第9章 锅炉热力计算

第9章锅炉热力计算

9.1锅炉热力计算的类型和方法

9.1.1热力计算的任务和类型

设计计算

计算.昌留附H算目即洞,

校核计算

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

设计一个好的锅炉，须遵循：实践一认识一

再实践一再认识。

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：

①锅炉已经存在、已经要安装或已经安装好，需更

换燃料，想知道将达到何值，能否保证过热蒸汽温

度，受热面要不要修改等。

②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。

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。

设计计算的已知条件为：

(1)燃烧设备的型式和所拟定的锅炉整体布置资料；

(2)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；

(3)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；

(4)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；

(5)当从锅筒抽取饱和蒸汽时，应给出饱和蒸汽的流量，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的流

里；

(6)连续排污量；

(7)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；不论哪种减温方式，都应给出减温器在

过热蒸汽系统中的位置；

(8)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；

(9)锅炉使用地的气象条件和海拔高度。

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。

校核计算已知条件:

(1)锅炉机组的图样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；

(2)同设计计算中所需原始资料数据第⑵〜(8)

项;

⑶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。

9.1.2锅炉热力计算的步骤

设计计算：

①根据燃料燃烧方法，受热面布置（指有几级过热

器，省煤器及空预器）进空气平衡计算。

②根据各受热面入口，出口的过量空气系数计算理

论空气量、烟气容积、烟气性质表和焰温表。

③根据燃料燃烧方法决定％国4，根据排烟过量空

气系数唧y，排烟温度8py决定%,根据锅炉容量

决定外以及燃烧方法决定乳，最后决定锅炉的效

率，燃料消耗量及保温系数"等一热平衡计算。

④根据所选取的心，决定炉膛容积V,层燃

时还须根据燃烧面积热负荷决定燃烧面面积o

⑤决定燃烧室形状及尺寸，并布置水冷壁，凝渣

管、屏式过热器，辐射过热器等（若采用）

⑥选取预热空气温度并进行炉内传热计算。

⑦进行凝渣管束的对流传热计算（有屏式过热器

时应进行屏式过热器的对流传热计算）

⑧可进行锅炉总热量分配看它是否正常，省煤器

是否沸腾。沸腾度是否过高。

⑨在热量分配正常情况下，可沿烟气行程依次进

行计算。

校核计算：

①根据燃料、燃烧方法、锅炉结构进行空气平衡

计算。

②赢各受热面入口，出口的过量空气系数，进

行理论空气量，烟气量及烟气性质表，焰温表计算。

⑶根据燃料性质，燃烧方法决定依，0及锅炉容量决定

%0假定排烟温度4y，求％。根据燃料及燃烧方式决

定心，然后求出锅炉效率。由于是假定的，因此，

锅炉效率是否正确也不一定，要看最后计算结果的排烟温

度与假定是否符合而定。如果排烟的熔假定值与最后计算

出的结果相差不大于燃料发热量2rlia的±。・5%，则可认

为计算完结，不必重新计算。否则，要重新假定排烟温度，

从热平衡起重复全部的计算，直到满足要求为止。

④假定预热空气温度，进行炉内传热计算（所假

定的预热空气温度与最后计算出的预热温度在

±40℃以内，则不必再重复计算）

⑤依次进行凝渣管，过热器，省煤器，空预器的

校核计算，最后得出排烟温度和预热空气温度，

看其与假定值的差别，是否在允许误差的范围以

内，若在允许误差范围以内，则可认为计算完结。

不论设计或校核计算，都比较烦琐，过

去极为费时，现在要采用计算机进行,

其中也有不少困难。

锅炉设计人员可把主要精力用在调查研

究向实践学习上，用在合理地布置受热

面，深入地考虑结构问题上，使设计的

水平提高。

9.2辐射受热面的传热计算

9.2.1炉膛传热过程及特点

过程：混一着一烧一放热一冷却一到出口

特点.

