第七章鍋爐本體的熱力計(jì)算

第七章鍋爐本體的熱力計(jì)算第一節(jié)爐膛傳熱過(guò)程與計(jì)算第二節(jié)對(duì)流受熱面的傳熱計(jì)算第三節(jié)對(duì)流放熱系數(shù)第四節(jié)輻射放熱系數(shù)第五節(jié)平均溫差第六節(jié)對(duì)流受熱面?zhèn)鳠嵊?jì)算方法提要鍋爐本體熱力計(jì)算的目的當(dāng)鍋爐燃用燃料與設(shè)計(jì)燃料性質(zhì)具有較大差別的時(shí)候,需要對(duì)鍋爐進(jìn)行熱力校核計(jì)算，來(lái)核對(duì)爐膛出口溫度、各對(duì)流換熱面出口煙氣溫度以及過(guò)熱器出口的過(guò)熱蒸汽溫度。某些情況下，為了提高鍋爐的熱效率或者出力，需要對(duì)其進(jìn)行技術(shù)改造，加裝尾部受熱面等，這時(shí)候熱力計(jì)算是技術(shù)改造的依據(jù)。鍋爐需要配備鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等通風(fēng)裝置，需要進(jìn)行空氣動(dòng)力計(jì)算，熱力計(jì)算是空氣動(dòng)力計(jì)算的基礎(chǔ)。鍋爐設(shè)計(jì)的需要。第一節(jié)爐膛傳熱計(jì)算在爐膛內(nèi)火焰與管內(nèi)介質(zhì)的換熱主要依靠輻射換熱，一般將對(duì)流換熱忽略。計(jì)算輻射換熱的公式是斯蒂芬－波爾茨曼定律。我們主要以層燃爐的傳熱計(jì)算為主。要計(jì)算的問(wèn)題：確定爐膛出口煙溫？爐膛換熱量？爐膛布置的水冷壁管數(shù)量是否合適？一、爐膛的幾何特性爐子火床表面到爐膛出口煙窗之間的容積。底部是火床表面；四周以及頂部為水冷壁中心線表面（如水冷壁覆蓋耐火材料，則為耐火材料向火表面）；沒(méi)有布置水冷壁的部分為爐墻內(nèi)表面；爐膛出口界面為出口煙窗第一排管子中心線界面。包括爐膛容積、爐膛周界面積、有效輻射面積等等1.爐膛容積Vl爐排上的燃料層厚度一般取為150毫米。如果裝有老鷹鐵，則爐排長(zhǎng)度計(jì)算到兩者的接觸點(diǎn)的垂直平面，如沒(méi)老鷹鐵，則到爐排末端。包括上述所有界面的總的封閉面積，即火床面積R、水冷壁面積、爐墻面積和出口煙窗面積。對(duì)于靠墻布置的水冷壁其表面積等于邊界中心線間距與受熱長(zhǎng)度的乘積F=bl；對(duì)于雙面受熱的水冷壁，按照水冷壁面積的兩倍計(jì)算F=2bl；爐膛周界總面積為Fl=R+Fbz，其中Fbz是除火床面積以外的其余爐膛周界總表面積。2.爐膛周界面積Fl

