對流受熱面的換熱計算〔鍋爐原理〕第一節概述大型電站鍋爐的對流受熱面是指對流換熱為主的對流過熱器和再熱器、省煤器、空氣預熱器、直流鍋爐的過渡區等，也包括輻射份額較大的屏式受熱面。因此，本章所講述的受熱面是指除了爐膛以外的所有受熱面。盡管這些受熱面的結構布置、工質和煙氣的參數都有著很大的不同，輻射傳熱所占的份額不同，但為了簡化計算，均采用對流傳熱計算的規律，將輻射傳熱局部折算到對流傳熱，各個不同受熱面的計算方法有所不同。鍋爐對流受熱面的換熱計算方法與傳熱學所介紹的相關內容大同小異，只是在必要之處附加了與工程實際有關的修正系數。有些修正系數的選取對計算結果的影響是至關重要的，譬如，與受熱面煙氣側污染程度有關的經驗系數。不同國家或鍋爐制造廠家的計算方法的主要區別也在修正系數的選取上。本章僅講述我國電站鍋爐行業通常采用的計算方法的根本原理、計算過程和主要規定，計算細節可以參考相應的計算標準或標準。設計計算與校核計算在計算方法上根本上是相同的，計算時所依據的傳熱原理、計算式和圖表都是相同的，僅在于計算任務和所求的數據不同。在對部件進行設計計算時，考慮計算上的方便，也往往采用校核計算的方法。第二節對流受熱面換熱計算的根本方程對流受熱面的換熱計算，不管是設計計算還是校核計算，都是利用對流傳熱方程和煙氣側與工質側的熱平衡方程，分別從對流傳熱和熱平衡的角度來表達對流受熱面的對流換熱量。1.受熱面的對流傳熱方程〔10-1〕式中——以對流方式由煙氣傳遞給受熱面內工質的熱量，以燃料〔固體、液體〕或燃料〔氣體〕為基準；——傳熱系數,W/(m2·℃)；——傳熱溫壓，℃；——參與對流換熱的受熱面面積，m2；——鍋爐計算燃料量，。2.煙氣側熱平衡方程對各段受熱面，煙氣側熱平衡方程是根本相同的，為〔10-2〕式中——保熱系數，考慮散熱損失的影響；、——煙氣在該受熱面入口及出口截面上的平均焓值，；——對應于過量空氣系數時，漏入該段受熱面煙氣側的冷空氣焓值,；——該段受熱面的漏風系數。3.工質側熱平衡方程對于布置在不同位置、不同工質狀態的受熱面，工質吸熱量的計算方法不同。〔1〕布置在爐膛出口處的屏式過熱器或對流過熱器。這一類受熱面的工質總吸熱量由兩局部組成：屏間〔或對流受熱面〕煙氣的對流換熱量和爐膛煙氣的輻射換熱量，所以，在計算屏〔或對流受熱面〕的對流換熱量時，應從工質吸收的熱量中扣除該受熱面接受的爐膛輻射熱量，即〔10-3〕式中——受熱面吸收來自爐膛的輻射熱量,;——工質流量，；、——受熱面出口及入口的工質焓值,。來自爐膛煙氣的輻射熱量可能不會全部被屏式過熱器吸收，將有一局部熱量透射到屏后的其他受熱面，另外屏間煙氣的輻射熱量也會投射到屏后的受熱面上，用表示。屏區輻射熱量的平衡關系見圖10-1.圖10-1屏區輻射熱量平衡所以，屏式過熱器及其后的對流過熱器的工質吸收爐膛的輻射熱量為〔10-4〕來自爐膛的煙氣輻射熱量是由爐膛傳熱計算確定的，即〔10-5〕式中——爐膛出口煙窗面積，m2；——考慮爐膛與屏相互輻射影響的修正系數，按圖10-2確定；——爐膛有效輻射受熱面積的屏間熱負荷；——沿爐膛高度面積熱負荷的不均勻系數。爐膛出口煙氣溫度，℃圖10-2考慮屏間煙氣飯輻射影響的修正系數1—煤；2—重油；3—天然氣爐膛輻射透射到屏后受熱面的熱量按下式計算，即〔10-6〕式中——屏間煙氣的黑度；——屏的進口截面對出口截面的角系數。屏間煙氣對屏后受熱面的輻射熱量為〔10-7〕式中——屏煙氣出口面積,；——屏間煙氣的平均溫度,;——燃料種類修正系數，對煤和液體燃料，取為0.5，對。(2)布置在水平煙道和尾部煙道中的過熱器、再熱器、省煤器及直流鍋爐的過渡區等受熱面內工質的吸熱量按下式計算，即〔10-8〕〔3〕空氣預熱器中空氣的吸熱量為〔10-9〕式中——空氣預熱器出口空氣過量系數；——空氣預熱器空氣漏到煙氣側的漏風系數；、——空氣預熱器入口及出口截面上的理論空氣焓值，。