第七章锅炉本体的热力计算

第七章锅炉本体的热力计算第一节炉膛传热过程与计算第二节对流受热面的传热计算第三节对流放热系数第四节辐射放热系数第五节平均温差第六节对流受热面传热计算方法提要锅炉本体热力计算的目的当锅炉燃用燃料与设计燃料性质具有较大差别的时候,需要对锅炉进行热力校核计算，来核对炉膛出口温度、各对流换热面出口烟气温度以及过热器出口的过热蒸汽温度。某些情况下，为了提高锅炉的热效率或者出力，需要对其进行技术改造，加装尾部受热面等，这时候热力计算是技术改造的依据。锅炉需要配备鼓风机、引风机等通风装置，需要进行空气动力计算，热力计算是空气动力计算的基础。锅炉设计的需要。第一节炉膛传热计算在炉膛内火焰与管内介质的换热主要依靠辐射换热，一般将对流换热忽略。计算辐射换热的公式是斯蒂芬－波尔茨曼定律。我们主要以层燃炉的传热计算为主。要计算的问题：确定炉膛出口烟温？炉膛换热量？炉膛布置的水冷壁管数量是否合适？一、炉膛的几何特性炉子火床表面到炉膛出口烟窗之间的容积。底部是火床表面；四周以及顶部为水冷壁中心线表面（如水冷壁覆盖耐火材料，则为耐火材料向火表面）；没有布置水冷壁的部分为炉墙内表面；炉膛出口界面为出口烟窗第一排管子中心线界面。包括炉膛容积、炉膛周界面积、有效辐射面积等等1.炉膛容积Vl炉排上的燃料层厚度一般取为150毫米。如果装有老鹰铁，则炉排长度计算到两者的接触点的垂直平面，如没老鹰铁，则到炉排末端。包括上述所有界面的总的封闭面积，即火床面积R、水冷壁面积、炉墙面积和出口烟窗面积。对于靠墙布置的水冷壁其表面积等于边界中心线间距与受热长度的乘积F=bl；对于双面受热的水冷壁，按照水冷壁面积的两倍计算F=2bl；炉膛周界总面积为Fl=R+Fbz，其中Fbz是除火床面积以外的其余炉膛周界总表面积。2.炉膛周界面积Fl

(也称炉膛包覆面积)3.有效辐射受热面积Hf炉膛内换热是借辐射受热面即水冷壁管辐射来完成(如图)。但水冷壁的辐射受热面积并不等于水冷壁的表面积，水冷壁管边靠炉墙布置，只有向火面直接受到炉内火焰的辐射，而其背火面只受到炉墙反射辐射。设火焰向炉墙总的投射热量为Qhy，而一次投落到管子壁面上的热量为Q′，则能量投射的分额(即传热学中的辐射角系数)为：投射到管子的总热量为一次、二次热量的总和有效角系数为火焰投射到管壁受热面的总热量与投射到炉墙的热量之比：有效角系数与管子布置的关系单排光管水冷壁的x的数值与管子的相对节距S/d及管子中心线离开炉墙的相对距离e/d有关。膜式水冷壁犹如管子靠管子（S/d=1），x=1。层燃供热炉通常布置S/d＝2～2.5，e/d＝0.5～1.5，水冷壁管径51～60mm。快装锅炉常采用鳍片管或密布光管。煤粉炉炉膛温度较高，为防止喷燃器对面结渣，水冷壁管布置较紧密，S/d＝1.2～1.3，其余的1.5～1.6。烟窗管束的有效角系数因此，炉膛火焰对烟窗出口三排管束的有效角系数xgs为三排能量投射之和或（1－第三排管透过热量的份额），即对炉膛出口烟窗对炉膛而言，可取x=1，这是因为炉膛火焰投射到出口烟窗上的辐射热。陆续通过烟窗后各排管子，不再有反射，即全部被吸收。对炉膛出口处布置的管排而言，x不能认为等于1。当出口管束为三排时，各排的有效角系数为x1、x2、x3，各排的热量分配为：有效辐射受热面的计算火焰与炉壁之间辐射换热模型二、炉膛传热的基本方程及炉膛黑度火焰与炉壁之间的辐射换热量为：代入Qb、Qh表达式炉膛系统黑度水冷壁本身辐射:火焰本身辐射:对比Qf

的表达式，可以得到炉膛的系统黑度为：假定火床是黑体，其温度等于火焰平均温度。这样，火焰的本身辐射包括了火焰及火床两部分的辐射，即对于层燃炉，不仅有火焰的本身辐射，而灼热的火床表面也向水冷壁受热面辐射热量。只是火床的辐射流在穿越炉膛空间时，会部分被火焰吸收，余下的再会投射到水冷壁受热面上。所以上式中的炉膛系统黑度仅适用于室燃炉。对层燃炉来说，需要进行修正。令，则可得可见，层燃炉炉膛的系统黑度是综合黑度，它不仅与火焰黑度ah、水冷壁壁面黑度ab有关，而且还与炉膛几何特性中水冷程度

