鍋爐原理9-爐膛換熱計算

授課教師：范紅途聯(lián)系電話mail:fhtcxj@鍋爐原理Tf〃[Q,Tf〃]第九章、鍋爐爐膛換熱計算鍋爐熱力計算的目的——確定鍋爐受熱面與燃燒產(chǎn)物和工質(zhì)之間的關系。

計算基礎——燃燒計算、鍋爐熱平衡計算。熱力計算爐膛換熱計算爐膛出口后對流受熱面的換熱計算計算方法設計計算、校核計算一、概述二、鍋爐爐膛內(nèi)傳熱的特點1、爐膛換熱的主要特點——燃料燃燒放熱、產(chǎn)生高溫的燃燒產(chǎn)物、傳熱方式以輻射為主對流為輔。2、爐膛換熱計算的任務——布置足夠的換熱面積，將爐膛出口煙氣溫度降到合適的溫度（灰熔點溫度以下），避免受熱面結渣。關注點——爐膛出口截面平均煙氣溫度。設計計算是已知爐膛出口溫度，計算受熱面積；校核計算是已知爐膛受熱面，計算爐膛出口的煙氣溫度。4、爐膛內(nèi)工作過程的簡化分別考慮燃燒與換熱——認為燃料從燃燒器進入爐膛后瞬間完成燃燒過程并達到最高絕熱燃燒溫度Ta,再用經(jīng)驗數(shù)據(jù)來記及燃燒工況對換熱的影響；爐膛內(nèi)換熱主要以輻射換熱方式進行。對流換熱比例不足5%；火焰平均溫度——將火焰穩(wěn)定看做是均勻的；爐膛受熱面及火焰面均按灰體來處理。3、爐膛換熱計算的主要困難影響因素多——爐膛結構形式、幾何尺寸、燃料種類、性質(zhì)、燃燒器的布置和型式、運行方式等；爐內(nèi)過程復雜——結構、火焰穩(wěn)定分布、火焰輻射特性不易確定、積灰、積渣；計算方法——采用依靠大量經(jīng)驗數(shù)據(jù)的工程計算方法。5、爐膛換熱的基本物理模型爐膛火焰與壁面換熱過程被簡化為兩個無限接近的灰體表面間的輻射問題。水冷壁溫度T2水冷壁黑度ε2火焰溫度T1火焰黑度ε1火焰水冷壁水冷壁面積F三、爐內(nèi)輻射換熱基本方程及有效輻射熱的計算方法（1）、物體的輻射黑體自身輻射總能量：灰體自身輻射總能量：T—物體的絕對溫度K—5.67x10-11kw/m2.k4

—灰體黑度（2）、介質(zhì)的吸收率和黑度輻射能經(jīng)輻射層S后輻射強度因被吸收的減弱程度：輻射能經(jīng)輻射層S后輻射強度的降低值與原始輻射強度的比值，也稱為介質(zhì)的吸收率—單位立體角原始輻射強度kw/(m2.sr)ka—輻射介質(zhì)吸收減弱系數(shù)1、爐內(nèi)輻射換熱基本方程根據(jù)克?；舴蚨?，等溫條件下介質(zhì)的黑度等于其吸收率（3）、爐內(nèi)火焰黑度焦炭顆粒接近黑體，但因濃度的關系輻射力占火焰總輻射力的25~30%三原子氣體比固體物質(zhì)輻射力低，黑度隨溫度的提高而降低灰分顆粒充滿整個爐膛，煤粉爐中其輻射力占火焰總輻射力的40~60%—光學厚度，無量綱布格爾準則（4）、入射輻射和有效輻射AGJE入射輻射G有效輻射J自身輻射E灰體：（5）、兩平行平面間的輻射傳熱單位——KW/m2qR——輻射熱交換熱流，KW/m2ε1、ε2——兩個平面的黑度T1、T2——高溫和低溫兩個平面的絕對溫度，K兩平行平面間的輻射傳熱圖ee高溫煙氣與輻射受熱面間的輻射換熱方程：其中：Bcal—計算燃料消耗量，kg/sQR—以1kg燃料為基準的爐內(nèi)換熱量kJ/kgF—爐膛換熱壁面積，m2