第三節受熱面傳熱系數的計算方法對流受熱面換熱計算中最重要，也是比擬復雜的內容之一是受熱面傳熱系數的計算，其準確程度直接影響到換熱計算結果的準確性。一、傳熱系數計算的一般表達式根據傳熱學的根本原理，考慮鍋爐圓管受熱面管內外外表的污染，并簡化成平壁處理，其傳熱系數的一般表達式為W/〔m2·℃〕〔10-10〕式中——煙氣對灰污層的管壁外表的放熱系數，W/〔m2·℃〕；——管壁灰污層的熱阻，m2·℃/W,灰污層厚度，m,為灰污層的導熱系數,W/〔m·℃〕；——管壁金屬的熱阻，m2·℃/W，其中為管壁厚度，m，為金屬導熱系數，W/〔m·℃〕，該項相對于其他各項小得多，可略去不計；——管內壁水垢的熱阻，m2·℃/W，其中為水垢層厚度，m，為水垢層的導熱系數，W/〔m·℃〕，管內壁不允許存在水垢沉積，該項可略去不計；——工質對管內壁金屬外表的放熱系數，W/〔m2·℃〕。煙氣側外表的放熱系數通常是在試驗室中通過不含灰的氣流沖刷干凈的管壁試驗測得的，但很難測得含灰氣流對污垢管壁外表的放熱系數。為此，在鍋爐的實際計算中，對不同的受熱面分別采取兩種不同的方法來考慮受熱面污染對放熱系數的影響。〔1〕引入灰污系數來考慮煙氣中含灰以及管壁灰污層引起的熱阻，目的是修正煙氣側的放熱系數，采取以下定義，即〔10-11〕所以，傳熱系數寫為〔10-12〕式中——煙氣側不含灰氣流對干凈管壁沖刷的放熱系數，W/〔m2·℃〕；——灰污系數，由于煙氣中含灰以及管壁灰渣層引起的熱阻，m2·℃/W。(2)引入熱有效系數，其定義為被污染受熱管的傳熱系數與清潔管的傳熱系數之比值。因此，與灰污系數不同，它是從修正清潔管傳熱系數的角度來處理污染問題的，其定義為〔10-13〕所以，傳熱系數寫為〔10-14〕另外，工程上的對流換熱過程中總同時存在輻射換熱，因此，煙氣側的傳熱量由兩局部組成，對流傳熱量和輻射傳熱量。但是，對流傳熱時交換的熱量與溫差的一次方成正比，而輻射傳熱量是與煙氣絕對溫度的四次方和管壁溫度四次方之差值成比例，為了方便工程計算，也由于對流受熱面中輻射傳熱僅占煙氣與管束間總換熱量中比擬少的一局部，所以，在鍋爐對流換熱計算中將輻射傳熱量用與對流傳熱公式相同的形式〔牛頓冷卻定律〕來表示。因此，得到一個折算的放熱系數，稱為輻射放熱系數。所以，煙氣側不含灰氣流對干凈管壁沖刷的放熱系數，可以方便地表示為煙氣對管壁外表的對流放熱系數和煙氣對管壁的輻射放熱系數的代數和，即(10-15)式中——考慮煙氣對受熱面的沖刷均勻程度而引入修正系數。二、不同受熱面的傳熱系數實用表達式1.對流式過熱器和再熱器受熱面當燃用固體燃料，管束為錯列布置時，傳熱系數表達為W/(m2·℃)〔10-16〕當燃用固體燃料、管束為順列布置，以及燃用氣體燃料和重油〔無論錯列或順列管束〕時，傳熱系數表達為W/(m2·℃)〔10-17〕2.省煤器、直流鍋爐的過渡區、蒸發受熱面以及超臨界壓力鍋爐的受熱面這類受熱面工質對管內壁外表的放熱系數會到達相當大的數值，因此工質內壁的熱阻可以忽略不計。當燃用固體燃料、管束為錯列布置時，傳熱系數表達為W/(m2·℃)〔10-18〕當燃用固體燃料、管束為順列布置，以及燃用氣體燃料和重油〔無論錯列或順列管束〕時，傳熱系數表達為W/(m2·℃)〔10-19〕3.屏式過熱器〔半輻射式屏式過熱器〕受熱面傳熱系數表達為W/(m2·℃)〔10-20〕屏式過熱器的吸收熱量按兩局部計算，一局部來自爐膛輻射的熱量，另一局部來自屏間煙氣的對流和輻射熱量，見圖10-3圖10-3屏式過熱器換熱及熱阻示意由于傳熱系數K用于計算對流發熱量，所以，式〔10-20〕中是考慮屏式過熱器吸收爐膛輻射熱的影響，當不吸收爐膛輻射吸熱量時，該式變化為式〔10-16〕。另外，由于屏的傳熱面積是按平壁面積計算的，而對流放熱要按屏式過熱器的全部管子外外表積計算，所以，煙氣側的放熱系數計算式有所不同。