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1、第 3 章 锅炉蒸发受热面,HIT,第 3 章 锅炉蒸发受热面,受热面,1,自然循环锅炉的水冷壁,2,凝渣管束与锅炉管束,3,直流锅炉的水冷壁,4,HIT,受热面 高温介质和低温介质进行换热的表面，对于锅炉而言就是把烟气中的热量传给锅内低温工质的表面。 受热面的作用 a: 传递热量 b: 隔离加热介质和被加热介质，是两种介质 的分界面。,3.1 受热面,HIT,受热面的分类 根据受热面的烟气侧主要传热方式的不同分为： a: 辐射受热面； b: 对流受热面。 c: 半辐射受热面,3.1 受热面,HIT,辐射受热面 是以辐射换热为主要换热方式的受热面。其特点是传递热量的多少主要取决于辐射换热的强弱
2、。虽然也有对流换热，但换热的影响基本上可忽略。传热的热流密度与加热介质和被加热介质绝对温度的四次方差成正比。 主要包括: 板式辐射受热面：如炉胆 管式辐射受热面：如水冷壁,3.1 受热面,HIT,对流受热面 传热过程以对流换热为主的受热面。 锅炉的对流受热面主要包括指凝渣管束、锅炉管束、对流过热器和再热器、省煤器及空气预热器等受热面。尽管这些受热面的作用、构造、布置以及工质和烟气的热工数据有很大的不同，但其传热过程都是以对流换热为主。,3.1 受热面,HIT,半辐射受热面 半辐射受热面既吸收烟气流过时的对流热，又吸收炉膛中的辐射热。 半辐射受热面主要指屏式过热器。,3.1 受热面,HIT,受热
3、面的分类 根据受热面内工质状态： a: 加热受热面（预热受热面）； b: 蒸发受热面； c: 过热受热面,3.1 受热面,HIT,3.1 受热面,HIT,3.2 锅炉管束型受热面,3.2.1凝渣管束 3.2.2 锅炉管束,HIT,3.2.1 凝渣管束,锅炉采用型布置时，后墙水冷壁要通过水平烟道，通常节距S较小，易结渣。为此，需把后墙水冷壁通过水平烟道的管子节距拉大，拉稀，形成凝渣管束，以防渣。,采用凝渣管束的原因,HIT,凝渣管束的作用,国产120t/h中压煤粉锅炉凝渣管束,防止后部受热面结渣（也称防渣管束）； 可均匀炉膛出口处的烟气速度场和温度场，减轻后不受热面热偏差。 可吸收蒸发热量；,3
4、.2.1 凝渣管束,HIT,由后墙水冷壁拉稀而成。 采用大节距，所用的横向、纵向相对节距多在以下范围内：,凝渣管束的结构,3.2.1 凝渣管束,HIT,采取锅炉管束的原因,在低压小型锅炉中，由于锅炉的工作压力低，水在汽化过程中所吸收的热量汽化热所占比例较大，仅靠炉膛水冷壁吸热量不能满足蒸发吸热的要求，因此在炉膛出口后面还要装设较多的蒸发受热面即锅炉管束。,3.2.2 锅炉管束,HIT,锅炉管束是一种蒸发受热面，设置在锅炉炉膛出口。通常采用上下双锅筒结构，管子两端胀接或焊接在上下锅筒上。 由于工作压力低，锅筒壁不太厚，制造容易，采用双锅筒结构是比较经济的。为简化制造工艺，在设计时通常使管子形状尽
5、量标准化，如选用相同的弯管半径。,图2-11 小型锅炉蒸发管束简图,锅炉管束的结构,3.2.2 锅炉管束,HIT,锅炉管束可以错列布置（用于小型水管锅炉中机械通风时），其优点是传热效果好，节约钢材。也可顺列布置（小型水管锅炉中自然通风时），以便于吹灰与清灰，减少烟气流动阻力,我国小型锅炉一般采用512.5mm的管子作锅炉管束，节距S1=100mm，S2=95mm，管子弯曲半径R=160mm。,3.2.2 锅炉管束,HIT,采用管束结构可实现烟气对受热面的横向冲刷，在管束中用耐火砖把烟道隔成几个流程，随烟气温度的降低，各流程通道截面积应逐渐减小，以保证各流程的烟气速度相近。,图2-12 锅炉管束