①市内传热与燃烧耦合。

②以辐射为主，对流所占比例很小。

③火焰与烟气温度在其行程上变化剧烈。

④火焰在炉膛内的换热是一种容积辐射。

⑤运行因素影响炉内传热过程。

9.2.2烟气的辐射特性

炉膛中是烟气辐射。

组成：

»二原子气体(2,O2,CO)

»三原子气体(CO2,H2O,SO2)

»悬浮固体粒子(炭黑、飞灰，焦碳粒子)

氮和氧发射和吸收辐射热的能力很弱，可

认为透明，一般，CO的浓度很低。

故，烟气中具有辐射的主要是三原子气体

和悬浮的固体粒子。

三原子气体

co2,H20,SO2红外线光谱区的某些光带内辐射和吸

收，光带外，既不辐射也不吸收，透明。若火焰完

全是由三原子气体组成，肉眼看不到，称不发光火

焰。

炭黑粒子

成因：燃料的煌类化合物在高温下分解。

特点：（1）直径小，0.0311m

（2）使火焰发光，具有很强的辐射能力。

焦碳粒子

成因：水分和挥发分逸出后的剩余部分。

特点(1)直径稍大，30-50Um

(2)有很强的辐射能力。

灰粒子

成因：焦碳粒子的可燃成分燃烬后的剩余部分。

特点(1)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。

火焰辐射在整个炉膛容积中进行。

火焰与周围水冷壁换热量可以看作是整

个炉膛容积内的火焰对其全部周界面的

辐射力。

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相同，导致

到达周界面上的辐射力亦不相同。

9.2.3炉膛受热面的辐射特性

⑴角系数及有效角系数

水冷壁辐射受热面不能被完全利用。

炉墙火焰向炉壁总的投射热量为鱼，

//////////

或一次投落到管子壁面上的热量

为则0=@为角系数，纯

炉墙反射Qt

火焰辐射几何因子。

有效角系数x的定义：

投射到受热面的热量

Y--------------------------------------------------------

一投射到炉壁的热量

计及了火焰辐射与炉墙反射的作用。

膜式水冷壁，X=lo

炉膛出口烟窗对炉膛而言，可取％=1。

对炉膛出口处布置的管排而言，X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。

%=xFb

若某区域的炉壁面积为弱有效角系数为七，则

H置=

各区域水冷壁有效角系数不尽相同，则炉膛总效辐射受热面：

yy

H=HII=xIF0Z

整个炉膛的平均角系数

_-X%居_H

一密一心

入z为炉膛壁面总面积。对层燃炉，居z=耳-R，耳为炉膛包覆面

姆，R为炉排面积。

输也称炉膛水冷程度，现代锅炉，0.9以上。

(2)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。

二受热面吸收的热量

"一投射到炉壁的热量

火焰对炉壁的有效辐射为4yx1,炉壁对火焰的有效

辐射为9yx2，则单位面积换热量为%xl-4源。

炉=9yxl—0yx2

“值大小取决于4yx2，若夕/2=0，〃=1;若

%x2=lyxl'〃二°。

纵2是自身辐射及反辐射所组成二吉与沾过

定于炉壁温度”及黑度〃b

整个炉膛〕~~二

(3)污染系数

表示由于结积灰垢导致管壁温

度升高和黑度减小而水冷壁管

吸热能力减小的一个系数。

受热面吸收的热量

g二投射到受热面的热量

气体燃料j＞液体燃料j＞固体燃料4

表9"水冷壁污染系数

水冷壁型式燃料种类4值

光管水冷壁气体燃料0.65

膜式水冷壁重油0.55

室燃无烟煤、贫煤、褐煤、泥煤0.45

室燃高灰分姻煤0.35—0.40

层想各种燃料0.60

有耐火涂料的水冷壁所有燃料0.20

覆盖耐火砖的水冷壁所有燃料0.10

II

9.2.4炉膛传热计算方法及基本公式

根据“维”数：零维、一维、二维、三维

模型。

根据方法论：经验法和半径验法。

零维模型：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。

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，热负荷

等。

讨论：

零维、一维模型简单，计算方便，但与

实际情况相差较大。

二维模型对实际锅炉用处不大，（无圆

柱形）

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，使得

该模型前途光明。

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。

目前：零维模型半经验法仍是炉膛传热计算的基本方

法。

(1)热平衡方程式

炉膛出口，烟气完成了全部炉内的换热过程，温度

最低，烟气的焰最小。烟气在炉膛内的换热量可以看成

从理论燃烧温度到炉膛出口温度的焰降：

。=叫®-

9一保温系数；

耳一计算燃料消耗量；

2—有效放热量，即随同每千克计算燃料送入

炉膛的热量。

若烟气在理论燃烧温度,(K)和炉膛出口烟

温k(K)温度之间的比热容量，可以用某一

平均值VQi表示，则

rJ

。=叫叫你一方)