—爐膛系統(tǒng)黑度（6）、高溫煙氣在爐內(nèi)放熱的熱平衡方程QR—以1kg燃料為基準的爐內(nèi)換熱量，kJ/kghf”—爐膛出口截面上燃燒產(chǎn)物的焓，

kJ/kg

—考慮爐膛散熱損失的保溫系數(shù)—燃燒產(chǎn)物的平均比熱容，kJ/（kg.℃)Ta—燃燒產(chǎn)物的絕熱溫度，KTf”—爐膛出口煙氣溫度，K將代入得：上述方程理論上可進行爐膛換熱計算的主要任務——設計計算、校核計算。問題：可以由爐膛設計計算的初始條件得到，可以根據(jù)爐膛幾何尺寸、溫度、煙氣輻射成分等求得，但壁面溫度T2,中的爐膛壁面黑度既不是爐膛受壁面受熱面管的，也不是爐墻的，很難確定，火焰溫度T1也難以確定。解決辦法：根據(jù)傳熱學的基本概念，引入其他容易由實驗方法確定的參數(shù)，替代不易確定的上述參數(shù)2、有效輻射熱計算方法水冷壁熱有效系數(shù)：受熱面吸熱量與投射到爐壁上的熱量的比值?；鹧娴挠行л椛?，水冷壁的有效輻射，火焰與水冷壁間輻射換熱量：因此：而則：因其中稱為爐膛黑度：該式表示:火焰的有效輻射在數(shù)值上等于某個表面的自身輻射，其溫度為火焰溫度，其黑度為一個假想黑度εf所以爐膛內(nèi)輻射換熱量：是假想的黑度根據(jù)高溫煙氣在爐內(nèi)放熱的熱平衡方程得爐膛換熱方程：從上式可見，引入

避免了直接確定水冷壁的ε2，T2的困難。結論：爐膛換熱主要因素為爐膛黑度、輻射受熱面平均吸熱能力，輻射受熱面面積及火焰平均溫度T1四、爐內(nèi)傳熱的相似理論計算方法1、火焰平均溫度、理論燃燒溫度、爐膛出口煙氣溫度之間關系

工程中爐膛內(nèi)換熱計算的方法建立于上節(jié)得到的爐膛換熱方程式上，并通過對火焰平均溫度的近似表述，應用相似理論得到半經(jīng)驗關聯(lián)式。由實驗及經(jīng)驗數(shù)據(jù)總結得出為無量綱溫度根據(jù)爐膛換熱方程得到：其中：BO——玻耳茲曼特征數(shù)根據(jù)大量爐內(nèi)換熱實驗數(shù)據(jù)整理得：M——經(jīng)驗數(shù)據(jù)，與燃料性質(zhì)、燃燒方式、燃燒器布置的相對高度、爐內(nèi)火焰溫度平均值、絕熱溫度等有關。2、爐膛出口煙氣無量綱溫度傳熱特征方程式爐膛煙氣出口溫度：水冷壁面積：℃m2注意：計算中與有關，常采用試湊法，先假設一個，計算出的值，代入上述公式求出，兩個差值小于100℃即完成計算，否則重新假設。五、爐膛受熱面的輻射特性爐膛受熱面或多或少會被燃燒產(chǎn)物沾污，積灰表面會影響受熱面的輻射特性，熱交換強度會有不同程度的降低。用水冷壁熱有效系數(shù)和沾污系數(shù)來描述。受熱面壁面為潔凈金屬表面時，水冷壁的有效輻射

相比于火焰的有效輻射小得多，忽略，則。由于受熱面壁面存在角系數(shù)問題，火焰的有效輻射能夠投射到受熱面管表面的部分為，所以。角系數(shù)定義：受熱面壁面存在污染時，灰垢層的溫度比清潔受熱面外壁溫度高得多，用污垢系數(shù)進行修正，是受熱面受到污染而使吸熱降低的一個修正。是火焰輻射到水冷壁受熱面上的熱量最終被水冷壁受熱面獲得的份額。

