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1、第十二章 锅炉热力计算和整体布置 锅炉热力计算的目的 目的：确定锅炉受热面与燃烧产物和工质参数间的关系； 基础：燃料的燃烧计算和锅炉的热平衡计算； 按受热面性质分为炉膛换热计算和炉膛出口后对流受热面的换热 计算； 按计算方法分为设计计算和校核计算。 第一节 炉膛传热计算 炉膛内传热的特点 烟气侧：燃料与空气混合，着火、燃烧、产生高温烟气，与水冷壁 进行热交换（辐射为主、对流为辅）。 工质侧：管内工质流动，吸收烟气放热量（以对流换热为主）。 在炉膛的出口将烟气冷却到合适的温度，（烟气进入密集对流管束 ，低于灰熔融温度，不结渣）。 炉膛换热计算的主要任务 （1）设计计算：已知炉膛出口温度，求受热面
2、（数量和布置等） （2）校核计算：已知炉膛内布置的受热面，求出炉膛出口烟气温 度。 炉膛出口截面上的平均烟气温度是计算的核心 炉膛换热计算的主要困难 炉膛结构复杂，火焰温度分布不均匀，火焰辐射特性不易确定（黑度 ）， 受热面污染对传热的影响程度，极难定量估计。 基于纯数学方法描述物理化学过程的炉膛换热计算方法尚未工程实用 ， 采用依赖大量经验数据的计算方法。 计算方法现状 世界各锅炉制造商各种各样的计算方法，差别很大， 基本思路：简化物理模型，依赖大量测试数据及总结的经验参数，辅 助以先进数值计算， 计算方法尚处于不断改进与完善中 讲述我国推荐采用的工程计算方法。 炉膛内复杂换热过程简化我国现
3、行工程计算方法 1将炉膛内燃烧与传热过程分开考虑 2炉膛内换热以辐射换热方式进行 3炉内温度看作均匀，火焰辐射按平均火焰温度计算， 4炉膛受热面及火焰面均按灰体处理。 基本物理模型： 复杂的炉膛换热过程被简化为两个无限接近的灰体表面（具有不 同的温度和黑度）间的辐射换热问题。 火焰面具有：平均火焰温度 ，黑度 ， 面积 ， 炉膛辐射壁面具有：平均壁面温度 ，黑度 ， 面积 简化 炉膛传热的基本方程 （1）高温烟气与辐射受热面间的辐射换热方程 炉膛辐射传热的基本方程和有效辐射热计算方法 （2）高温烟气在炉内放热的热平衡方程 二者相等得到炉膛换热的基本方程: 炉膛换热基本方程 需再推导 目的：将不
4、易确定的参数替换为容易由实验和经验确定的参数。 炉膛换热基本方程进一步推导 引入水冷壁热有效系数（为简化左侧） 火焰的有效辐射 根据传热学原理 火焰有效辐射 表达为， 冷壁热有效系数也可以表述为： 火焰与水冷壁间的辐射换热量为火焰与水冷壁的有效辐射热的 差值，即， 火焰的本身辐射为 ： 定义炉膛黑度: 由上式得： 于是： 带入上式并整理得 换热基本方程变化为 根据以上结果，炉膛内辐射换热量可表达为 引入炉膛黑度 避免了确定 与 的困难。 我国常用的炉膛换热计算方法 基于炉膛基本换热方程 炉内传热的相似理论计算方法 加上对火焰平均温度近似表述，应用相似理论得到 炉膛换热计算的半经验关联式 火焰平
5、均温度的处理 火焰平均温度在理论燃烧温度与炉膛出口烟温之间，与燃 烧和传热过程有关 由试验和经验数据总结得到： 引入无量纲量： 于是： 炉膛换热基本方程的演化 代入基本方程，得到 玻耳兹曼特征数 决定炉膛出口无量纲烟温的特征数 与燃料性质、燃烧方式、燃烧器布置的相对高度、炉内火焰温 度平均值与绝热温度的关系等有关 炉膛出口烟气温度计算式 是一隐函数，需要迭代计算（作业题） 需要计算水冷壁的面积时 热有效系数 炉膛受热面的辐射特性 沾污系数 角系数 关系 燃料种类污垢系数 光管水冷壁或 膜式水冷壁 气体燃料 重 油 0.65 0.55 煤 粉 炉 无烟煤(飞灰可燃物含量12) 0.45贫煤(飞灰
