炉内传热及其计算

第三章锅炉炉膛的辐射传热及计算§1炉膛传热过程炉膛是现代锅炉最重要的部分，从炉膛传热过程来看，进入炉子的燃料与空气混合着火燃烧后生成的高温的火焰与烟气，通过辐射把热量传递给四周水冷壁管，到达炉膛出口处，烟气温度冷却到某一数值，然后进入对流烟道。1.特点①炉膛内的传热过程与燃料的燃烧过程同时进行，参与燃烧与传热过程的各因素相互影响。例如，燃料种类不同燃烧过程不尽相同，形成的火焰成分及温度场不同，炉膛的吸热量就会不同，即传热过程不同。反之，传热过程不同就会导致温度场发生变化，影响燃烧及燃尽。②炉膛传热以辐射为主，对流所占比例很小。原因：炉膛内火焰温度较高，例如1000℃左右，而四周水冷壁管的温度较低，例如≤400℃炉膛内烟气流速较低，因此，对流传热量占总换热量的份额很小，一般≤5%。③火焰与烟气温度在其行程上变化剧烈对于一般的煤粉炉原因：火焰根部，燃料燃烧生成的热量大于辐射传热量，火焰温度升高。火焰继续上升，可燃物逐渐燃烬，燃烧生成的热量小于辐射传热量，因而，火焰温度下降。于是，存在一点在该点火焰温度最高，称该点火焰中心。④火焰在炉膛内的换热是一种容积辐射。辐射换热量与整个炉膛的形状和尺寸等有关。容积越大，炉内换热器量越多，炉膛出口烟气温度越低。反之炉膛内换热量越小，炉膛出口烟气温度越高。⑤运行因素影响炉内传热过程，例如，运行过程中，污染发生，污染后的受热面表面温度升高，导致炉膛换热量降低。2.炉膛传热计算方法的分类根据“维”数来分，有零维模型，一维，二维，三维模型。根据方法论，有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。3.炉膛传热计算的基本公式1．

热平衡方程式几个概念：(ⅰ)有效放热量：随同每千克计算燃料送入炉膛的热量。2．辐射换热方程式①

直接计算辐射换热量，Stephan-Boltzmann把火焰和炉壁看成两个无限大的平行平面，则

—系统黑度,Thy,Tb

火焰炉壁的平均温度

—火焰炉壁的黑度;—炉壁面积

②根据有效辐射计算换热量如果火焰对炉壁的有效辐射为，炉壁对火焰的有效辐射为，则单位面积上火焰和炉壁间的换热量为。该热量与火焰对炉壁的有效辐射之比称为炉壁的热有效系数

于是利用辐射热统计或其他仪器可测得和，于是得到Q。假定也可用四次方程来表示

式中为炉膛黑度，值得注意的是：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。四．对基本换热方程式的分析由热平衡方程来看，要求得炉换热量Q，必须求得，那么与哪些参数相关呢？即(1)或（2）由（1）知，若求，必须预先得到，，由（1）知，若求，必须预先得到,，目前，，的确定有困难，经过探索可确定，因此，我们的任务是：确定：二、炉内温度场分布规律研究炉内温度场分布规律的目的：确定火焰的平均温度。前面讲过，火焰及烟气在其行程上的变化是剧烈的，但影响炉内温度场沿炉膛高度及的变化有许多因素，例如，燃料特性，燃烧方式，受热面的结构特性等。但试验表明，对于有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，并且可表达成:

（1）其中，，为理论燃烧温度，相对火焰高度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；—为考虑传热，燃烧对火焰温度影响的经验系数。（1）

中令，得炉膛出口无因次温度的四次方：

将（1）从0到1积分，可得到炉膛火焰温度四次方的平均值：最高温度点的位置得由于均为和的函数，联立后消去α和β，得到：

此函数关系画在图上可以看出，Xm不变时,与呈线性关系.因此有m和n均是Xm的函数截距近似为0，，n实际上是Xm为不同值时，直线的斜率，从图中可以大致得到最后，有火焰平均温度

§3炉膛黑度一、室燃炉的前面讲过两个传热方程二者相等火焰的有效辐射

炉壁对火焰的有效辐射而代入后，整理得

二、火床炉的对于火床炉，炉排上的赤热煤层也参与辐射换热，情况更复杂，假定燃烧层的黑度为1，燃烧层的温度与火焰温度相等，经求解得到其中为炉排面积R与炉膛总壁面积之比（不包括R）