(也稱爐膛包覆面積)3.有效輻射受熱面積Hf爐膛內(nèi)換熱是借輻射受熱面即水冷壁管輻射來(lái)完成(如圖)。但水冷壁的輻射受熱面積并不等于水冷壁的表面積，水冷壁管邊靠爐墻布置，只有向火面直接受到爐內(nèi)火焰的輻射，而其背火面只受到爐墻反射輻射。設(shè)火焰向爐墻總的投射熱量為Qhy，而一次投落到管子壁面上的熱量為Q′，則能量投射的分額(即傳熱學(xué)中的輻射角系數(shù))為：投射到管子的總熱量為一次、二次熱量的總和有效角系數(shù)為火焰投射到管壁受熱面的總熱量與投射到爐墻的熱量之比：有效角系數(shù)與管子布置的關(guān)系單排光管水冷壁的x的數(shù)值與管子的相對(duì)節(jié)距S/d及管子中心線離開爐墻的相對(duì)距離e/d有關(guān)。膜式水冷壁猶如管子靠管子（S/d=1），x=1。層燃供熱爐通常布置S/d＝2～2.5，e/d＝0.5～1.5，水冷壁管徑51～60mm?？煅b鍋爐常采用鰭片管或密布光管。煤粉爐爐膛溫度較高，為防止噴燃器對(duì)面結(jié)渣，水冷壁管布置較緊密，S/d＝1.2～1.3，其余的1.5～1.6。煙窗管束的有效角系數(shù)因此，爐膛火焰對(duì)煙窗出口三排管束的有效角系數(shù)xgs為三排能量投射之和或（1－第三排管透過(guò)熱量的份額），即對(duì)爐膛出口煙窗對(duì)爐膛而言，可取x=1，這是因?yàn)闋t膛火焰投射到出口煙窗上的輻射熱。陸續(xù)通過(guò)煙窗后各排管子，不再有反射，即全部被吸收。對(duì)爐膛出口處布置的管排而言，x不能認(rèn)為等于1。當(dāng)出口管束為三排時(shí)，各排的有效角系數(shù)為x1、x2、x3，各排的熱量分配為：有效輻射受熱面的計(jì)算火焰與爐壁之間輻射換熱模型二、爐膛傳熱的基本方程及爐膛黑度火焰與爐壁之間的輻射換熱量為：代入Qb、Qh表達(dá)式爐膛系統(tǒng)黑度水冷壁本身輻射:火焰本身輻射:對(duì)比Qf

的表達(dá)式，可以得到爐膛的系統(tǒng)黑度為：假定火床是黑體，其溫度等于火焰平均溫度。這樣，火焰的本身輻射包括了火焰及火床兩部分的輻射，即對(duì)于層燃爐，不僅有火焰的本身輻射，而灼熱的火床表面也向水冷壁受熱面輻射熱量。只是火床的輻射流在穿越爐膛空間時(shí)，會(huì)部分被火焰吸收，余下的再會(huì)投射到水冷壁受熱面上。所以上式中的爐膛系統(tǒng)黑度僅適用于室燃爐。對(duì)層燃爐來(lái)說(shuō)，需要進(jìn)行修正。令，則可得可見，層燃爐爐膛的系統(tǒng)黑度是綜合黑度，它不僅與火焰黑度ah、水冷壁壁面黑度ab有關(guān)，而且還與爐膛幾何特性中水冷程度

、火床與爐壁面積之比ρ相聯(lián)系。室燃爐爐膛的系統(tǒng)黑度：層燃爐而言，用代替上式中的ah層燃爐爐膛的系統(tǒng)黑度：三、火焰黑度以爐膛出口處的煙溫和成分作為計(jì)算依據(jù)，計(jì)算火焰平均黑度。按布格爾定律火焰減弱系數(shù)k由三原子氣體減弱系數(shù)kq和固體顆粒(灰粒和焦炭粒)減弱系數(shù)kg所組成1.燃用固體燃料時(shí)三原子氣體減弱系數(shù)kqrq—?dú)怏w中三原子氣體總的容積份額查圖公式計(jì)算或查圖固體顆粒的減弱系數(shù)kg固體顆粒減弱系數(shù)kg是由灰粒減弱系數(shù)kh和焦炭粒等的修正系數(shù)C組成（7-21）或查圖分發(fā)光部分和不發(fā)光部分的黑度合成.2.燃用氣體或液體燃料時(shí)四、爐膛有效放熱量與理論燃燒溫度爐膛有效放熱量,也稱入爐熱量，是相應(yīng)于1kg真正參與燃燒的燃料所進(jìn)入爐膛的熱量，它計(jì)及了隨它一起加進(jìn)爐膛的其他熱量，即當(dāng)燃料燃燒不用于熱空氣時(shí)：當(dāng)鍋爐裝有空氣預(yù)熱器向爐內(nèi)送熱空氣時(shí)：當(dāng)根據(jù)爐膛有效放熱量就可求出爐膛理論燃燒溫度。Vy—對(duì)應(yīng)αl''的每kg燃料燃燒后的煙氣容積，Nm3/kgcpj—煙氣從0到