按屏式過熱器平壁面積計算的換熱量表示為式中——屏的平壁面積,m2；——屏的角系數；——屏管的縱向節距，m；——屏的高度，m；——按平壁面積計算的對流放熱系數。按屏式過熱器的全部管子外外表積計算的換熱量表示為式中——屏式過熱器管子外徑，m；——按管子外外表積計算的對流放熱系數。二者計算的換熱量相等，按不同面積計算的放熱系數間的關系為所以，屏式過熱器煙氣側放熱系數按下式計算，即W/(m2·℃)〔10-21〕式中——利用系數，考慮由于煙氣對屏的沖刷不完全而使吸熱減少的修正系數，見圖10-4。平均煙氣溫度℃煙氣流速，m/s圖10-4屏式受熱面的灰污系數和利用系數1-不結渣；2-帶吹灰時的中等結渣煤；3-無吹灰時的中等結渣煤及帶吹灰時的結渣煤；4-可燃頁巖將受熱面灰污及不完全沖刷的影響綜合用利用系數修正，傳熱系數采用下式計算，即W/(m2·℃)〔10-22〕回轉式空氣預熱器的工作過程是一種非穩態的蓄熱式傳熱過程，而且其傳熱系數是以蓄熱板兩側的傳熱面積之和為基準的，傳熱系數采用下式計算，即W/(m2·℃)〔10-23〕式中——利用系數；，——煙氣、空氣沖刷轉子的份額，煙氣沖刷180°，空氣沖刷120°時，；煙氣沖刷200°，空氣沖刷100°時，；；，——煙氣與空氣側的對流放熱系數；——考慮轉數低時非穩態傳熱影響的系數，對于厚度為的蓄熱板，與受熱面的轉數有關，按表10-1選取。表10-1回轉空氣預熱器修正系數轉數n(r/min)系數C三、對流放熱系數以下介紹煙氣、空氣和過熱蒸汽等介質對金屬管壁的強迫對流放熱系數的工程計算方法。鍋爐對流受熱面的放熱系數與流體的物性、流動狀態、溫度工況以及管束的布置方式、結構參數、沖刷方式、管壁溫度等因素有關。對流放熱系數的數值均采用在大量實驗測定的根底上以準那么數表達的經驗關聯式來確定。根據傳熱學的知識，穩態強制對流換熱的準那么數方程為〔10-24〕通過在試驗條件下的大量試驗數據，確定方程中的系數和指數，得到適合試驗參數范圍內的放熱系數計算關聯式，同時還應注意遵守式中對各熱物性參數所規定的定性溫度。鍋爐受熱面對流放熱系數的傳熱計算采用了適合鍋爐受熱面通常工況〔雷諾數范圍〕的計算式，并在必要處附加了工程實際有關的修正系數。1.氣流橫向沖刷光滑管束的對流放熱系數〔1〕順列管束氣流橫向沖刷順列管束時，外表放熱系數的計算式為〔10-25〕或W/(m2·℃)〔10-26〕式中——氣流流動方向上縱向管排數修正系數，按所計算管束各個管組的平均排數求取，管排數，,，；——考慮管束相對節距影響的修正系數，當橫向相對節距，或縱向相對節距，，其他情況下，；——氣流平均溫度下的導熱系數，W/(m·℃)；——管外徑，；——氣流平均溫度下的運動黏度，——氣流速度，。〔2〕錯列管束氣流橫向沖刷錯列管束時，外表放熱系數的計算式為〔10-27〕或〔10-28〕式中——縱向管排數修正系數；——與管子節距有關的修正系數。與縱向管排數和橫向相對節距有關:；。由橫向相對節距和確定：；；；式中的為斜向相對節距，，其中的為縱向相對節距，為縱向節距。煙氣橫向沖刷單排管束的放熱系數，按橫向沖刷錯列管束計算。鍋爐無相變狀態的工質〔水、過熱蒸汽〕及管式空氣預熱器中管內流動的煙氣或空氣對受熱面的放熱均屬于管內縱向沖刷對流放熱。放熱系數的計算式為〔10-29〕或〔10-30〕式中——沖刷受熱面相對長度的修正系數，；——流體溫度和管壁溫度的修正系數，對氣體，對水蒸氣和水，由于壁溫接近介質的溫度，可取；——當量直徑。氣流在管內流動時當量直徑等于管子的內徑，氣流在非圓形斷面內流動以及縱向沖刷時，當量直徑按下式計算，即〔10-31〕式中——氣流有效流通截面積，；——流通截面內進行熱交換的那局部斷面的周界長度，。對于正壓燃燒的鍋爐，煙氣壓力高于時，其放熱系數可按相同的計算式計算，只是煙氣速度應用折算到大氣壓下的煙氣容積進行計算。