、火床与炉壁面积之比ρ相联系。室燃炉炉膛的系统黑度：层燃炉而言，用代替上式中的ah层燃炉炉膛的系统黑度：三、火焰黑度以炉膛出口处的烟温和成分作为计算依据，计算火焰平均黑度。按布格尔定律火焰减弱系数k由三原子气体减弱系数kq和固体颗粒(灰粒和焦炭粒)减弱系数kg所组成1.燃用固体燃料时三原子气体减弱系数kqrq—气体中三原子气体总的容积份额查图公式计算或查图固体颗粒的减弱系数kg固体颗粒减弱系数kg是由灰粒减弱系数kh和焦炭粒等的修正系数C组成（7-21）或查图分发光部分和不发光部分的黑度合成.2.燃用气体或液体燃料时四、炉膛有效放热量与理论燃烧温度炉膛有效放热量,也称入炉热量，是相应于1kg真正参与燃烧的燃料所进入炉膛的热量，它计及了随它一起加进炉膛的其他热量，即当燃料燃烧不用于热空气时：当锅炉装有空气预热器向炉内送热空气时：当根据炉膛有效放热量就可求出炉膛理论燃烧温度。Vy—对应αl''的每kg燃料燃烧后的烟气容积，Nm3/kgcpj—烟气从0到

ll温度范围内的平均容积比热，kJ/Nm3·℃。理论燃烧温度所谓理论燃烧温度，是假定在绝热情况下将Ql作为烟气的理论焓而得到的烟气理论温度

ll。事实上，燃烧是一个动态过程，烟气温度的变化取决于燃烧放热与辐射换热之间的平衡。五、火焰平均温度及水冷壁管外积灰层表面温度火焰平均温度按卜略克-肖林公式汁算，即水冷壁管外积灰层表面温度Tb计算式：Tgb—水冷壁管金属壁温，可视为管内工作压力下介质的饱和温度；ε—管外积灰层热阻，决定于燃料性质和炉内燃烧工况，一般取为2.6m2℃/kW；qf

—水冷壁受热面辐射热流密度。六、炉膛出口烟温炉膛出口烟温一般指防渣管前，进对流管束时的烟气温度。七、炉膛换热计算对每kg计算燃料而言从炉膛烟侧热平衡公式可得：Vycpj——在温度Tll和Tl''区间内，每kg燃料所产生烟气的平均热容量kJ/kg·K不同工作压力下m取值线算图得出八、炉膛换热计算步骤第二节对流换热面的传热计算传热方程式：热平衡方程式：烟气侧：工质侧：对流受热面计算基本方程式工质所吸收的来自炉膛的辐射热灰污系数解决关键工业试验解决另外方法:有效系数对流受热面的传热系数缺少灰污系数值燃用固体燃料的错列管束，在烟气横向冲刷时，其灰污系数与烟气的流速、管子的节距和直径以及烟气中灰粒的分散度等因素有关。

0—实验条件下（管径38mm；含灰细度R30＝33.7％）的灰污系数，由图查得；cd

—管径修正系数；ckf

—灰粉颗粒分散度影响的修正系数；R30—颗粒超过30m的灰量占总灰量的重量百分数；

—对实验室试验结果的附加修正值，对错列布置的过热器，当锅炉燃用沉积松灰的煤取2.6；燃用无烟煤而无吹灰时取4.3；燃用褐煤有吹灰时取3.4。有效系数受热面有效系数取值蒸汽过热器：0.60~0.70；锅炉管束及钢管省煤器：0.55~0.65；管式空气预热器：0.75~0.80。对积灰少、冲刷条件好的情况，取上限值，对有中间管板的管式空气预热器取下限值。既然对流辐射放热系数α1利用系数

对于空气预热器，通常还把灰污和冲刷不完全对传热的影响一并用利用系数来考虑，它表示受热面实际的传热系数K和无灰污并冲刷完全时的传热系数K0比值，即：对没有中间管板的单级管式空气预热器

值，无烟煤、重油

＝0.80；其他煤种及气体燃料

＝0.85。如果管式空气预热器有一块中间管板时，

值要比表中数据降低0.l，有两块中间管板时，

值要降低0.15；当锅炉燃用重油且炉膛出口过量空气系数＞1.03或空气预热器的人口空气温度＜80℃时，因易生成潮湿积灰，故

值要降低0.1。对于空气预热器，由于利用系数自已同时考虑了灰污和冲刷不完全对传热影响，因此在确定

1时就不必再考虑冲刷不完全的影响了。第三节对流放热系数

d管束特性修正系数管束的排数修正系数介质在最窄断面处的平均流速1、横向冲刷错列管束或者通过线算图查取(7-46)cs的取值取决于横向管间流通断面AB与斜向管间流通断面CD之比值

