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(jì)算鍋爐熱力計(jì)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(guān)系。

計(jì)算基礎(chǔ)——燃燒計(jì)算、鍋爐熱平衡計(jì)算。熱力計(jì)算爐膛換熱計(jì)算爐膛出口后對(duì)流受熱面的換熱計(jì)算計(jì)算方法設(shè)計(jì)計(jì)算、校核計(jì)算一、概述二、鍋爐爐膛內(nèi)傳熱的特點(diǎn)1、爐膛換熱的主要特點(diǎn)——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(duì)流為輔。2、爐膛換熱計(jì)算的任務(wù)——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(diǎn)溫度以下），避免受熱面結(jié)渣。關(guān)注點(diǎn)——爐膛出口截面平均煙氣溫度。設(shè)計(jì)計(jì)算是已知爐膛出口溫度，計(jì)算受熱面積；校核計(jì)算是已知爐膛受熱面，計(jì)算爐膛出口的煙氣溫度。4、爐膛內(nèi)工作過(guò)程的簡(jiǎn)化分別考慮燃燒與換熱——認(rèn)為燃料從燃燒器進(jìn)入爐膛后瞬間完成燃燒過(guò)程并達(dá)到最高絕熱燃燒溫度Ta,再用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)記及燃燒工況對(duì)換熱的影響；爐膛內(nèi)換熱主要以輻射換熱方式進(jìn)行。對(duì)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(lái)處理。3、爐膛換熱計(jì)算的主要困難影響因素多——爐膛結(jié)構(gòu)形式、幾何尺寸、燃料種類、性質(zhì)、燃燒器的布置和型式、運(yùn)行方式等；爐內(nèi)過(guò)程復(fù)雜——結(jié)構(gòu)、火焰穩(wěn)定分布、火焰輻射特性不易確定、積灰、積渣；計(jì)算方法——采用依靠大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的工程計(jì)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(guò)程被簡(jiǎn)化為兩個(gè)無(wú)限接近的灰體表面間的輻射問(wèn)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(jì)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(duì)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(qiáng)度因被吸收的減弱程度：輻射能經(jīng)輻射層S后輻射強(qiáng)度的降低值與原始輻射強(qiáng)度的比值，也稱為介質(zhì)的吸收率—單位立體角原始輻射強(qiáng)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)克希霍夫定律，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(guān)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(gè)爐膛，煤粉爐中其輻射力占火焰總輻射力的40~60%—光學(xué)厚度，無(wú)量綱布格爾準(zhǔn)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(gè)平面的黑度T1、T2——高溫和低溫兩個(gè)平面的絕對(duì)溫度，K兩平行平面間的輻射傳熱圖ee高溫?zé)煔馀c輻射受熱面間的輻射換熱方程：其中：Bcal—計(jì)算燃料消耗量，kg/sQR—以1kg燃料為基準(zhǔn)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?zé)煔庠跔t內(nèi)放熱的熱平衡方程QR—以1kg燃料為基準(zhǔn)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(jìn)行爐膛換熱計(jì)算的主要任務(wù)——設(shè)計(jì)計(jì)算、校核計(jì)算。問(wèn)題：可以由爐膛設(shè)計(jì)計(jì)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(xué)的基本概念，引入其他容易由實(shí)驗(yàn)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(jì)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(gè)表面的自身輻射，其溫度為火焰溫度，其黑度為一個(gè)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?zé)煔庠跔t內(nèi)放熱的熱平衡方程得爐膛換熱方程：從上式可見(jiàn)，引入

避免了直接確定水冷壁的ε2，T2的困難。結(jié)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(jì)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(guān)系

工程中爐膛內(nèi)換熱計(jì)算的方法建立于上節(jié)得到的爐膛換熱方程式上，并通過(guò)對(duì)火焰平均溫度的近似表述，應(yīng)用相似理論得到半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。由實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)得出為無(wú)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得：M——經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與燃料性質(zhì)、燃燒方式、燃燒器布置的相對(duì)高度、爐內(nèi)火焰溫度平均值、絕熱溫度等有關(guān)。2、爐膛出口煙氣無(wú)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(jì)算中與有關(guān)，常采用試湊法，先假設(shè)一個(gè)，計(jì)算出的值，代入上述公式求出，兩個(gè)差值小于100℃即完成計(jì)算，否則重新假設(shè)。五、爐膛受熱面的輻射特性爐膛受熱面或多或少會(huì)被燃燒產(chǎn)物沾污，積灰表面會(huì)影響受熱面的輻射特性，熱交換強(qiáng)度會(huì)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(lái)描述。受熱面壁面為潔凈金屬表面時(shí)，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(wèn)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(shí)，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(jìn)行修正，是受熱面受到污染而使吸熱降低的一個(gè)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(jiàn)之間的關(guān)系：其中可以從實(shí)際運(yùn)行的鍋爐直接檢測(cè)，x可以根據(jù)受熱面結(jié)構(gòu)計(jì)算，可以得到。見(jiàn)相關(guān)資料。對(duì)爐膛受熱面有局部覆蓋時(shí)（如設(shè)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(yīng)壁面的沾污系數(shù)?？蛇x用六、爐膛火焰黑度爐膛黑度計(jì)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(jì)算？簡(jiǎn)化處理假定：將傳熱學(xué)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(dāng)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(duì)平衡通風(fēng)負(fù)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(jiàn)，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(guān)與焦炭顆粒的濃度有關(guān)，而其濃度又與燃料的種類和燃燒方式有關(guān)kjt——取10x1——燃料的種類影響系數(shù)。無(wú)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(wú)量綱溫度傳熱特征方程式：其中M是被用來(lái)考慮沿爐膛高度方向上溫度最高處的相對(duì)位置對(duì)爐內(nèi)換熱的影響參數(shù)。是重要的修正系數(shù)，對(duì)技術(shù)結(jié)果影響很大。A、B——與燃料種類和爐膛結(jié)構(gòu)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，查表。xr——燃燒器的相對(duì)高度，xr=hr/h1