這一計算原那么，同樣適用于煙氣橫向沖刷錯列管束的放熱系數以及氣體縱向沖刷管束的放熱系數看計算。式〔10-23〕中的煙氣與空氣側的對流放熱系數，的計算式相同，對國產預熱器換熱元件板型采用下式計算，即W/(m2·℃)式中——煙氣〔或空氣〕平均溫度下的雷諾數；——煙氣〔或空氣〕平均溫度下的普朗特數；——煙氣〔或空氣〕平均溫度下的煙氣〔或空氣〕的導熱系數，W/(m·℃)；——蓄熱板氣流通道的當量直徑，對我國常用的板型，取值為。其他板型的計算式有所不同。為了工程計算的方便，所有的放熱系數均有對應的線算圖，可以根據所要求的參數直接查找相應的線算圖得到放熱系數，讀者可參考相關的計算標準等。四、燃燒產物的輻射放熱系數在受熱面的對流換熱計算中，除了與流體流動有關的對流放熱外，還必須考慮高溫煙氣輻射傳熱的影響。鍋爐計算中將輻射熱量計算在總的對流換熱之中，因此，歸結為計算輻射放熱系數。對含灰的氣流〔考慮灰粒的輻射〕，有W/(m2·℃)〔10-32〕對不含灰的氣流〔不考慮灰粒的輻射〕，有W/(m2·℃)〔10-33〕式中——輻射受熱面管壁黑度，計算燃燒產物對鍋爐受熱面輻射換熱時，可取——燃燒產物的溫度，K；——輻射受熱面管壁外外表溫度，K;、——含灰與不含灰氣流在溫度下的黑度。、可按式〔10-34〕計算，即〔10-34〕式中k——燃燒產物的輻射減弱系數；S——有效輻射層厚度；P——壓力，對非正壓燃燒的鍋爐，取。燃燒產物的輻射減弱系數的計算與鍋爐爐膛換熱計算中相應的內容大同小異。有效輻射層厚度s的根本計算為〔10-35〕對屏式受熱面中的煙氣空間，其有效輻射層厚度由下式計算，即〔10-36〕式中A、B、C——屏間輻射空間的寬、深、高度，m。對光管管束，其有效輻射層厚度計算式為〔10-37〕〔10-38〕式中、——管束的平均橫向節距及縱向節距，m。對鰭片管管束，將按光管管束求得的有效輻射層厚度乘以0.4；對肋片管束，由于有效輻射層厚度很小，可不計算燃燒產物的輻射傳熱。在鍋爐布置對流受熱面的煙道中，從受熱面的分級和檢修方便考慮，均有不布置受熱面的空間，統稱為氣室。如水平煙道和尾部煙道交界處的轉向氣室，各受熱面之間或受熱面每級之間的氣室等，如圖10-5所示。在這些空間中，由于煙氣有效輻射層厚度明顯增加，所以對流傳熱計算中應考慮氣室輻射的影響。圖10-5對流受熱面間氣室示意受熱面范圍內有煙氣氣室空間或者受熱面前有煙氣氣室空間時，可以采用對以上計算的有效輻射層厚度進行修正的方法來考慮氣室的影響，即〔10-39〕〔10-40〕式中——修正系數；——管束沿煙氣流動方向上的深度，m；——氣室沿煙氣流動方向上的深度，m；——。還可以采用修正管束的輻射放熱系數的方法來考慮管束間的氣室輻射，即〔10-41〕式中——計算管束前氣室中的煙氣溫度，K；——系數，煙煤與無煙煤，，褐煤，位于管束后面的氣室對該管束的輻射很小，可以忽略不計。燃燒產物的輻射放熱系數也均可以根據相應的線算圖直接求取。讀者可參考相關的計算標準等。第四節對流受熱面的污染對換熱的影響對流受熱面的污染是由于受熱面在含灰煙氣氣流中的積灰所造成的，被灰垢污染的受熱面將嚴重地影響換熱能力，在通常情況下大約降低30%~50%，運行中受熱面的吹灰操作是減輕受熱面污染的必要措施。鍋爐對流換熱計算中，針對不同特征的受熱面，分別采用受熱面灰污系數、熱有效系數和利用系數來考慮受熱面被污染的影響。受熱面被污染的程度取決于積灰的性質、灰分顆粒尺寸、積灰程度、是否有正常有效的吹灰操作、煙氣流速、煙氣溫度、管子的直徑、管子布置方式〔錯列或順列〕及緊密程度等因素。至今尚缺乏完整可靠的受熱面灰污系數、熱有效系數和利用系數的數據，這些數據的合理選取極大地依賴于實驗數據和實際經驗的積累，工程計算中最好能參考相近煤種、受熱面結構和工況的鍋爐的實測數據謹慎選用。