ll溫度范圍內(nèi)的平均容積比熱，kJ/Nm3·℃。理論燃燒溫度所謂理論燃燒溫度，是假定在絕熱情況下將Ql作為煙氣的理論焓而得到的煙氣理論溫度

ll。事實(shí)上，燃燒是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，煙氣溫度的變化取決于燃燒放熱與輻射換熱之間的平衡。五、火焰平均溫度及水冷壁管外積灰層表面溫度火焰平均溫度按卜略克-肖林公式汁算，即水冷壁管外積灰層表面溫度Tb計(jì)算式：Tgb—水冷壁管金屬壁溫，可視為管內(nèi)工作壓力下介質(zhì)的飽和溫度；ε—管外積灰層熱阻，決定于燃料性質(zhì)和爐內(nèi)燃燒工況，一般取為2.6m2℃/kW；qf

—水冷壁受熱面輻射熱流密度。六、爐膛出口煙溫爐膛出口煙溫一般指防渣管前，進(jìn)對(duì)流管束時(shí)的煙氣溫度。七、爐膛換熱計(jì)算對(duì)每kg計(jì)算燃料而言從爐膛煙側(cè)熱平衡公式可得：Vycpj——在溫度Tll和Tl''區(qū)間內(nèi)，每kg燃料所產(chǎn)生煙氣的平均熱容量kJ/kg·K不同工作壓力下m取值線算圖得出八、爐膛換熱計(jì)算步驟第二節(jié)對(duì)流換熱面的傳熱計(jì)算傳熱方程式：熱平衡方程式：煙氣側(cè)：工質(zhì)側(cè)：對(duì)流受熱面計(jì)算基本方程式工質(zhì)所吸收的來(lái)自爐膛的輻射熱灰污系數(shù)解決關(guān)鍵工業(yè)試驗(yàn)解決另外方法:有效系數(shù)對(duì)流受熱面的傳熱系數(shù)缺少灰污系數(shù)值燃用固體燃料的錯(cuò)列管束，在煙氣橫向沖刷時(shí)，其灰污系數(shù)與煙氣的流速、管子的節(jié)距和直徑以及煙氣中灰粒的分散度等因素有關(guān)。

0—實(shí)驗(yàn)條件下（管徑38mm；含灰細(xì)度R30＝33.7％）的灰污系數(shù)，由圖查得；cd

—管徑修正系數(shù)；ckf

—灰粉顆粒分散度影響的修正系數(shù)；R30—顆粒超過(guò)30m的灰量占總灰量的重量百分?jǐn)?shù)；

—對(duì)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果的附加修正值，對(duì)錯(cuò)列布置的過(guò)熱器，當(dāng)鍋爐燃用沉積松灰的煤取2.6；燃用無(wú)煙煤而無(wú)吹灰時(shí)取4.3；燃用褐煤有吹灰時(shí)取3.4。有效系數(shù)受熱面有效系數(shù)取值蒸汽過(guò)熱器：0.60~0.70；鍋爐管束及鋼管省煤器：0.55~0.65；管式空氣預(yù)熱器：0.75~0.80。對(duì)積灰少、沖刷條件好的情況，取上限值，對(duì)有中間管板的管式空氣預(yù)熱器取下限值。既然對(duì)流輻射放熱系數(shù)α1利用系數(shù)

對(duì)于空氣預(yù)熱器，通常還把灰污和沖刷不完全對(duì)傳熱的影響一并用利用系數(shù)來(lái)考慮，它表示受熱面實(shí)際的傳熱系數(shù)K和無(wú)灰污并沖刷完全時(shí)的傳熱系數(shù)K0比值，即：對(duì)沒(méi)有中間管板的單級(jí)管式空氣預(yù)熱器