（2）辐射换热方程式

辐射换热量可认为等于炉内传热量。

两种方法：

①由Stephan-Boltzmann定律直接计算。

把火焰和炉壁看成两个无限大的平行平面，则

。=。谪々储一年）

1

〃xt一系统黑度，〃xt=-jj；

-^+―-1

〃hy〃b

♦y，■—火焰和炉壁的平均温度；

“hy，即一火焰和炉壁的黑度；

②根据有效辐射计算

q=%xi-%=〃颊1

则Q=与〃纵1

利用辐射热流计或其它仪器可测q网和q驱2。

假定外xi也可用温度的四次方方程来表示，则

q称为炉膛黑度。

注意：。［既非火焰黑度，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。

由热平衡方程来看，要求得炉换热量。，必须求得

那么看'与哪些参数相关呢？

由于。热平衡=。辐射，则有

叫伍-T；）VCpj=分产心闻-靖）（a）

或

（pByCV］（Tn-T；）=我必叩0编（b）

由式（a）知，若求看"，必须预先得到小，/，"。

由式（I））知，若求I”,必须预先得到G，弘，“J

采用式（a）还是采用式（b）来计算炉膛出口

烟温的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/yO

9.2.5炉膛传热计算的相似理论法

L炉内温度场分布规律

目的：确定「y。

对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，并可表为

®4=「x_e左

，一理论燃烧温度；

X-相对火焰高度，X=-

L;

L—火焰的总高度（燃烧器中心到出口中心）；

x一距燃烧器中心的火焰高度；

万一考虑传热，燃烧对火焰温度影响的经验系数。

令X=l,得到炉膛出口无因次温度的四次方：

⑨4=

从0到I积分，可得到炉膛火焰温度四次方的平均值:

最高温度点的位置，

由----=0,得

dx

Ino-In，

X=

ma-p

联立后消去。和，，得

1g®:

图9.7瓦;与0；及Xm的关系

由图，Xm不变时，1g4y与1g4呈线性关系

因此有=而5

机和〃均是Xm的函数

1g%=九喇+炫正

截距近似为0,lgVm«0,m«1

"实际上是Xm为不同值时，直线的斜率，从图中可得

0.4<n<1.0

最后，有

人；二加7]：(lf)[”4九

2炉膛黑度

室燃炉-

由防个彳专热方程

（鼠—T）Q="〃。口窗

二者相等

火焰的有效辐射纵

炉壁对火焰的有效辐射

而〃=.一02

代入后，整理得

Vhy)\)

火床炉：Q:6丫+（1一询丫）/

,1一（1一%）（1-0（1-夕）

p为炉排面积R与不包括R

的炉膛壁面总面积片Z之比。

R

夕二h

3.火焰黑度

将火焰作为灰体，则

1_产

a.hy

5=3.6，，称S为有效辐射层厚度，V为炉膛

ri

容积，”为炉壁面积。

月一炉膛压力，一般取P=O.lMPa；

京就鹭鬻整数’零火焰中/种辐射介质

的减弱系数的代数和。单位是1/(m*MPa)

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O

燃用固体燃料的火焰中，除三原子气体

外，还有灰粒子及焦炭粒子。

般将上述两种情况分开处理。

燃用气体或液体燃料

火焰的黑度可认为由火焰中的发光部分的黑度4g和不发

光部分的黑度Obfg

即询丫=mafg+（l-m）abfg

机为发光部分在火焰中所占份额，它取决外,

当%V400kW/m3帆=0.1（气体）和帆=0.55（液体）

当/>1200kW/n?帆=0.6（气体）和m=l（液体）

当400<qN<1200时采用直线内插法确定

n_1__（左q5+左th）尸S

Ufg—1—C

[-kq%尸S

n—\—Pqq

ubfg1匕

q—火焰中三原子气体总的容积份额;

9=不。2+%2。

勺一三原子气体的辐射减弱系数。

A

<0.78+1.6^__H、

勺=10-0.11-0.37

ioqs1000；

J

q一火焰中三原子气体总的分压力，1=々尸;

心一火焰中炭黑粒子的辐射减弱系数，

2越高，炭黑粒子的浓度就越高，心越大。

Hth

ftI!