一、灰污系數灰污系數是考慮燃用固體燃料橫向沖刷錯列布置光管管束時灰垢對傳熱系數的影響。灰污系數的數值按式〔10-42〕計算，即m2·℃/W〔10-42〕式中——灰污系數的根本值，取決于煙氣速度與管子布置等因素，m2·℃/W；——管子直徑的修正系數；——灰分顆粒組成的修正系數；——灰污系數的附加值。灰污系數數值確實定很復雜且依賴于經驗，在具體計算時可參考推薦的計算標準選取。在通常的鍋爐受熱面結構和工況下，灰污系數的取值范圍一般為0.002~m2·℃當管束錯列和順列混合布置時，其灰污系數可按各受熱面面積加權平均，即m2·℃/W〔10-43〕式中、——錯列、順列局部的受熱面積，m2；、——錯列、順列局部灰污系數，m2·℃/W。屏式過熱器也是采用灰污系數來考慮積灰污染對傳熱的影響，但選取方法有所不同。二、受熱面的熱有效系數當鍋爐燃用固體燃料時，順列布置的管束以及燃用液體和氣體燃料的各種布置的管束采用熱有效系數來表示灰垢對傳熱的影響。對于順列布置的對流過熱器、凝渣管、再熱器及直流鍋爐的過渡區等受熱面，燃用貧煤和無煙煤時，；燃用煙煤、褐煤和洗中煤時，；燃用油頁巖時，。三、受熱面的利用系數空氣預熱器采用利用系數綜合表示灰垢和煙氣沖刷不均勻的影響，利用系數按表10-2取用。表10-2空氣預熱器受熱面的利用系數燃料管式空氣預熱器板式空氣預熱器鑄鐵肋片式空氣預熱器除以下燃料外的其他燃料重油天然氣、木材對回轉式空氣預熱器，無論燃用固體、液體或氣體燃料，均取0.8~0.9；當空氣預熱器漏風系數時用小值，在時用大值。另外，由于屏式受熱面都布置在爐膛頂部煙氣進入水平煙道的轉彎處，煙氣流速易出現不均勻現象，因此，屏式過熱器在計算煙氣側放熱系數時，也采用利用系數來考慮煙氣對屏的沖刷不均勻對傳熱過程的影響。當平均煙氣流速大于時，取，隨煙氣流速的降低，不均勻性相對增加，值減小。四、受熱面外表灰污層溫度輻射受熱面管外壁的溫度亦即沉積在管子外部灰渣層的平均溫度，按下式計算，即℃〔10-44〕式中——灰污系數，m2·℃/W——管內介質對管壁外表的放熱系數，僅在計算過熱器時計算，W/(m2·℃)——所計算部件的吸熱量，；——所計算部件的受熱面積，m2；——管內流動介質的平均溫度，℃，對沸騰狀態下的水取等于其壓力下的飽和溫度，其他情況下取等于初始溫度和終端溫度的平均值。為簡化計算，對進口煙溫小于400℃℃〔10-45〕對進口煙溫大于400℃℃〔10-46〕第五節傳熱溫壓的計算傳熱溫壓是參與熱交換的兩種介質在整個受熱面中的平均溫差，溫差的大小不僅與兩種介質在受熱面內的溫度變化有關，還與流動方向有關，如果其中一種介質的溫度在受熱面中保持不變，那么溫壓與流動方向無關。受熱面冷、熱兩種介質相互流動的根本方式為順流與逆流。一、順流和逆流時傳熱溫壓的計算兩種介質在受熱面系統中彼此同向平行流動時稱為順流系統，當彼此按相反方向平行流動時稱為逆流系統，如圖10-6所示圖10-6順流、逆流系統中冷、熱介質溫度變化示意順流系統的平均溫壓計算式為，℃〔10-47〕逆流系統的平均溫壓計算式為℃〔10-48〕統一寫為〔10-49〕式中、——放熱介質進口端和出口端的溫度，℃；、——受熱介質進口端和出口端的溫度，℃；、——煙氣與工質在受熱面入口或出口處較大的及較小的溫差。逆流的溫壓最大，順流時的溫壓最小，所有的其他連接系統的溫壓在二者之間。因此，當滿足條件時，任何復雜系統的溫壓，可以按式〔10-50〕計算，而不會帶來超過4%的誤差。℃〔10-50〕二、混合流系統傳熱溫壓的計算鍋爐對流受熱面中幾乎沒有純粹的逆流或順流布置型式，受熱面的管子軸線往往和煙氣流動方向垂直而呈交叉流。當交叉流的交叉次數在五次或五次以上時，即蛇形管曲折流程次數超過4次，就可按順流或逆流計算。鍋爐對流受熱面中還常見有串聯混合流、平行混合流和交叉混合流等。1.