气温—焓关系确定绝热燃烧温度。6、燃烧产物的平均比热容燃烧产物的平均比热容是指烟气在绝热燃烧温度和炉膛出口温度间烟气比热容的平均值。hf”——炉膛出口烟温对应的烟焓。注意：计算和火焰黑度中的三原子气体的辐射减弱系数kq时均要知道炉膛出口烟气温度，所以炉膛出口烟气温度的计算为逐次逼近的过程。7、炉膛受热面的平均热负荷及热负荷不均匀系数炉膛辐射受热面热负荷qH是单位炉膛辐射受热面所吸收的炉内辐射热量的平均值。H1——炉膛辐射受热面面积，m2

QF——炉膛辐射吸热量，kJ/kg炉膛受热面的辐射吸热量按炉膛的热平衡方程计算。Bcal—计算燃料消耗量，kg/sQ1—输入炉膛有效热kJ/kg掌握炉膛辐射受热面热负荷的意义：qH的大小也表征了炉膛内烟气平均温度水平的高低，qH过多会影响锅炉低负荷时的燃料着火和燃烧的稳定；qH过高会造成炉壁结渣，或者使水冷壁管的金属温度过高，影响安全；将qH折算到水冷壁内壁热负荷，还是判断膜态沸腾发生的重要指标。由于炉内各区段的温度场、黑度场存在不均匀性，影响到水冷壁热负荷沿炉膛宽度、深度和高度方向的分布。但在某些计算如水冷壁水动力计算、炉顶受热面的换热计算等需要知道局部热负荷。引入热负荷不均匀系数来近似计算。定义：四角燃烧的炉膛：各炉墙间热负荷分布均匀，各侧η=1.0燃烧器前墙布置时：后墙η=1.2前墙η=0.8侧墙η=1.0九、炉膛换热计算的修正方法上述炉膛换热计算模型及推导方法所基于的原理和采用的修正是合理的，但是在计算较大容量的锅炉的炉膛换热时发现炉膛出口实际检测温度和计算值存在较大的差别。计算值低100~130℃。造成原因：双灰体假设；尤其是火焰。对炉内温度场不均匀性的考虑不够，尤其是横截面的温度不均匀性；没有考虑炉