由越高，Kh越小，当%=2时，熊=0

北"越高，炉温度C“H〃分解的越多，左由越大。

燃用固体燃料

左=勺々+/4+勺%1%2

1/(m*MPa)

430004

1/(m*MPa)

烟气的密度，可取夕y=L3kg/m3；

“一灰粒的平均直径。对层燃炉，可取公=20国11,

对煤粉炉，可取

4—灰粒的无因次浓度。

=4/

h

100Gy

&可取勺=101/(m*MPa)

修为考虑燃料种类影响的系数，对无烟煤和贫煤，取玉=1;

对烟煤和褐煤，取玉=0.5。

々为考虑燃烧方式影响的系数对煤粉炉取々=0」；

对层燃炉取％=0.03o

4.炉膛出口烟温及其影响因素

Q=。。。时常

n}n

其中常=mT^~T^

Q=耳犷叫；（〜）看”4〃

Q=（pByCpi（Tn-T；）

幼C”4几--B--。=0

max

T,一炉膛换热相似准则数

&\=-Bo=

5）弘片1：准则数

T2ii

若能够确定根，〃的数值，则从这个无因次方程可以进行炉膛传热计算。

m«1o贝{J

nJBo}

®i=7——，"

Ia\)

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

的试验结果：

，即丫6

0；=1[w或者二—一二、。.6

M+附j皿5也L]+I

U〔。叩Cpj,

M一经验系数，取决于居，与燃料种类，燃烧方式有关。

据此可以计算出炉膛出口烟温。或炉膛壁面积耳，最后得到炉膛传热量。

M的数值可按下列经验公式来求得：

M=A-BXm

式中，A、8为与燃料炉膛结构有关的经验系数。

A、8的取值

开式炉膛半开式炉膛

燃料

ABAB

气体、重油0.540.20.480

高反应性能固体燃料0.590.50.480

无烟煤、贫煤和多灰燃料0.560.50.460

各种燃料的链条炉A=0.59B=0.5

Xm值按下式确定:

Xm=X1+AX

h

X1二——设置燃烧器的相对标高；

乩

八一燃烧器轴线离炉底或冷灰斗中腰线的设置高度，m；

口一炉底或冷灰斗中腰线到出口窗中位线的炉膛高度，m；

AX—考虑炉内最高温度位置偏离燃烧器设置标高的修正值。

AX的数值

燃烧器型式△x值

轴心水平、四角切向布置燃烧器0

前墙或对冲布置煤粉燃烧器

D>420t/h0.05

DW420t/h0.1

摆动式燃烧器向上下摆动±20・±0.1

重油炉及燃气炉如a（燃烧器过剩空气

r2(1~a)

系数）VIr

轻井磨煤机炉，前墙布置喷口向下-0.15

燃烧器顶部布置，烟气从炉瞳下部引出0.25-0.30

当已知炉壁面积，需求炉膛出口烟气温度时：

e\二---------4----------------273℃

M%—书，储+]

I。叩gJ

当已知炉膛出口烟气温度，需求炉膛辐射受热面Hf时:

叫丫。可他Y)

___H___2

MTXTxx

^yc^T.-T；）

二It一1

bo〃]〃阳]/M2(T：J

以上就是前苏联《锅炉机组热力计算标准方法》1973版本

中关于炉内换热的主要内容。

炉膛出口烟温的影响因素

(a)燃烧器型式及布置位置。

核心是改变炉内火焰中心的位置。摆动式、多层布置。

(b)受热面的多少。

炉膛辐射受热面增加，出口烟温降低。

(c)受热面结渣和积灰程度的变化。

(d)炉膛形状系数。

炉膛形状系数/为炉壁面积耳与炉膛有效容积V之比。同样的

炉膛容积，H/由］越大，/值越大，即炉膛的当量直径越小(或

炉膛横截面积越小)，炉壁面积越大。布置双面露光水冷壁也可

以提高形状系数。

20040060080010001200140016001800

炉履容积匕,n?

