工业水管锅炉对流受热面受压元件壁温的选取

探讨园地 工业水管锅炉对流受热面受压元件壁温的选取 3 9 文章编号 1 0 0 4 8 7 7 4 2 0 1 1 0 4 3 9 0 3 工业水管锅炉对流受热面受压元件 壁温的选取 吴 国妹 于子文 1 上海工业锅炉研究所 上海 2 0 0 0 7 1 2 牡丹江双锅锅炉制造有限公司 牡丹江 1 5 7 0 2 1 摘要 提出了确定锅炉对流受热面中金属壁温的新思路 新方法 同时 验证 了 G B T 9 2 2 2中确定金属温度的经验式是安全的 该方法可用于强度计算中的金属壁温的确定 关键词 金属壁温 传热 传热 系数 导热系数 中图分 类号 T K 2 2 5 文献标识码 B De t e r mi n a t i o n o f M e t a l Te mp e r a t u r e o f Co n v e c t i o n He a t i n g S u r f a c e s o f W a t e r t u b e I n d u s t r i a l Bo i l e r s w u Gu o me i YU Zi we n 第一 作 者 吴 国妹 1 9 6 3一 毕业 于上 海机械学 院传 热传 质与流体动力学 高 级工程 师 现 主要 从 事标准研究 制定工 作 1 S h a n g h a i I n d u s t r i a l B o i l e r R e s e a r c h I n s t i t u t e S h a n g h a i 2 0 0 0 7 1 C h i n a 2 Mu d a n j i a n g S h u a n g g u o B o i l e r Ma n u f a c t u r e C o L t d Mu d a n j i a n g 1 5 7 0 2 1 C h i n a Ab s t r a c t N e w a p p r o a c h f o r me t a l t e mp e r a t u r e d e t e r mi n i n g i s p r e s e n t e d Me a n w h i l e t h e e mp i ri c a l e q u a t i o n f o r me t a l t e mp e r a t u r e d e t e r mi n i n g i n GB T 9 2 2 2 i s v e ri fi e d Ke y wor d s m e t al t e m p er a t u r e he a t t r a ns f e r he a t t r a ns f e r co e ffi c i e nt he at c o nduc t i v i t y O 前言 在水管锅炉的强度计算 中 我们需要确定受压 元件的金属温度 以往 我们可以根据热力计算中确 定的金属温度值来用于强度计算 也可以用相关标 准 中给出的经验式来确定 根据热力计算来确定的 金属温度 计算步骤相 当复杂 也不直观 而根据经 验公式确定的金属温度 其给出的裕量较大 会造成 钢耗的增加 本文提出的是一种基于数量级分析来 确定金属壁温的方法 其计算简单 直观 又能解决 经验公式带来 的裕量较大的问题 1 锅炉 受热 面的分 类 及 其金 属壁 温 的 制约 因素 我们知道 工业水管锅炉 中的受热面可大致分 成三类 1 对流传热面 其金属壁温与烟气温度 烟 气侧传热系数 金属导热 系数 工质侧温度 工质侧 传热系数有关 收稿 日期 2 0 1 1 05 2 5 2 辐射受热面 其金属壁温与烟气温度 烟 气成分 金属导热系数 工质侧 温度 工质侧传热系 数有关 3 辐射受热面 对流传热面 其金属壁温与 烟气温度 烟气成分 烟气侧传热系数 金属导热系 数 工质侧温度 工质侧传热系数有关 2 对流 受热面 中金属壁温的确定 用于强度计算的平均管壁温度 式中f 受热面金属管外壁温度 t n 受热面金属管内壁温度 t b 平均金属壁温 锅炉的传热过程是烟气 热流体 经金属管壁 向工质侧 冷流体 传热的过程 这种问壁二侧流 体 的传热如图 1 所示 当冷 熟 流体分别从间壁 管壁或平面壁 两侧 流过的时候热流体一边流动温度逐渐降低 而冷流 体侧 边流动温度逐渐升高 很显然 热流体将热 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 工业锅炉 2 0 1 1年第 4期 总第 1 2 8期 量从热流体主体 以对流传热的方式传递 给间壁 而 后热量 以导热的方式从问壁的一侧传 向另一侧 最 后热量从冷流体一侧 的间壁以对流传热的方式传递 到冷流体的主体 这就是热交换的总的过程 整个 传热过程由对流 导热 对流三个部分串联组 成 因而整个过程也称总传热 f 划流 热 I对流 热流 疗向 图 1 平板传热过程 图 烟气 向管壁的传热量 Q l O t 1 Al t 一t 2 式 中t y 烟气温度 q C O 烟气侧 的传热系数 k c a n l h K A 金属管外壁单位面积 I n Q 烟气向管壁 的传热量 k c a l 管壁的导热量 f Q 2 A A 3 U 式 中A 金属的导热系数 k c a l mh K 6 管子壁厚 I