Δx——火焰最高溫度點(diǎn)的相對(duì)位置修正值，查表。h1——爐膛高度，mhr——燃燒器布置高度，m當(dāng)布置幾層燃燒器時(shí)，hr按以下計(jì)算：Bi——對(duì)應(yīng)于每層燃燒器的燃煤量，kg/shrj——對(duì)應(yīng)于該層燃燒器的布置高度，mni——該層燃燒器數(shù)目八、爐膛結(jié)構(gòu)特征及其他參數(shù)

1、爐膛容積對(duì)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(guò)熱器或凝渣管，爐膛結(jié)構(gòu)有所不同，對(duì)容積、爐壁面積的計(jì)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(jì)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(yīng)以邊界管子中心線間的距離和曝光長(zhǎng)度乘積的兩倍作為其相應(yīng)的面積。爐膛容積中包含有輻射式屏式受熱面時(shí)，爐膛總面積=無(wú)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(shí)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(guān)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(guān)。通常中、小型鍋爐的出口截面指凝渣管或鍋爐管束的進(jìn)口截面。大容量鍋爐指屏式過(guò)熱器或屏式再熱器的進(jìn)口截面，前屏過(guò)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(yīng)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(jì)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(guò)量空氣系數(shù)。Δα1—爐膛漏風(fēng)系數(shù)Δαzf

—制粉系統(tǒng)漏風(fēng)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(duì)應(yīng)的煙氣溫—焓關(guān)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(duì)應(yīng)的煙焓。注意：計(jì)算和火焰黑度中的三原子氣體的輻射減弱系數(shù)kq時(shí)均要知道爐膛出口煙氣溫度，所以爐膛出口煙氣溫度的計(jì)算為逐次逼近的過(guò)程。7、爐膛受熱面的平均熱負(fù)荷及熱負(fù)荷不均勻系數(shù)爐膛輻射受熱面熱負(fù)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(jì)算。Bcal—計(jì)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(fù)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(guò)多會(huì)影響鍋爐低負(fù)荷時(shí)的燃料著火和燃燒的穩(wěn)定；qH過(guò)高會(huì)造成爐壁結(jié)渣，或者使水冷壁管的金屬溫度過(guò)高，影響安全；將qH折算到水冷壁內(nèi)壁熱負(fù)荷，還是判斷膜態(tài)沸騰發(fā)生的重要指標(biāo)。由于爐內(nèi)各區(qū)段的溫度場(chǎng)、黑度場(chǎng)存在不均勻性，影響到水冷壁熱負(fù)荷沿爐膛寬度、深度和高度方向的分布。但在某些計(jì)算如水冷壁水動(dòng)力計(jì)算、爐頂受熱面的換熱計(jì)算等需要知道局部熱負(fù)荷。引入熱負(fù)荷不均勻系數(shù)來(lái)近似計(jì)算。定義：四角燃燒的爐膛：各爐墻間熱負(fù)荷分布均勻，各側(cè)η=1.0燃燒器前墻布置時(shí)：后墻η=1.2前墻η=0.8側(cè)墻η=1.0九、爐膛換熱計(jì)算的修正方法上述爐膛換熱計(jì)算模型及推導(dǎo)方法所基于的原理和采用的修正是合理的，但是在計(jì)算較大容量的鍋爐的爐膛換熱時(shí)發(fā)現(xiàn)爐膛出口實(shí)際檢測(cè)溫度和計(jì)算值存在較大的差別。計(jì)算值低100~130℃。造成原因：雙灰體假設(shè)；尤其是火焰。對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)不均勻性的考慮不夠，尤其是橫截面的溫度不均勻性；沒(méi)有考慮爐