实线表示无双面霉光水冷壁的炉膛；虚线表示有双面露光水冷壁的炉膛

图9・9炉膛形状系数/与炉膛的H/ddi的关系

心不变时，随着形状系数的增加，炉膛出口烟温不断降低。

炉胜出R烟温行,匕

图9-10220t/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

(e)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，炉膛出口烟焰必然增加，炉瞠出口

烟温升高。

(f)过量空气系数的变化。

(g)烟气再循环。

炉膛传热计算方法存在的问题及改进

虽来自大量的统计数据，但当时的容量较小v300t/h。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，对我国的煤种类，计算值较实测值低

100-130℃o已有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，如哈锅与普华公

司合作，认为上世纪式应增加形状系数，在决定M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，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

70-100℃o若煤种基本符合设计范围，则运行中汽温偏低。

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

基本出发方程式

2/咚“/（备_镇）,KJ/Kg

了制一炉内烟气火焰的有效平均温度

1Pj~1jr11

7\一绝热燃烧温度，即理论燃烧温度

n一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

Tb一水冷壁管外结灰层表面温度。

。+&

9b一水冷壁管金属温度，取为工作压力下水的饱和温度。

£一管外灰层热阻，决定于燃料性质及炉内燃烧工况，一般取为£

=0.0026m2℃/w

分一辐射受热面热流密度

-BjQ

n

目的：求

Tt

qf+(j^axtLb=Oo%/pj

设加=

qfQt

（为考虑水冷壁结灰层表面温度对炉膛传热的影响）

IIII

与热平衡方程Q=（pVCpj（Tjr-T；）联立得

b"

(1)・=M亿TJ

BDj+m

E)

T4

1pj_1

__!!----乙———十m

a

Tjr-Tto°Hf\xt

e\（i

PJ_Di…

-~B（）Hm

1-4\axt

BQ一Boltzmann准则数

改写Tpj=T尸）Tj为

A

Cl+m

i；J

m值对于层燃炉，当以=474〜1186kw/m2时，对应

一定的工质温度，可取为常数，有表图供查取。

表系数ni的数值

锅筒工作压力，MPa0.71.01.31.62.53.9

m0.130.140.150.160.180.21

系统黑度：

_,］、

°xt-1|

ab1_(1_〃的h_u)

知一水冷壁黑度，一般可取%=0.8

R一炉排有效面积

R

r=一

F

F一炉膛不包括R的所有炉壁面积

%

x一水壁的平均角系数，工=」,F1一炉壁总面积.

F/

（1、

若已知练——+m及n,则可得。。

\axt）

为了便于工程计算，改写上式成为:

"(\]p

nX1

3=kB。------Fm

vaxt)

（iA”

对应于n,B。------Fm可查得k,p之值，从而得到，。

\axt）

表系数k和p的数值

D(1)

nBQ------1-mkP

\axt)

0.6〜1.40.64650.2345

抛煤机链条炉,n=0.6

1.4〜3.00.63830.1840

0.6〜1.40.67110.2144

其它层燃炉，"0.7

1.4〜3.00.67550.1714

燃烬室的传热计算:

・•・orj=得

与炉膛类似，但

(1、%；

nTrjB。-------Fm

axt

7一13rj

例＞pj

B。

H；

]

a.

n=0.5XJ11—Q

-----FX

ab-------------ay

最后解得

八，，14

%=5禺+m1+

(1

)

B。+m

a信

77

9.2.6炉膛传热计算的其他方法简介

1.美国燃烧工程公司计算方法

2.Sulzer公司的炉膛传热计算方法

9.2.7炉膛传热计算步骤

目的是校核所设计的炉膛能否将火焰冷却到预期的炉膛

出口温度，在炉膛内布置的受热面能否吸收预先分配的

辐射吸热量。

炉膛中单位时间实际可用来加热燃烧产物的热量为

100-^-q-q

BQ436

r100

为每kg燃料送入炉膛的可用热量，单位为kj/kg,按式(4-83)计算。

实际中常采用计算燃料消耗量(耳)来计算燃烧产物的量。

£R>•—_D”--0--。----%--

J100

计算燃料消耗量中每kg燃料的燃烧产物在炉膛中可以得到燃料的热量为

100-/

，100=0100-^4-^3-^6

1

储00-私■100-/

100

每kg计算燃料的燃烧产物所拥有的热量为

Q「°°去fU+Qk

100—%

Qk—每kg燃料空气带入炉膛的热量，单位为kJ/kg；

Qk=（''一A%一A"zf）/I+（△/+A"zf）/i：

A4、A%f—炉膛及制粉系统的漏风系数；

/；—每kg燃料理论空气量在热空气温度时的焰，kJ/kg；

/；—每kg燃料理论空气量在冷空气温度时的焰，kJ/kg；

外热源加热空气的热量不应重复计算，需从空气热量中减

去,再考虑烟气再循环的热量后,普遍意义的炉膛有效放热量储：

孰=。1-需"+a-ewr+r/xh,（kj/kg）

I100-q"