n A 金属管内壁和外壁平均单位面积 i n Q 管壁的导热量 k c a l 管壁 向工质的传热量 Q 3 2 A 2 t 一 J 4 式中 工质侧 的传热系数 金属管 内壁单位面积 i n 工质温度 Q 管壁 向工质的传热量 k c a l 在稳定的传热过程 中 Q Q Q 在实际的金属壁温确定 的过程 中 我们 可以先 确定炯气温度 t 和工质温度 t 然后根据受 热面的 布置 确定烟气侧和工质侧 的表面传热系数 根据选定的金属材料 A和选定 的管壁 的厚度 6 就 可相应地计算出 t 和 t 从而确定金属壁温 t 在锅炉受热面中 烟气侧的表面传热系数 o 较 低 而工 质侧 表面传 热系数 较 高 为 烟气侧 的 1 0 0 0 倍左右 而 A 6的数量级 若我们假设壁厚取 1 0 m m 是介于这二者之 间的 约为烟气侧表面传热 系数 的 1 0 0倍 钢材的导热系数为 4 5 5 0 W m K 积灰 的导热 系数为 0 0 5 8 1 0 1 1 6 3 W m K 仅为钢材 的导热 系数 的 1 1 0 2 x 1 0 本文为 了分析的需要 将积灰的导热系数定 为钢材导热系数的 水垢 的导热系数大约仅为钢材导热系数 的 1 1 0 1 1 0 本文为了分析的需要 将结垢的导热系数定 为钢材导热系数 在以后 的分析 中 假定传热管 为薄壁管 其 内外 面积差别 可忽略不计 也 就是 A A2 为 了简化计算 我们假定在稳定传热情况下 烟 气温度 t 1 0 0 0 工质侧的温度 t 3 0 0 温度 差为 7 0 0 我们现在分 三种情况讨论 1 没有积灰和结 垢的金属壁温情况 2 有 0 1 l l l m积灰时金属壁温 情况和有 0 2 m m积灰时金属壁温情况 3 有 0 1 mm结垢时金属壁温情况 和有 0 2 mm结垢 时金属 壁温情况 对情况 1 可以建立数学模型如下 t 一t 1 0 0 t 一 t 1 0 0 0 t 一 t I 求得 t 3 0 7 6 1 6 t 3 0 0 6 9 2 3 t b 3 0 4 1 5 c c 对情况 2 对 0 1 mm积灰情况 可以建立数 学模型如下 若将积灰和金属一并考虑 金属 的 数量级 为 积 灰 的 数 量 级 为 磊 合并后 的 数量级为烟气侧 的 倍左右 一 一t n 1 0 0 0 tt t h t h t 0 0 0 t 一t j 一 一 J 1 一 J 式中 积灰与烟气接触处的温度 求得 3 5 2 4 5 t 3 0 0 6 5 这个温差 分成两部分 其 中灰垢的温差占八分之七左右 所以 金属外 壁温度 t 3 0 7 1 3 金 属壁 温约 为 3 0 4 由于热阻增加 传热减少了 6 5 对 0 2 mm积灰情况 可以建立数学模型如下 若将 积灰和金属一并考虑 金属的 数量级为 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 探讨园地 工业水管锅炉对流受热面受压元件壁温的选取 4 1 积 灰 的 数 量 级 为 而 磊 合 并 后 的 舍 数 量 级 为 烟 气 侧 的 倍 左 右 一 一 1 o o o t t h w t h t 0 0 0 t 一 t j y 一 一 l 一 求得 t h w 3 9 1 8 3 c I t 3 0 0 6 1 o C 这个温差 分成两部分 其中灰垢 的温差 占十五分之十四左右 所以金属外 壁温度 t 3 0 6 6 9 金属 壁温 约为 3 0 4 由于热阻增加 传热减少 了 1 2 2 从积灰 的两个分 析中可以得 出 积灰会引起效 率降低 致使出力不足 但金属温度没有增加 对情况 3 对 0 1 m m结垢情况 可 以建立数 学模型如下 若将结垢和金属一并考虑 金属 的 数量级为 结垢 的数量 级为 合 并后的 数量级为烟气侧的 倍左右 y 一 一g o o o t t t t 1 0 0 0 t t j 一 下 一 一 式 中 结垢与工质接触处的温度 求得 3 1 1 0 2 3 oC t 3 0 0 6 9 但这个温差又分成两部分 其 中结垢 的温差 占 三分之一左右 所以 t 3 1 1 0 2 3 o C 而金属 内壁为 3 0 4 1 3 金属壁温为 3 0 7 5 7 左 右 由于热 阻 增加 传热减少 了0 5 对 0 2 m m结垢情况 可以建立数学模型如下 若将结垢 和金属一并考虑 金属的 数量级为 结垢 的数量 级为 合 并后的 数量级为烟气侧的 5 0倍左右 t y t 5 0 t 一t g 1 0 0 0 t g 一 t J 求得 3 1 4 2 8 o C t 3 0 0 6 8 o C 但这个温差又分成两部分 其 中结垢 的温差 占 二分之一左右 所 以 t 3 1 4 2 8 q C 而金属 内壁 为 3 0 7 4 8 o C 金属壁温为 3 1 0 8 8 o C左右 由于热 阻 增加 传热减少了 0 9 6 从这个分析 中可以得 出 结垢会 引起传热量略 降 但金属温度会相应增加 3 结论 1 对于工业水管锅炉 中的对流受热面 确定 强度计算 中所需用 的壁温 除了可用热力计算 中确 定的值或 G B T 9 2 2 2中所用的经验式 还可以用设 计 中确定的烟气温度 工质温度 受受热面布置影响 的传热系数 的数量级来直观地分解温度差段 确定 金属的壁