值，無(wú)煙煤、重油

＝0.80；其他煤種及氣體燃料

＝0.85。如果管式空氣預(yù)熱器有一塊中間管板時(shí)，

值要比表中數(shù)據(jù)降低0.l，有兩塊中間管板時(shí)，

值要降低0.15；當(dāng)鍋爐燃用重油且爐膛出口過(guò)量空氣系數(shù)＞1.03或空氣預(yù)熱器的人口空氣溫度＜80℃時(shí)，因易生成潮濕積灰，故

值要降低0.1。對(duì)于空氣預(yù)熱器，由于利用系數(shù)自已同時(shí)考慮了灰污和沖刷不完全對(duì)傳熱影響，因此在確定

1時(shí)就不必再考慮沖刷不完全的影響了。第三節(jié)對(duì)流放熱系數(shù)

d管束特性修正系數(shù)管束的排數(shù)修正系數(shù)介質(zhì)在最窄斷面處的平均流速1、橫向沖刷錯(cuò)列管束或者通過(guò)線算圖查取(7-46)cs的取值取決于橫向管間流通斷面AB與斜向管間流通斷面CD之比值

其中cc的取值與管排數(shù)有關(guān)的修正系數(shù)。最初幾排放熱較弱，以后逐漸增強(qiáng)2、橫向沖刷順列管束按整個(gè)管束的平均溫度及速度求出各部分的對(duì)流放熱系數(shù)，然后再按各部分受熱面積大小比例計(jì)算其平均對(duì)流放熱系數(shù)?！娣e加權(quán)3、橫向沖刷順列+錯(cuò)列管束當(dāng)錯(cuò)列（或順列）布置的管子受熱面超過(guò)總受熱面的85％時(shí)，則整個(gè)管束可按錯(cuò)列（或順列）計(jì)算4、縱向沖刷管束矩形通道內(nèi)煙氣管外縱向沖刷熱流方向修正系數(shù)管子入口段修正系數(shù)近來(lái)的研究表明，對(duì)于管內(nèi)的縱向沖刷，公式(7-55)中的常數(shù)0.023如用0.021或0.022取代，結(jié)果將更為準(zhǔn)確，普朗特準(zhǔn)則的指數(shù)也有被0.43～0.55代替的趨向。常用的還是查線算圖ct—考慮熱流方向?qū)Ψ艧岬挠绊懏?dāng)煙氣或空氣被加熱時(shí)，比被冷卻時(shí)放熱系數(shù)小當(dāng)煙氣或空氣被冷卻時(shí)，ct=1；當(dāng)蒸汽和水在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，壁溫和介質(zhì)的溫度較為接近c(diǎn)t≈1cl

—考慮管子相對(duì)長(zhǎng)度對(duì)放熱的影響當(dāng)在縱向沖刷管束時(shí)，由于在進(jìn)口處層流邊界層尚未形成，該處的局部放熱系數(shù)最大，隨著邊界層厚度的增加，放熱系數(shù)逐漸減少，待到邊界層轉(zhuǎn)化為湍流狀態(tài)時(shí)，放熱系數(shù)又趨增大并趨于穩(wěn)定。式(7-55)中得出的放熱系數(shù)是整個(gè)受熱面長(zhǎng)度的平均值。因此，從受熱面入口到非穩(wěn)定段，對(duì)平均放熱系數(shù)的影響用修正系數(shù)來(lái)考慮，其值取決于管束長(zhǎng)度和當(dāng)量直徑的比值。其值可直接查線算圖（圖7-13）得到煙氣縱向沖刷管束時(shí)煙氣或空氣被冷卻時(shí)：空氣被加熱時(shí)：過(guò)熱蒸汽縱向沖刷時(shí)非沸騰水縱向沖刷時(shí)：5.橫向—縱向混合沖刷管束時(shí)的傳熱系數(shù)計(jì)算傳熱系數(shù)時(shí)可按以下原則：