6、流程布置图,3.2.2 锅炉管束,HIT,3.3 自然循环锅炉水冷壁,水冷壁的由来 水冷壁的作用 水冷壁分类 光管水冷壁 膜式水冷壁,HIT,水冷壁是指布置在炉膛四周、炉墙内壁面附近的平行并列管。 水冷壁是一种管式辐射受热面。管子内有工质流动和冷却。是一般水管锅炉必须具备的受热面。,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,在近代动力锅炉中，炉墙上均敷设了水冷壁。 中压锅炉的水冷壁是蒸发受热面。 高压和超高压锅炉的水冷壁主要是蒸发受热面，但炉膛顶部常布置辐射过热器。 在直流锅炉中，一部分水冷壁用作加热受热面和过热受热面，但水冷壁仍然主要是蒸发受热面。在超临界压力直流锅炉中，水冷壁是用作加热水和过热蒸
7、汽。,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,早期锅炉水管锅炉燃烧区距受热面近，火焰直接加热受热面，火焰温度降低，影响燃烧，未燃尽就随烟气排出锅炉，影响效率。而且未燃尽燃料附着在受热面上，增加了传热热阻，降低了传热系数，传热减少。 为了克服这些问题，设计锅炉时，采用较大的炉膛，让燃烧区远离受热面，这样，提高了燃烧区温度，减少了未完全燃烧损失，锅炉效率提高。但燃烧区温度提高后，炉墙易烧坏，为保护炉墙，在炉墙四周布置管子，用工质冷却，形成了水冷壁。今天水冷壁已成为大型锅炉中必不可少的主要受热面。,水冷壁的由来,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,水冷壁的作用,对炉墙的作用 保护炉墙，减少熔渣和高温对炉
8、墙的破坏作用。装设水冷壁后，炉墙的内壁温度大大降低，因此炉墙的厚度可以减小，重量减轻。对于敷在水冷壁管子上的炉墙，即敷管炉墙或管承炉墙，水冷壁也起了悬吊的作用。 吸热 火焰对水冷壁的辐射传热已成为锅炉传热重要方式。由于炉内温度较高，且烟速很低，这种吸热主要通过辐射方式。在炉膛出口处将烟气的温度冷却到足够低的程度。,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,光管式水冷壁 膜式水冷壁。,水冷壁分类,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,1-水冷壁 2-锅筒 3-防渣管 4-炉墙 5-下降管 6-集箱 7-炉墙 8-水冷壁管 9-燃烧室,光管水冷壁,光管式水冷壁就是通过锅筒及集箱连接起来的一排布置在炉墙内侧
9、的光管。 中小容量锅炉用得比较广泛的光管水冷壁。,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,光管水冷壁的结构,水冷壁一般贴近炉墙布置的平行并列管，上部与锅筒或上集箱连接，下部与下集箱相连。 水冷壁通常是以外径d51（工业锅炉）60（大锅炉）mm的无缝钢管组成，材料为20A。 管壁壁厚视工作压力而定，一般为35mm。如：中压锅炉管子尺寸为603，高压锅炉为605。 管墙距e：管子中心线与炉墙之间的距离。 工业锅炉 e/d=0.50.8 电站锅炉 e/d=0.51.0,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,节距S：相邻两管中心线之间的距离。 水冷壁布置的紧密程度S/d来表示。,3.3 自然循环锅炉水冷壁,
10、当S/d增大时，即布置较稀时，管子背面受到炉墙反射的热量较多，金属的利用率较高，但对炉墙的保护较差，从保护炉墙的角度。 S/d不宜过小。 一般只有小型工业锅炉S/d2.0，中大容量锅炉实际采用的S/d至均很小，一般S/d取1.11.2，这是为了采用轻型炉墙和敷管炉墙，尤其采用敷管炉墙， S/d小于1.1. 大于大容量锅炉，必须采用密布水冷壁管，由于炉墙面积相对较小，否则无法达到必须的有效辐射受热面积。,HIT,优点：制造、安装简单。 缺点：保护炉墙的作用小，炉膛漏风严重。,光管水冷壁的优缺点,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,大容量锅炉较多采用了膜式水冷壁，将炉墙全部遮蔽。,膜式水冷壁,3.