Qwr—用外热源加热空气的热量，单位为kJ/kg；

一一烟气再循环的份额；

Ah—再循环烟气的熔，kj/kg,按所取烟气处的熔计算。

布置好炉膛的几何形状，受热面的结构

和面积后进行。

以炉膛有效放热量2作为烟气的理论焰得理论燃烧温度%O

燃烧产物的平均热容量VCpj：

由于〃hy和VCpj与。有关，而计算的目的是求出M，必须先

假定一个G，然后比较假定值与计算的差别，若二者之差小

于土100℃,则认为计算合格，并以计算值为准。否则应重新

假定，再次计算，直至合格为止。

其它辐射式受热面的热力计算

主要为辐射式过热器，如前屏、顶棚管和包复管等。

辐射过热器的吸热量

q_"fgr.gr

L丁

品一炉膛中辐射式过热器部分的受热面热负荷，

kW/m2；

“fgr—辐射式过热器的受热面积，m2o

吸热量确定后，可根据过热器入口处已给定的蒸汽焰，由

热平衡方程式算出蒸汽的终焰和终温。传热性能计算中不

涉及其进出口的烟温。

9.3对流受热面的传热计算

9.3.1对流受热面及其传热特点

指炉膛出口后烟气行程中所有用来交换烟气

热量的受热面。

特点：

（1）对流传热方式为主

（2）由于烟气中含有三原子气体及飞灰，，

受热面还接受烟气的辐射放热。为一复合传

热过程。

（3）布置在炉膛出口处的对流受热面还直接

受来自炉膛的辐射热。

传热基本方程式

传热方程：QCR=KHMBJ

除用表以每kg计算燃料为基础。

热平衡方程：烟气侧0rp（/'一/"十八。"）

H

fi-i

工质侧0rp

传热过程:

热烟气对流+辐射》外壁地」＞内壁」^工质

烟气对灰层外表面的对流传热量

Qd-Z)------>牛顿冷却公式

=ad7rdQl(t1bl

烟气对灰层外表面的辐射放热也写成牛顿冷却公式的形式:

Qf—afyrd(t、—I。)

总放热量

。=Qd+Of=&+%)叫/(%-bi)

=a［兀d0/（，］一）

d。一灰层外表面直径

tx—烟气平均温度

卬一灰层外表层温度

Q=ai(ti-t^7rdQl

ScaleMetalDeposit

。二3（%一九2）万4/

3

。二黄&2Tb3）叫

3m

力

Q=常&3-八2）»4,

a

Q=a?（，b2-2）兀dql

Q1只（A、只（A、2「d八1（/

一t外壁虽有积灰,但一般“

1’2+工质经过严格水处理

7Vd

灰层较薄，即2J及煮炉，水垢较少或无

以灰层外必d1=d（外径）』圆『水垢，即4=＞。，

0〜

i6/3=~dR

K=

(7、

31<7A

+d。+g+——d。

gI^37

%414,27a?

同样可得到按垢层内表系数K

金属导热系数大，热阻可

K=—

J\

1d4忽略不计，即-旦00。1

4+——

a、AI)4mI42/4a?

计算表明，无论何种情况，采用平壁传热系数的计算公式来代

替上面的计算公式，即认为—^1,所引起的计算误差不大，

d

但传热量的计算需明确传热面n氤

实际中，任何情况可认为：K^-一—1PK'n以平壁

1o.1

.------1--------1------

代圆管ax4％

(a)当管壁两侧的放热系数相差很大时，以放热系数小的侧

面积作为计算传热面积。

(b)当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。

理论上，名为烟气对灰层外表面的放热系数，即应

以。1h代替。1。

最后，传热系数可一般性地表示为

J_+空+J_

"1hA%

实际中，因很难测得。出及％,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

放热系数内、%以及一个能反映受热面污染

程度的系数来计算传热系数的大小。

考虑污染方法不同导致不同的计算公式。

实用传热系数计算式

(1)对流式过热器

燃用固体燃料，管束错列布置时燃用固体燃料，管束顺列布置，以及

燃用气体和液体燃料时

K=[1]