可見之間的關系：其中可以從實際運行的鍋爐直接檢測，x可以根據(jù)受熱面結構計算，可以得到。見相關資料。對爐膛受熱面有局部覆蓋時（如設衛(wèi)燃帶），總的值：F1、F2——未覆蓋、覆蓋耐火層的有效輻射受熱面m2。

——相應壁面的沾污系數(shù)?？蛇x用六、爐膛火焰黑度爐膛黑度計算式中的爐膛火焰黑度表述爐內(nèi)介質(zhì)高溫輻射的能力。如何計算？簡化處理假定：將傳熱學中貝爾定律得出的單色黑度公式近似地推廣到多組分和非單色輻射煙氣中。將火焰當做灰體處理。爐膛火焰黑度：k——爐內(nèi)介質(zhì)的輻射減弱系數(shù)，為各自輻射介質(zhì)減弱系數(shù)的代數(shù)和1/(m.MPa)。p——爐膛內(nèi)火焰壓力，對平衡通風負壓燃燒的爐膛取0.1MPaS——有效輻射層厚度，m從爐膛火焰黑度公式可見，只要確定K、p、S即可得到。有效輻射層厚度S：，mV——爐膛容積m3。F——爐膛包覆面積m2煤粉火焰輻射減弱系數(shù)k：火焰的輻射減弱系數(shù)為三原子氣體CO2、H2O、灰粒、焦炭顆粒的輻射減弱系數(shù)之和。1)、三原子氣體CO2及H2O的輻射減弱系數(shù)kqrH2O——煙氣中水蒸汽的容積份額。rn——三原子氣體總的容積份額p——煙氣中三原子氣體的分壓力，近似取0.1MPa1/(m.MPa)2)、灰粒的輻射減弱系數(shù)kh1/(m.MPa)——煙氣密度，kg/m3dpj——灰粒平均直徑，——灰粒濃度，kg/m33)、焦炭顆粒的輻射減弱系數(shù)kt1/(m.MPa)與含灰濃度、灰粒的平均直徑有關與焦炭顆粒的濃度有關，而其濃度又與燃料的種類和燃燒方式有關kjt——取10x1——燃料的種類影響系數(shù)。無煙煤和貧煤取1，煙煤褐煤取0.5x2——燃燒方式影響系數(shù)，煤粉爐0.1，層燃爐0.03七、火焰中心位置修正系數(shù)M爐膛出口煙氣無量綱溫度傳熱特征方程式：其中M是被用來考慮沿爐膛高度方向上溫度最高處的相對位置對爐內(nèi)換熱的影響參數(shù)。是重要的修正系數(shù)，對技術結果影響很大。A、B——與燃料種類和爐膛結構有關的經(jīng)驗系數(shù)，查表。xr——燃燒器的相對高度，xr=hr/h1

Δx——火焰最高溫度點的相對位置修正值，查表。h1——爐膛高度，mhr——燃燒器布置高度，m當布置幾層燃燒器時，hr按以下計算：Bi——對應于每層燃燒器的燃煤量，kg/shrj——對應于該層燃燒器的布置高度，mni——該層燃燒器數(shù)目八、爐膛結構特征及其他參數(shù)

1、爐膛容積對固態(tài)排渣煤粉爐，如圖。爐膛容積為圖中陰影部分。各種鍋爐的爐膛因布置有不同形式的受熱面、屏式過熱器或凝渣管，爐膛結構有所不同，對容積、爐壁面積的計算有所影響。

。2、爐壁面積爐壁面積按包覆爐膛容積的表面積計算。將爐壁的投影面作為火焰的輻射表面。也是爐壁受熱面接收火焰輻射的表面積。爐膛內(nèi)雙面曝光水冷壁及屏式受熱面，應以邊界管子中心線間的距離和曝光長度乘積的兩倍作為其相應的面積。爐膛容積中包含有輻射式屏式受熱面時，爐膛總面積=無屏區(qū)爐膛容積的爐壁面積+屏的面積+屏區(qū)的爐壁面積。同時還要考慮某些爐膛的曝光不完整性。3、爐壁的有效輻射面積由于輻射角系數(shù)的影響，爐膛受熱面的有效輻射面積H不等于爐壁面積F。x——角系數(shù)，可查有關圖線。s——管節(jié)距。e——管中心線距爐墻的距離。d——管子外徑。