其中cc的取值与管排数有关的修正系数。最初几排放热较弱，以后逐渐增强2、横向冲刷顺列管束按整个管束的平均温度及速度求出各部分的对流放热系数，然后再按各部分受热面积大小比例计算其平均对流放热系数。—面积加权3、横向冲刷顺列+错列管束当错列（或顺列）布置的管子受热面超过总受热面的85％时，则整个管束可按错列（或顺列）计算4、纵向冲刷管束矩形通道内烟气管外纵向冲刷热流方向修正系数管子入口段修正系数近来的研究表明，对于管内的纵向冲刷，公式(7-55)中的常数0.023如用0.021或0.022取代，结果将更为准确，普朗特准则的指数也有被0.43～0.55代替的趋向。常用的还是查线算图ct—考虑热流方向对放热的影响当烟气或空气被加热时，比被冷却时放热系数小当烟气或空气被冷却时，ct=1；当蒸汽和水在管内流动时，壁温和介质的温度较为接近ct≈1cl

—考虑管子相对长度对放热的影响当在纵向冲刷管束时，由于在进口处层流边界层尚未形成，该处的局部放热系数最大，随着边界层厚度的增加，放热系数逐渐减少，待到边界层转化为湍流状态时，放热系数又趋增大并趋于稳定。式(7-55)中得出的放热系数是整个受热面长度的平均值。因此，从受热面入口到非稳定段，对平均放热系数的影响用修正系数来考虑，其值取决于管束长度和当量直径的比值。其值可直接查线算图（图7-13）得到烟气纵向冲刷管束时烟气或空气被冷却时：空气被加热时：过热蒸汽纵向冲刷时非沸腾水纵向冲刷时：5.横向—纵向混合冲刷管束时的传热系数计算传热系数时可按以下原则：

(1)烟气流量和烟气温度，可取整个管束的平均值，以简化计算；

(2)烟气速度对放热影响较大，而且不同冲刷时速度变化也较大，因此速度应按横向冲刷部分和纵向冲刷部分分别计算。按不同的速度和平均温度，借助于相应的公式和线算图，分别先求出各部分受热面的放热系数，然后计算它们各自的传热系数，再按下式得到整个管束的平均传热系数：平均流速及计算截面积的取值容积流量V的计算平均流速及计算截面积的取值（续）通道截面积F的计算管子平均节距或平均管径计算第四节辐射放热系数

f一、公式法放热系数

f对流换热形式：1.烟气为含灰气流，可作为灰体，则管壁吸热的辐射热流密度为：放热系数

f2.不含灰气流，烟气中主要是三原子气体，对辐射有显著选择性，不能视为灰体吸收率Ay管壁吸收的辐射热流密度为：二、查图法对含灰气流：对不含灰气流：烟气黑度有效辐射层厚度：对流烟道中管束（光管）有效辐射层厚度辐射衰减系数：对流烟道中管束（鳍片管）火管锅炉的烟管、管式空气预热器的第二级较大的气流空间（转弯室空间）烟气室容积烟气室壁面积管壁积灰层表面温度第五节平均温差传热方程式：顺流或逆流：混流：当有：第六节对流受热面传热计算方法摘要对流受热面传热计算的步骤已知量 需求量受热面结构特性工质的入口温度计算燃料消耗量烟气入口温度漏风系数漏风焓受热面传热量烟气、工质的出口温度计算步骤：为什么不用两个点呢?那多简单阿!各对流受热面传热计算特点1.防渣管及锅炉管束管内工质为汽水混合物，其温度恒等于工作压力下的饱和温度，故工质侧的热平衡方程式可不用。烟气和工质的平均温差按算术平均计算（式7-77）。受到炉膛的辐射部分在传热系数中修正。当防渣管排数Z2＞5时，可认为炉膛辐射在管束上的热量全部被管束吸收掉，而不再透到后面的对流管束上去。如Z2＜5时，就应计算穿过防渣管束，投到其后受热面上的辐射热量，其计算公式为：有炉膛辐射时，对流传热系数的变化对每m2对流受热面而言，管壁积灰层表面得到的热流密度为：通过积灰层的热流量为：传给管内工质的热流量为：有炉膛辐射时对流传热系数的变化（续）由并取可得到有炉膛辐射时对流传热系数的变化（续）由并取可得到2.过热器的传热计算已知过热器蒸汽参数，确定过热器的受热面积已知过热器蒸汽的进出口焓值过热器对流吸热量过热器进出口烟温预定过热器结构及尺寸，求得传热系数平均温差过热器受热面积2.过热器的传热计算(续)已知过热器的受热面积，核算过热器蒸汽可以达到的温度以及烟气在流经过热器后的温度已知