串聯混合流系統串聯混合流系統是指受熱面由兩局部組成，兩種介質均串聯連接，由受熱面的一局部過渡到另一局部時，介質相互流動的方向發生變化。串聯混合流的傳熱溫壓計算式為℃〔10-51〕混合流系統并聯混合流系統是指受熱面由幾局部組成，一種介質系多流程串聯連接，另一種介質為單流程并聯連接，無論加熱介質或被加熱介質是單流程的，溫壓計算方法相同。并聯混合流的傳熱溫壓計算式為℃〔10-52〕交叉流系統是指兩種介質的流動相互交叉，且流程數不超過4的系統。交叉流的傳熱溫壓計算式為℃〔10-53〕式〔10-51〕~式〔10-53〕中的為逆流時的溫壓，按兩種介質給定的初溫和終溫計算。各式中的均為相應系統下的溫壓轉換系數，其值均需根據有關的計算標準中的規定進行選取。第六節對流換熱面積和流速的計算一、對流換熱面積鍋爐的受熱面多為圓管，根據圓管傳熱過程分析，換熱面積的計算方法和傳熱系數的定義形式有關。鍋爐對流受熱面換熱面積計算的一般原那么為，如果壁面兩側的放熱系數相差很大時，以放熱系數小的一側的濕潤面積作為換熱面積，如果放熱系數相近，以管子內外外表積的算術平均值作為換熱面積。因此，對鍋爐不同受熱面的特點，有以下具體規定：〔1〕過熱器、再熱器、省煤器和鍋爐凝渣管束等受熱面，換熱面積以管子煙氣側外表積計算。〔2〕管式空氣預熱器的換熱面積以管子內外外表積的平均值計算。〔3〕回轉式空氣預熱器的換熱面積為蓄熱板兩側面積之和，根據蓄熱板總容積與制造廠家提供的單位容積蓄熱板的受熱面面積計算，譬如，對厚的某一國產板型，每立方米容積中的受熱面面積為396m2。〔4〕屏式過熱器的換熱面積。考慮到屏式過熱器是半輻射式受熱面，傳熱面積按平壁外表積計算，即〔10-54〕式中——屏的平面面積，即由屏的最外圈管子圍成的通過各管子中心線的平面面積。——屏的角系數，按單排水冷壁管、、不考慮爐墻輻射的情況，根據有關計算標準確定。二、對流受熱面流體流速在計算對流放熱系數時均需計算流體的流速，為此，須計算流體的平均體積流量和平均流體流通截面積。流過鍋爐對流受熱面的流體，由于熱交換過程的存在，溫度不斷發生變化，其體積流量也隨之變化，而且，沿流程的流通截面積也不相同，因此，流體的流速自然不會恒定。流體的流速是指在定性溫度下所規定的流通截面積上的平均流速。定性溫度一般取為流體進出口截面上的溫度的算術平均值。1.流體的平均體積流量煙氣的平均體積流量為〔10-55〕空氣的平均體積流量為(10-56)(10-57)水和水蒸氣的平均體積流量為〔10-58〕式中、——煙氣平均溫度，℃，空氣平均溫度，℃；、——相對于每千克燃料的理論空氣量和實際煙氣量，；——通過空氣預熱器的空氣量與理論空氣量的比值；——空氣預熱器出口空氣側過量空氣系數；——空氣預熱器的漏風系數；——用于熱風再循環的空氣量占理論空氣量的份額；——水或水蒸氣的流量，；——水或水蒸氣的平均比體積，。空氣預熱器的空氣平衡說明如圖10-7所示圖10-7空氣預熱器空氣量平衡2.流體的平均流通截面積〔1〕計算原那么。氣流橫向沖刷管束時，氣流通道的流通截面積按通過橫向管排軸線垂直于氣流方向的平面計算。有效流通截面積系指煙道橫斷面的內側總面積與管束所占面積的差值。這一有效流通截面和其他任何平行的斷面相比是最小截面，最小流通截面的原那么也適用于其他情況下計算流體的流動速度。〔2〕流體橫向沖刷光管的流通截面積為〔10-59〕式中、——煙道的橫截面尺寸，；——煙道橫截面上最多的管子根數；——管子的計算長度，如系彎管，取管子在直管軸線上的投影作為管長，；——管子外徑，。〔3〕流體縱向沖刷光管的流通截面積。流體在管內流動時，有〔10-60〕流體在管外流動時，有〔10-61〕式中——并聯管子根數；——管子的內徑，m。〔4〕流體沖刷帶環向肋片管束的流通截面積為〔10-62〕式中——管子的橫向節距，m；——未焊肋片的管子外徑，m；——肋片高度，m；——肋片平均厚度，m；——肋片的節距，m。