§4火焰黑度在炉膛黑度的计算式中，除外，还须知道，即火焰黑度，那么怎样计算呢？我们在传热学中知道，固体发射或吸收辐射能可以认为中在表面进行，称表面辐射，但是，当气体或带有悬浮固体粒子的气体和其他物体进行辐射换热时，它的辐射和吸收是沿整个容积进行的，称容积辐射。气体介质辐射的一个重要特点是可能具有明显的选择性，气体只辐射和吸收一定波长间隔（称为光带）中的辐射，对于其他波长的辐射能，它几乎是透明的。在锅炉的炉膛中，研究的是烟气辐射。烟气一般由二原子气体（N2，O2，CO）三原子气体（CO2，H2O，SO2）以及悬浮固体粒子（炭黑、飞灰，焦碳粒子）所组成。氮和氧发射和吸收辐射热的能力很弱，可以认为是透明的，一般情况下，烟气中CO的浓度很低。因此，中烟气中具有辐射能力的主要是三原子气体和悬浮的固体粒子。

1．

三原子气体

CO2，H2O，SO2在红外线光谱区的某些光带内辐射和吸收能量，在光带外，既不辐射也不吸收，呈现透明性质，因而，若火焰完全是由三原子气体组成时，这种火焰肉眼看不到，称为不发光火焰。2．

炭黑粒子成因：燃料的烃类化合物在高温下分解。特点（1）直径小，0.03μm（2）使火焰发光，具有很强的辐射能力。3．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，30~50μm（2）有很强的辐射能力。4．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。火焰辐射的特点是它在整个炉膛容积中进行。而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。由于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。

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。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。一般将上述两种情况分开处理.从该式中可看出：

§5炉膛受热面的辐射特性一、角系数及有效系数炉内吸热是借炉膛内布置了辐射受热面—水冷壁来达到的。水冷壁的辐射受热面面积并不等于所有管子的表面积，这是因为水冷壁管一般都是靠炉墙布置，只有曝光的一面受到炉内火焰的辐射，而其背面只受到炉墙的反射辐射，所以不能完全利用。为纯几何因子但锅炉的水冷壁由于它与炉墙的相对位置，使得未直接投射到水冷壁管上的辐射热，到达炉墙后，会被反射回来而部分落到水冷壁管子上。

对膜式壁x=1。炉膛出口烟窗取x=1。但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。

若某区域的炉壁面积为Fbi，有效角系数为xi，则该区域的有效辐射受热面为:由于名区域布置水冷壁有效角系数不尽相同，则炉膛总的效辐射受热面

也称作炉膛的水冷程度，现代锅炉膛的水冷程度都很高，一般可达0.9以上。整个炉膛中，所布置的水冷壁结构特性不同，或污染情况不同时，名部分的热有效系数不等。则整个炉膛的平均热有效系数为

二、热有效系数炉膛水冷壁管的热有效系数表示火焰与炉壁间接的换热量与火焰有效辐射之比。如果水冷壁管表面十分干净，则外壁温度接近管内工质温度，一般情况下不会高于400℃，管壁的自身辐射相对于火焰的有效辐射可以忽略。若水冷壁管外壁结了一层垢，即使很簿，管子最外层灰垢的表面温度也会很高，如900℃，这时自身辐射就不能忽略了。此外，水冷壁越脏，炉壁黑度就越小，使炉壁的反辐射增加。

§6炉膛传热计算

其中

§7炉膛出口烟温及其影响因素一、炉膛出口温确定的原则1．保证锅炉辐射受热面和对流受热面工作的可靠。燃用固体燃料时，以受热面不结渣为为限，一般应小于t1。液体和气体燃料时，无结渣问题，主要受经济性的限制。但不能太低，否则炉内平均温度度水平降低，影响炉内燃料稳定的着火和燃尽。

2．

技术经济性的要求炉膛中辐射传热量与火焰的温度的四次方成正比，在高烟温区中辐射传热的效果优于对流传热，因此，若吸收相同的热量，采用辐射传热可以节省受热面积和金属消耗量。但过多地增加辐射受热面后，炉膛出口温度降得太低，亦即炉内温度水平较低，这不仅影响燃烧的顺利进行，而且辐射热负荷的减低，节省金属的优越性不能充分体现。因此，若较高辐射受热较少，对流受热面就须很多，但较低辐射受热较多，对流受热面就也减少不了很多。故有最佳值使得二者和为最小。

我国热力计算标准方法中推荐，小型锅炉燃用固体燃料时，炉膛出口烟温不宜低于950℃。对于燃用固体燃料的大中型室燃炉，比较经济合理的炉膛出口烟温约为1200℃，燃用气体燃料时，因其火焰发光性较差黑度较小，辐射传热效果差，而对流受热面没有飞灰磨损的限制，将用较高的烟气流速，以获得较大的对流传热系数，炉膛出口烟温可提高到1400℃左右。说明：此式虽来大量的统计数据，但当时的容量较小<300t/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