…T^T

--FCH--—।—

axa2%%

£一污染系数W—热有效系数

（2）省煤器，直流锅炉的过渡区，蒸发受热面等,

燃用固体燃料，管束错列布置时

-------1-8

ax

燃用固体燃料，管束顺列布置及燃用气体和液体燃料时

K-i/ja、

对于凝渣管和小型锅炉的锅炉管束，燃用固体燃料时,

不论布置型式如何，K-i//a}

（3）半辐射式屏式过热器

1

K=

11)

+1+QA(EH---

Qd八%，

i+色一考虑屏式过热器吸收炉膛辐射热影响的系数

QJ

0一屏吸收炉膛的辐射热量

2一屏吸收屏间烟气的辐射和对流的热量

因为：屏的受热面按平壁计算，烟气侧的放热系数

十%

)

J一屏的利用系数，S2一屏的管子纵向管节距，与一屏的辐射角系数

(4)管式空预器

K二

%+a2

利用系数

(5)回转式空预器

C

I1

---1---

xya}4%

Xy，4烟气侧，空气侧受热面各点总受热面积的份额

2对流放热系数

由传热学，受迫流动下

Nu=f（Re,Pr）

aAd_YwJ4cp

2

对其分析可知影响因素。

横向冲刷管束时的对流放热系数

错列布置时

%=CC-Re0-6PrQ33

snd

Cs一节距修正系数

一考虑沿气流方向管子排数以

cn

及横向相对节距的修正系数

顺列布置

65033

ad=CsCn-Re°-Pr

3.讨论:

⑴Re的影响较大

⑵相同的Ke,错列时，一般%较大(虽然

0.65>0.6,但修正系数G相差较大)

(3)dJ%1T，小d有强化传热之效果

(4)入口、出口流动都不稳定，当排数相当多，

n>10时才能不考虑其影响。

纵向冲刷受热面的

0

ad=0.023——Re°‘P产4ctGDittus-Boeltercorrelation

d(n

%当量直径

G一考虑管壁温度对流体特性影响的温度修正系数，当管

内为烟气且被冷却以及管内为水蒸汽和水且被加热时

ct=1,管内为空气且被加热时

(7>0-5

C=一

tUbJ

T,Tb分别为流体(空气)和管壁内表面的温度

加一管长修正系数，>50,q=i,否则G>I

回转式空预器

其结构特性不同性单纯的管内纵向冲刷，其。d

也主要通过试验决定。

a=ACQ——RemPr()A

dt心

A与传热元件型式有关

切一考虑无件型式的指数，强化传热型价=0.83,

其它帆二0・8

933辐射放热系数

1.计算公式

烟气中含有三原子气体及飞灰，具有辐射能

力，与对流受热面有辐射换热，由于烟气及管

壁都不是黑体，辐射能要经历多次吸收和反射

的过程才能被空气吸收，数学上严格处理较困

难，只能近似处理。

①由于管壁黑度较大，在0・8〜0・9之间，烟气与

管壁之间的辐射可仅考虑一次吸收的部分,而用

增加管壁表面黑度的方法来考虑多次吸收与辐

射的因素，用管束黑度来代替管壁黑度

"b，且取

l+"b

a

gs2

②假定固体燃料所生成的含灰烟气与管束均为灰体,

因此是两个灰体之间的辐射换热。

分="yboAXs一琛%=一琛）

而分=4优一。）Newton冷却公式

琛）

6Zf=

当燃用气体和液体燃料时，烟气为不含灰气流,

有效辐射成分仅是三原子气体，此时，烟气的吸

收率不等于黑度，即烟气不能作为灰体来处理。

设烟气的吸收率为则%

进行修正4=%

2Thb7

则分="yboG&s-%。0琛4

最后

Wgs4（T；-T｝瑞）

=

TyFb

2.烟气黑度，灰壁温度等的计算

KPS

烟气黑度：=1-e-其中，K=kr+khJLihO

jHH1111

对不含灰气流，4二°（燃油及气）;对层燃炉,也可取4=0

烟气的有效辐射层厚度：

①光管管束

(4ss\

s=0.9d—1_]