〔5〕回轉式空氣預熱器煙氣與空氣流通截面積的計算。對煙氣流通截面，有〔10-63〕對空氣流通截面，有〔10-64〕式中——轉子內徑，m；——考慮隔板、橫擋板、中心管所占據的活截面的修正系數，根據轉子內徑由表10-3中的數據選取；——考慮蓄熱板所占據的活截面的修正系數，對于厚的國產蓄熱板型，取0.912.，符號意義與式〔10-23〕同。表10-3考慮蓄熱板所占據的活截面的修正系數轉子內徑4567810系數(6)其他特殊情況下有效流通截面積的計算。當煙道內氣流沖刷受熱面的性質相同，但各區段有效流通面積不同時，其平均有效流通面積為〔10-65〕式中、、——各區段的受熱面積，；、、——對應各區段的有效流通截面積，。管束中進、出口截面不同，并且是逐漸擴大或逐漸收縮時，平均有效流通截面積為〔10-66〕式中、——進口截面和出口截面的有效流通截面積。當管束中具有煙氣走廊或煙道并聯連接時，平均有效流通截面積為〔10-67〕式中、——管束及旁通煙道的有效流通截面積，；、——管束及旁通煙道的阻力系數；、——管束及旁通煙道中煙氣平均溫度，℃。3.流體流速在流體的平均體積流量和平均流通截面積后，按下式計算相應流體的流速，即〔10-68〕第七節主要對流受熱面的計算特點在鍋爐某一對流受熱面結構參數的條件下進行校核計算時，至少需要煙氣和管內工質的四個進出口溫度〔對工質還包括對應的壓力〕參數中的兩個，通常煙氣側的進口煙氣溫度和工質側的進口或出口溫度〔及對應的壓力〕。如圖10-8所示。圖10-8對流受熱面計算示意圖計算開始時，先假定其中一種介質的未知溫度并求出對應的焓值，然后按熱平衡方程式〔10-2〕和式〔10-3〕等計算出受熱面的吸熱量，并計算出另一種介質的未知溫度。接著計算傳熱系數和溫壓，并按對流傳熱方程式〔10-1〕計算受熱面的換熱量。由傳熱方程計算的換熱量應該等于按熱平衡方程計算的煙氣放熱量或工質吸收的對流換熱量，二者的差值應滿足計算標準規定的要求，否那么須重新假定終溫后再行計算。通過屢次反復和逐次接近的計算，直至按傳熱方程得到的換熱量與按熱平衡方程式求出的換熱量之差值不超過規定的要求，計算即告完成。其他未知的煙氣和工質溫度及受熱面換熱量的最終數值以熱平衡方程式計算結果為準。一般對流受熱面的校核計算流程如圖10-9所示。鍋爐不同的對流受熱面的校核計算過程和特點有所不同。圖10-9對流受熱面校和計算流程應當指出的是，整臺鍋爐的校核計算實際上也是屢次反復和逐次漸近的計算過程，而且繁雜得多。此時不僅煙氣的中間溫度和內部工質溫度是未知數，而且鍋爐最后的排煙溫度、熱空氣溫度、甚至鍋爐出口的過熱蒸汽溫度都是未知數，在計算開始時均須預先假定，然后用逐次逼近法校核完成。一、屏式過熱器的計算屏式過熱器分大屏和半大屏兩種。前者以輻射方式換熱為主，后者是輻射對流型的受熱面。〔一〕大屏過熱器所謂大屏過熱器是指布置在爐膛上部的全輻射型的分隔屏，在300MW以上機組鍋爐上普遍采用。由于在大屏區間煙氣的流動速度較低，與煙氣在爐膛截面上的上升速度相近，加之對流換熱在該受熱面的全部換熱量中所占的份額不大，因而可以忽略不計。大屏過熱器是和爐膛輻射受熱面合并在一起作為爐膛輻射受熱面的一局部進行計算，大屏過熱器的出口煙氣溫度和煙氣焓即為爐膛出口煙氣溫度和煙氣焓，由于計算過程比擬復雜，而且不同鍋爐廠家采取的計算方法差異較大〔緣于各種計算方法所積累經驗的局限性〕，因此，不再一一講述，讀者可參考有關的計算手冊。〔二〕半大屏過熱器所謂半大屏過熱器是指布置在爐膛出口截面、具有較大的橫向節距，呈獨立片狀的半輻射過熱器或屏式過熱器，其計算方法和一般對流過熱器的計算沒有大的區別。當屏的高度不大于爐膛出口窗的高度時，傳熱系數按一般純橫向沖刷順列管束計算。對屏的下端低于爐膛出口窗時，可按混合沖刷的方法計算傳熱系數，縱向沖刷和橫向沖刷局部的劃分按爐膛出口窗下沿高度作為分界線。