(1)煙氣流量和煙氣溫度，可取整個(gè)管束的平均值，以簡(jiǎn)化計(jì)算；

(2)煙氣速度對(duì)放熱影響較大，而且不同沖刷時(shí)速度變化也較大，因此速度應(yīng)按橫向沖刷部分和縱向沖刷部分分別計(jì)算。按不同的速度和平均溫度，借助于相應(yīng)的公式和線算圖，分別先求出各部分受熱面的放熱系數(shù)，然后計(jì)算它們各自的傳熱系數(shù)，再按下式得到整個(gè)管束的平均傳熱系數(shù)：平均流速及計(jì)算截面積的取值容積流量V的計(jì)算平均流速及計(jì)算截面積的取值（續(xù)）通道截面積F的計(jì)算管子平均節(jié)距或平均管徑計(jì)算第四節(jié)輻射放熱系數(shù)

f一、公式法放熱系數(shù)

f對(duì)流換熱形式：1.煙氣為含灰氣流，可作為灰體，則管壁吸熱的輻射熱流密度為：放熱系數(shù)

f2.不含灰氣流，煙氣中主要是三原子氣體，對(duì)輻射有顯著選擇性，不能視為灰體吸收率Ay管壁吸收的輻射熱流密度為：二、查圖法對(duì)含灰氣流：對(duì)不含灰氣流：煙氣黑度有效輻射層厚度：對(duì)流煙道中管束（光管）有效輻射層厚度輻射衰減系數(shù)：對(duì)流煙道中管束（鰭片管）火管鍋爐的煙管、管式空氣預(yù)熱器的第二級(jí)較大的氣流空間（轉(zhuǎn)彎室空間）煙氣室容積煙氣室壁面積管壁積灰層表面溫度第五節(jié)平均溫差傳熱方程式：順流或逆流：混流：當(dāng)有：第六節(jié)對(duì)流受熱面?zhèn)鳠嵊?jì)算方法摘要對(duì)流受熱面?zhèn)鳠嵊?jì)算的步驟已知量 需求量受熱面結(jié)構(gòu)特性工質(zhì)的入口溫度計(jì)算燃料消耗量煙氣入口溫度漏風(fēng)系數(shù)漏風(fēng)焓受熱面?zhèn)鳠崃繜煔狻⒐べ|(zhì)的出口溫度計(jì)算步驟：為什么不用兩個(gè)點(diǎn)呢?那多簡(jiǎn)單阿!各對(duì)流受熱面?zhèn)鳠嵊?jì)算特點(diǎn)1.防渣管及鍋爐管束管內(nèi)工質(zhì)為汽水混合物，其溫度恒等于工作壓力下的飽和溫度，故工質(zhì)側(cè)的熱平衡方程式可不用。煙氣和工質(zhì)的平均溫差按算術(shù)平均計(jì)算（式7-77）。受到爐膛的輻射部分在傳熱系數(shù)中修正。當(dāng)防渣管排數(shù)Z2＞5時(shí)，可認(rèn)為爐膛輻射在管束上的熱量全部被管束吸收掉，而不再透到后面的對(duì)流管束上去。如Z2＜5時(shí)，就應(yīng)計(jì)算穿過(guò)防渣管束，投到其后受熱面上的輻射熱量，其計(jì)算公式為：有爐膛輻射時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)的變化對(duì)每m2對(duì)流受熱面而言，管壁積灰層表面得到的熱流密度為：通過(guò)積灰層的熱流量為：傳給管內(nèi)工質(zhì)的熱流量為：有爐膛輻射時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的變化（續(xù)）由并取可得到有爐膛輻射時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的變化（續(xù)）由并取可得到2.過(guò)熱器的傳熱計(jì)算已知過(guò)熱器蒸汽參數(shù)，確定過(guò)熱器的受熱面積已知過(guò)熱器蒸汽的進(jìn)出口焓值過(guò)熱器對(duì)流吸熱量過(guò)熱器進(jìn)出口煙溫預(yù)定過(guò)熱器結(jié)構(gòu)及尺寸，求得傳熱系數(shù)平均溫差過(guò)熱器受熱面積2.過(guò)熱器的傳熱計(jì)算(續(xù))已知過(guò)熱器的受熱面積，核算過(guò)熱器蒸汽可以達(dá)到的溫度以及煙氣在流經(jīng)過(guò)熱器后的溫度已知