11、3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,膜式水冷壁大多由光管和鳍片（扁钢条）焊接而成。,不用扁钢，而用埋弧焊接法将管子一起焊成管排。,膜式水冷壁的几种制作方式,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,钢厂轧制和挤压鳍片管制成的膜式水冷壁，只在大批量生产时才比较经济。,轧制鳍片管的焊接,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,钢管加扁钢工艺制造的膜式水冷壁,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,膜式水冷壁管节距的选择,从经济的角度看，最好采用尽可能大的管间节距，即采用尽可能宽的鳍片。可减少金属耗量，并可降低贵重金属的耗量。 从安全性来说，鳍片也不能过宽，否则在同样向火面热负荷下，鳍端的金属温度就增高，可能产生过烧
12、。 膜式水冷壁的s/d一般选为1.31.35。目前国内各锅炉制造厂对自然循环锅炉的膜式水冷壁采用节距s=80mm，管径d=60mm,管壁厚3、5、6mm。,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,膜式水冷壁管鳍片的要求,鳍片宽度不能过大，国内一般选取b=10mm； 鳍片根部厚度g不能过小，否则容易使得管子过烧；鳍片根部厚度g不能过大，过厚会使它的向火面与背火面的温差太大引起过大的热应力。鳍片厚度一般选为9mm。 鳍片端部厚度也不能太小（考虑焊接），一般为6mm,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,炉膛密封性好，漏风量少，炉膛可采用微正压燃烧。 可降低锅炉的排烟热损失，从而提高锅炉的热效率。 对炉墙
13、保护好，炉墙温度大大降低，可使其厚度减薄，减轻重量和简化炉膛结构。 可缩短起动和停炉时间。,膜式水冷壁的优点,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,3.3 自然循环锅炉水冷壁,两相邻管子的金属温度差别不允许超过50； 水冷壁系统制成整体焊接的悬吊框式结构，设计膜式水冷壁时必须保证有足够的膨胀延伸自由。 应保证人孔、检查孔、看火孔以及管子横穿水冷壁等处有绝对的密封性。,膜式水冷壁设计注意事项：,HIT,为了使局部地区形成高温，常常需要把一部分水冷壁管表面遮盖起来，以减少该部位吸热量，这部分水冷壁表面称作卫燃带。 使挥发份低的难着火燃料能迅速着火和稳定燃烧； 在旋风炉及液态排渣炉中获得较高的温度以使
14、渣顺利排出炉外。,采用卫燃带原因,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,通常是在水冷壁管上焊有较多612mm，长2025mm的销钉（或称抓钉），外涂铬矿砂耐火塑料（97铬矿砂和3耐火粘土，再加上67的水玻璃）,图2-7 卫燃带的构造 1-水冷壁管 2-销钉 3-铬矿砂耐火塑料,卫燃带的敷设,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,固定耐火材料； 将耐火材料上的热量传给水冷壁，使耐火涂料得到冷却，延长使用期限。,卫燃带上销钉的作用,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,折焰角,对高压锅炉及超高压锅炉，广泛采用平炉顶结构，炉顶由过热器顶棚管组成。在平炉顶结构中，后水冷壁上部常做成一个折焰角（或简称鼻子）与
15、上集箱相连，炉膛出口处不装凝渣管束。,DG670/140型锅炉,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,增加了水平连接烟道的长度，并空出了凝渣管束的位置，可以在不增加锅炉深度（指左右方向）的情况下布置更多的过热器受热面，通常这个部位用以布置屏式过热器。 增加炉膛充满度，改善烟气流冲刷屏式过热器的空气动力特性，增加横向冲刷的作用，增加烟气流程，加强烟气混合，使烟气流沿着烟道高度分布趋于均匀。,折焰角的作用,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,折焰角的突出部分一般为为炉膛深度的30左右。 一般取,图2-8 折焰角结构 a)HG-230/100-6型锅炉 b)HG-410/100-1型锅炉 1-上升管
16、2-集箱 3-连接管 4-三叉管 5-节流小孔 6-刚性管,折焰角的结构,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,水冷壁的热膨胀问题：,图2-10 水冷壁管的吊拉件示意图 a)安装时的位置 b)运行时的位置 1-水冷壁管 2-拉钩 3-膨胀间隙 4-支架 5-张力构件,3.3 自然循环锅炉水冷壁,HIT,3.4.1 水平围绕上升管带型 3.4.2 多次垂直上升管屏型 3.4.3 多弯道立式或水平式管带型 3.4.4 直流锅炉水冷壁的应用与发展,3.4 直流锅炉的水冷壁,HIT,直流锅炉 工质在各受热面一次性强制流过。给水由给水泵进入省煤器，经炉膛蒸发受热面、对流过渡区、过热器，然后送往汽轮机。各部分流动水阻力全由水泵来克服。,直流锅炉和自然循环锅炉在结构上的差异除了无锅筒之外，主要在于炉膛部分的水冷壁。,3.4 直流锅炉的水冷壁,HIT,3.4 直流锅炉的水冷壁,HIT,结构形式 水冷壁由许多根平行的管子组成