6、可燃物含量8) 烟煤和褐煤 无烟煤(飞灰可燃物含量12) 贫煤(飞灰对燃物含量8) 0.35 固态排渣炉覆盖耐 火涂料的水冷壁 所有燃料0.20 固态排渣炉覆盖耐 火砖的水冷壁 所有燃料0.10 水冷壁形式 沾污系数的选取 注：如水冷壁可有效吹灰，基本不结渣时，值可提高0.030.05。 火焰黑度 火焰的简化 （1）火焰作灰体处理，基尔霍夫定律： （2）火焰温度均匀，用火焰平均温度表示； （3）火焰各处成分均匀； 气体与液体燃料火焰黑度的计算 炉膛平均火焰黑度 发光火焰的黑度 三原子气体的黑度 煤粉火焰黑度的计算 煤粉火焰的总减弱系数 三原子气体的辐射减弱系数 灰粒的减弱系数 煤粉火焰黑度的计
7、算 焦炭颗粒的减弱系数 炉膛火焰辐射层厚度 炉膛内火焰平均温度的假设与实际差别很大，尤其沿炉膛高度 温度变化显著，对传热影响很大， 系数M是考虑炉内火焰最高温度相对位置的重要修正系数， 经验关联式： 火焰中心位置修正系数M M 炉膛以外的、对流换热为主的对流过热器、再热器、 省煤器、空气预热器等，也包括辐射份额较大的屏式 受热面。 第二节 对流及半辐射受热面的热力计算 辐射传热所占份额不同，为简化，均将辐射部分折算到 对流传热，不同受热面有各自不同的计算方法。 对流受热面传热计算方法与传热学的相关内容大同小异 ，只是在必要之处附加了与工程实际有关的修正系数 。 校核计算特点和目的 校核计算的目
8、的是：计算得到出口烟气温度和出口（或进口）工 质温度； 迭代计算的特点明显；不仅体现在每组受热面的计算，还用在过 热器系统和整台锅炉。 烟温？ 工质温度？ 烟温 工质温度 H k 计算时，已知：受热面，进 口烟气温度和进口（或出 口）工质温度； 利用三个基本方程 对流传热方程 烟气侧热平衡方程 工质侧的热平衡方程， 分别从传热和热平衡的角度来表达对流受热面的对流传热量。（热平 衡方程实际为一个） 以1kg燃料为基准(kJ/kg或kJ/m3) 一、对流受热面换热计算的基本方程 1对流受热面的传热方程 烟温？ 工质温度？ 烟温 工质温度 H k 2烟气侧热平衡方程 3工质侧热平衡方程（与受热面有关
9、） 迭代计算的原因 两种介质均各已知一个温度， 两种介质均有一个温度未知， 只有一个热平衡方程，无法求解 必须采用先假定后校核的迭代计算方法 烟温？ 工质温度？ 烟温 工质温度 H k 迭代计算过程 先假定其中一种介质的终温， 按热平衡方程式求出受热面的吸热量并计算出另一种介质的终温 ， 计算传热系数和温压，按传热方程式计算受热面的吸热量， 传热方程计算的热量应该等于热平衡方程计算的烟气放热量或工 质吸收的热量 否则重新假定终温后再行计算，直至热量之差不超过2% 烟温？ 工质温度？ 烟温 工质温度 H k 二、传热系数 引入灰污系数 引入热有效系数 烟气侧对流放热系数 不同受热面的传热系数实用
10、表达式（例） 1对流式过热器和再热器受热面 当燃用固体燃料、管束为错列布置时， 当燃用固体燃料、管束为顺列布置 2省煤器、直流锅炉的过渡区、蒸发受热面以及超临界 压力锅炉的受热面 工质对管内壁的传热系数很大 当燃用固体燃料、管束为错列布置 燃用固体燃料、管束为顺列布置 3屏式过热器（半辐射式屏式过热器）受热面 4对管式空气预热器 5回转式空气预热器 对流放热系数 传热学的知识，稳态强制对流换热的准则数方程为 1气流横向冲刷光滑管束的对流放热系数 ( 1)顺列管束 或 ( 2)错列管束 气流横向冲刷束时，表面传热系数的特征数方程为 或 2.流体纵向冲刷光滑管束的对流放热系数 工质及管式空气预热器