、7ld2)

②屏式受热面

1.8

s=----------

111

I---1—

ABC

式中A、B、C—相邻两片屏间烟气的高、宽、深。

③管内冲刷的管式空预器

s=0.94

灰壁温度的计算:

①屏式受热面,对流过热器及包墙管过热器，可按热阻

叠加原理计算,即

q=4一

q15

——+—+£

a22

管壁热阻Cno,则

般情况下,

4

=t+£+

/H

才一受热介质的平均温度，℃；

£—污染系数，m2•℃/kWo

对于燃用液体燃料时的过热器和包墙管,

可取£=2.6m2-℃/kW,对于燃用固体燃料时

顺利布置的过热器和包墙管，则可取£=4.3

m2-℃/kWo上述过热器均包括再热器。对于

燃用固体燃料时错列布置的过热器，以及燃用

液体及固体燃料时的屏式受热面，按前述方法

进行选取。

其它受热面丸=/+Z

’80。C凝渣管

夕>400y的单sm,双级布置的smll,

60℃!直流锅炉的过渡区

加=〔小型锅炉的锅炉管束

«。厂1双级布置的smL,<400oC的单级sm

25

I燃用气体燃料时的所有受热面

平均值kyll取空气和烟气的平均温度

对流烟道中气室辐射的影响

对流烟道中往往有空的气室存在，如转弯气室,

各级受热面之前或级间的气室，这些气室中的

烟气具有辐射能力。

气室对四周的辐射热量

Qf=%/Bj

火一气室的辐射放热系数

"f一气室四周受热面的辐射受热面积

气室辐射对下游受热面辐射的影响，一般用增大

计算管束的辐射放热系数的办法来考虑。

几up一计算管束前气室中的烟气温度

Zqs一气室在烟气流动方向上的深度

L—管束在烟气流动方向上的深度

C一系数，与燃料种类有关

%一计算管束的辐射放热系数

气室辐射对上游的影响可不计。

934传热温压

温压△儿是参与换热的两种流体在整个受热面中的

平均温差。由传热学，对单纯的顺流或逆流

In/

Zx

锅炉受热面，有时布置较复杂，既非纯顺流

也非纯逆流。

主要有：

(1)串获混流。两段组成，一段顺流,

另一段逆流。这是对流式过热器常用

的布置方案。

(2)并联混流。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。

(3)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。

S方案具体混动方式筒阳计算•数使用图战

口=。'-，，

|L2《工及宪图8T2

n=r-r

串一8"i&VLS

*B»BE■■I**〃»'9Kq'.—*rA=F

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混e”‘

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数值较大者为J，98-13

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—-F

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（三个施程

夕一H

0”中二个为收曲纨£

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混曲线3

%

4fvwJ'斤，c三个流程中，

—VUUU|Ag二个为逆渔，

人（inM一个为顺注）

*〜,/“/«

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夕“'中

（«*a）图8M

量较大宥力*d，曲£U

电■冠」较小看为，

I自J4%q

>―双BB级2

CDPn-

，---------VJ-

r•M三HM■—■■户1《=81程）

>­,=g*c==~=s»Rn比曲线3

匕■h^vshiaa*^

誉

8Ef，霾3j占《四流程）

i存暮1曲找4

注,在中联混流中，4=冬为顺流部分受热面与总史热面的比值.

据传热学，逆流时，温压最大，顺流时最小。其它情

况的温压均介于这两者之间。

、t=%△却

按逆流计算的平均温压；

出一考虑非逆流布置的修正系数，称温压修正系数。

出值可根据具体布置，进行解析求解或作成线算图。

串联混流时，为了确定是匕，需要三个无

因次参数，即

P=R_%4Hsi

97T2H

々/2—流体的温度变化。

从烟气流程看，先顺后逆时

=，-e,T2=t—t

从烟气流程看，先逆后顺时

%=tT，「2二夕一夕

t、"'一工质的进、出口温度，℃;

凡,H一顺流部分及总受热面积。

令

mH]

°=exp1-PR

匕（RT）

7

则匕可由下式求出：

（1A「1

4-ir产-1上-R

）_______+p—r(H-1)_]=]

RF（H+I）+]R—1L"