炉内传热及其计算.

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1、西安交通大学锅炉研究所 第三章 锅炉炉膛的辐射传热及计算 西安交通大学锅炉研究所 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。 西安交通大学锅炉研究所 西安交通大学锅炉研究所 西安交通大学锅炉研究所 1.特点 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

2、会导致温度场发生变化，影响燃 烧及燃尽。 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%。 西安交通大学锅炉研究所 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 。 西安交通大学锅炉研究所 火焰在炉膛内的换热是一种容积辐射。 辐

3、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。 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。 西安交通大学锅炉研究所 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 西安交通大学锅炉研究所 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

4、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。 西安交通大学锅炉研究所 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。 西安交通大学锅炉研究所 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

5、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。 西安交通大学锅炉研究所 3.炉膛传热计算的基本公式 1 热平衡方程式 几个概念： ()有效放热量 ：随同每千克计算燃 料送入炉膛的热量。 西安交通大学锅炉研究所 西安交通大学锅炉研究所 西安交通大学锅炉研究所 2辐射换热方程式 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 西安交通

6、大学锅炉研究所 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。 西安交通大学锅炉研究所 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。 西安交通大学锅炉研究所 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） 西安交通大学锅炉研究所 由（1）知，

7、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： 西安交通大学锅炉研究所 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 : 西安交通大学锅炉研究所 （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

8、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 西安交通大学锅炉研究所 由于 均为 和 的函数，联立后消去和 ，得到： 此函数关系画在图上 西安交通大学锅炉研究所 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 西安交通大学锅炉研究所 3 炉膛黑度 一、室燃炉的 前面讲过两个传热方程 二者相等 西安交通大

9、学锅炉研究所 火焰的有效辐射 炉壁对火焰的有效辐射 而 代入后，整理得 西安交通大学锅炉研究所 西安交通大学锅炉研究所 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） 西安交通大学锅炉研究所 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 ，

10、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。 西安交通大学锅炉研究所 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。 西安交通大学锅炉研究所 1 三原子气体 CO2，H2O，SO2在红外线光谱区的某些光带内辐

11、 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. 03m （2）使火焰发光，具有很强的辐射能力。 西安交通大学锅炉研究所 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，3050m （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 。 西安交通大学锅炉研究所 火焰辐射的特点是它在整个炉膛容积中

12、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。 西安交通大学锅炉研究所 西安交通大学锅炉研究所 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. 西安交通大学锅炉研究所 西安交通大学锅炉研究所 西安交通大学锅炉研究所 从该式中可看出： 西安交通大学锅炉研究所 西安交通大学锅炉研究所 西安交通大学锅炉研究所 5 炉膛受热面的辐射特性 一、角系数

13、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。 西安交通大学锅炉研究所 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。 西安交通大学锅炉研究所 西安交通大学锅炉研究所 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: 西安交通大学锅炉研究所 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 西安交通大学锅炉研究所 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 西安交通大学锅炉研究所 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。 西安交通大学锅炉研究所 如果水冷壁管表