而在爐膛壁面的不同位置，角系數(shù)x有可能不同，總的有效輻射面積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衛(wèi)燃帶x=1

爐膛出口煙窗x=1燃燒器、看火孔、人孔門x=04、爐壁的出口截面爐膛出口截面的定義位置與爐型有關。通常中、小型鍋爐的出口截面指凝渣管或鍋爐管束的進口截面。大容量鍋爐指屏式過熱器或屏式再熱器的進口截面，前屏過熱器被視為爐膛輻射受熱面的一部分。出口截面的大小一般應使煙氣平均流速在6m/s左右。5、輸入爐膛的有效熱量及絕熱燃燒溫度輸入爐膛的有效熱Q1是指每千克計算燃料的燃燒產(chǎn)物所擁有的總熱量。Qf—1kg燃料帶入鍋爐的可利用熱量。Qa—1kg燃料所需空氣帶入爐膛的熱量αf—爐膛出口處過量空氣系數(shù)。Δα1—爐膛漏風系數(shù)Δαzf

—制粉系統(tǒng)漏風系數(shù)hlk0、hrk0—冷熱空氣理論焓以Q1作為火焰絕熱燃燒焓，根據(jù)該燃料對應的煙氣溫—焓關系確定絕熱燃燒溫度。6、燃燒產(chǎn)物的平均比熱容燃燒產(chǎn)物的平均比熱容是指煙氣在絕熱燃燒溫度和爐膛出口溫度間煙氣比熱容的平均值。hf”——爐膛出口煙溫對應的煙焓。注意：計算和火焰黑度中的三原子氣體的輻射減弱系數(shù)kq時均要知道爐膛出口煙氣溫度，所以爐膛出口煙氣溫度的計算為逐次逼近的過程。7、爐膛受熱面的平均熱負荷及熱負荷不均勻系數(shù)爐膛輻射受熱面熱負荷qH是單位爐膛輻射受熱面所吸收的爐內(nèi)輻射熱量的平均值。H1——爐膛輻射受熱面面積，m2

QF——爐膛輻射吸熱量，kJ/kg爐膛受熱面的輻射吸熱量按爐膛的熱平衡方程計算。Bcal—計算燃料消耗量，kg/sQ1—輸入爐膛有效熱kJ/kg掌握爐膛輻射受熱面熱負荷的意義：qH的大小也表征了爐膛內(nèi)煙氣平均溫度水平的高低，qH過多會影響鍋爐低負荷時的燃料著火和燃燒的穩(wěn)定；qH過高會造成爐壁結渣，或者使水冷壁管的金屬溫度過高，影響安全；將qH折算到水冷壁內(nèi)壁熱負荷，還是判斷膜態(tài)沸騰發(fā)生的重要指標。由于爐內(nèi)各區(qū)段的溫度場、黑度場存在不均勻性，影響到水冷壁熱負荷沿爐膛寬度、深度和高度方向的分布。但在某些計算如水冷壁水動力計算、爐頂受熱面的換熱計算等需要知道局部熱負荷。引入熱負荷不均勻系數(shù)來近似計算。定義：四角燃燒的爐膛：各爐墻間熱負荷分布均勻，各側η=1.0燃燒器前墻布置時：后墻η=1.2前墻η=0.8側墻η=1.0九、爐膛換熱計算的修正方法上述爐膛換熱計算模型及推導方法所基于的原理和采用的修正是合理的，但是在計算較大容量的鍋爐的爐膛換熱時發(fā)現(xiàn)爐膛出口實際檢測溫度和計算值存在較大的差別。計算值低100~130℃。造成原因：雙灰體假設；尤其是火焰。對爐內(nèi)溫度場不均勻性的考慮不夠，尤其是橫截面的溫度不均勻性；沒有考慮爐