11、中管内流动的烟气或空气: 第三节 受热面传热系数的计算方法 3回转式空气预热器烟气与空气侧对流放热系数 燃烧产物的辐射传热系数 对流放热量与温差的一次方成正比， 辐射换热与烟气温度四次方和管壁温度四次方之差值成比例。 燃烧产物的辐射传热系数，把辐射换热量计算在总的对流换热之中 第三节 受热面传热系数的计算方法 燃烧产物的辐射传热系数计算式 含灰气流 不含灰气流 灰污系数 灰污系数是考虑燃用固体燃料时，横向冲刷错列布置光管管束灰垢 的影响 受热面的热有效系数 当锅炉燃用固体燃料时，顺列布置的管束以及燃用液体和气体 燃料的各种布置的管束采用热有效系数来表示灰垢对传热的影 响。 对于顺列布置的对流过
12、热器、凝渣管、再热器及直流锅炉的 过渡区等受热面，燃用贫煤和无烟煤时，=0.6；燃用烟煤、褐 煤和洗中煤时，=0.65；燃用油页岩时，=0.6。 受热面的利用系数 空气预热器采用利用系数综合表示灰垢和烟气冲刷不均匀的影响 燃料 管式空气 预热器 板式空气 预热器 铸铁肋片式 空气预热器 除下列燃料外其他燃 料 0.750.850.80 重油0.650.750.70 天然气、木材0.700.800.70 受热面的利用系数 另外，由于屏式受热热面都布置在炉膛顶顶部烟气进进入水平烟道的转转弯 处处，烟气流速易出现现不均匀现现象，因此，屏式过热过热 器在计计算烟气 侧侧放热热系数时时，也采用利用系数来
13、考虑虑烟气对对屏的冲刷不均匀对对 传热过传热过 程的影响。当平均烟气流速大于4m/s时时，取=0.85，随烟气 流速的降低，不均匀性相对对增加, 值值减小。 受热面表面灰污层温度 辐射受热面管壁外表面的温度亦即沉积在管子外部灰渣层的平均温 度 对进口烟温小于400的省煤器 对进口烟温大于400的单级省煤器或双级布置省煤器的上级省 煤器，或直流锅炉的过渡区，燃烧固体燃料或液体燃料时 三、 传热温压t的计算 温压：参与热交换的两种介质在整个受热面中的平均温差。 温压的大小与两种介质在受热面内的温度变化、流动方向有关 常见的流动方式有：顺流、逆流、串联混合流、平行混合流和交叉 混合流 顺流和逆流 t
14、“ “ “ t“ 顺流蒸发受热 面 t t t t“ t“ t 逆流逆流 顺流的平均温压 逆流的平均温压 串联混合流系统 并联混合流系统 交叉流系统 四、 对流换热面积和流速的计算 一般原则 壁面两侧放热系数相差很大，放热系数小侧的湿润面积为传热面 积 放热系数相近，管子内外表面积的算术平均值作为传热面积。 1.对流换热面积 1过热器、再热器、省煤器和锅炉凝渣管束等受热面，换热面积 以管子烟气侧表面积计算。 2管式空气预热器换热面积以管内外表面积的平均值计算。 3回转式空气预热器的换热面积按蓄热板两侧面积之和计算。 4屏式过热器的换热面积 屏式过热器是一半辐射式受热面，传热面积按平壁表面积计算
15、： 2.对流受热面流体流速 计算对流放热系数需介质的流速 （介质的平均体积流量和介质流通截面积）， 温度不断变化，体积流量也随之变化，因此，流体的流速不恒定 。 流体流速是指在定性温度下、规定的流通截面上的平均流速。 定性温度一般取为流体进出口截面上的温度的算术平均值。 介质平均体积流量 烟气的平均体积流量 空气的平均体积流量 水和水蒸气的平均体积流量 介质的平均流通截面积 1）计算原则 有效流通截面积系指烟道横断面的内侧总面积与管束所占面积的差 值。 2）介质横向冲刷光管的流通截面 3）介质纵向冲刷光管的流通截面积 一般对流受热面的校核计算流程 否 是 已知结构和热力计算基础数据 已知受热面进口烟温和进口（或出口）工质温度 假设出口烟气温度、或出口（或进口）工质温度 利用热平衡方程计算未知的烟温或工质温度及对流换热量 计算平均传热温压及传热系数 利用传热方程计算对流传热量 校核对流传热量 差值满足要求？ 该受热面计算结束 迭代计算过程 先假定其