受熱面的灰污系數按與對流受熱面相同的方法計算，當混合沖刷時，分別按橫向沖刷和縱向沖刷的煙氣速度計算各區段的灰污系數，按受熱面計算加權平均的灰污系數。但是值得注意的是，在常見的過熱器系統布置中，屏式過熱器的進口蒸汽來自低溫過熱器，而低溫過熱器均布置在屏式過熱器煙氣流程的下游〔如尾部豎井〕，因此，在進行屏式過熱器的校核計算時，僅僅入口煙氣溫度，所以，必須先假定工質側的進口〔或出口〕溫度，才能進行計算。該假定值必須要等到按煙氣流程計算完低溫過熱器后得出其出口工質溫度后才能得到校核，當假定值與計算值之差超過規定范圍時，那么需要從屏式過熱器起重新計算，直至吻合。二、對流過熱器和再熱器的計算對流過熱器和再熱器均為煙氣橫向沖刷〔順列或錯列〕，按平均煙氣溫度〔進口截面和出口截面煙氣溫度的算術平均值〕計算平均煙氣流速，計算煙氣量的過量空氣系數亦取進口和出口過量空氣系數的平均值。過熱器或再熱器受熱面吸收來自爐膛的輻射熱時，應在熱平衡計算中考慮這局部熱量。在所計算的對流過熱器或再熱器前布置有凝渣管或屏式受熱面的情況下，計算時需計及凝渣管或屏式受熱面的吸熱量對的影響。計算燃燒產物管間輻射的輻射放熱系數時，應考慮位于過熱器或再熱器受熱面前和其間的氣室空間容積的輻射，對平均有效輻射層厚度進行修正。位于管束后的氣室空間對管圈的輻射忽略不計。當采用鍋爐尾部豎井分隔煙道及煙氣擋板調節再熱蒸汽溫度時，在兩煙道中，分別按流經受熱面計算區段的煙氣份額計算煙氣出口溫度和焓值，而后按均勻混合計算進入到下一級受熱面的入口煙氣溫度和焓值。過熱器〔和再熱器〕中間均裝有噴水減溫器，通常以減溫器為界分為兩級獨立的受熱面進行計算。如果減溫器前后的受熱面管組布置在同一煙氣區段內，可合并在一起進行傳熱系數的計算，對兩局部按其實際溫度分別計算溫壓。如圖10-10所示，減溫器前蒸汽流量較減溫器后的蒸汽流量要小，其差值為噴水量，噴水減溫器的熱量平衡為圖10-10噴水減溫器熱量平衡說明進一步可得值與減溫器中蒸汽焓的降低值間的關系，即〔10-69〕式中——減溫器前級受熱面出口蒸汽焓，即減溫器進口蒸汽焓；——減溫器后級受熱面入口蒸汽焓，即減溫器出口蒸汽焓；——進入減溫器中噴水的焓。三、蒸發管束及附加受熱面的計算〔一〕凝渣管束一般情況下，凝渣管束布置在爐膛的出口，并且通常系爐膛水冷壁的延伸局部，管內介質系汽水混合物，可按錯列管束計算。由于凝渣管束往往直接布置在爐膛出口窗后，因此必須考慮吸收爐膛的輻射熱，計算受熱面的對流傳熱量時，應從凝渣管束的總換熱量中扣除輻射換熱量。〔二〕直流鍋爐過渡區在直流鍋爐中，為了減輕鍋內積鹽所造成的危害，常將鹽分容易沉積區域的受熱面，布置在煙氣溫度較低的區域，稱為過渡區域。當鍋爐給水品質足夠高時，可以不限制過渡區域的布置位置。在所有可能的負荷情況下，過渡區進口蒸汽濕度應不小于，而過渡區受熱面出口蒸汽過熱度不小于20℃。如在過渡區前裝置了別離器，其進口的蒸汽可取為干蒸汽過渡區的計算與過熱器受熱面計算區別不大，過熱度較低且數值不大于40℃時，過渡區的傳熱溫壓計算可簡化為煙氣平均溫度與飽和溫度之差；如過熱度高于40〔三〕轉向氣室在現代電站鍋爐結構中，轉向氣室內常布置有敷壁管的受熱面或稀疏的懸吊管受熱面，煙氣在轉向氣室中的流動速度較低，一般按輻射換熱進行計算。同時又由于轉向氣室中的換熱量在整臺鍋爐的換熱中所占的份額較小，因此，常作簡化計算。轉向氣室的換熱方程為〔10-70〕式中——換熱面積，。轉向氣室的有效輻射層厚度可按氣室的長、寬、高三維尺寸a、b、c計算，即(10-71〕計算輻射放熱系數的定性煙氣溫度取煙氣平均溫度，灰污系數可近似選取：固體燃料m2·℃/W，液體燃料m2·℃/W，氣體燃料m2·℃/W.敷壁輻射受熱面按與爐膛水冷壁受熱面類似的方法計算。對為數不多的懸吊管等，同樣按輻射投影面計算，并考慮輻射角系數的修正。當計算灰污壁溫時，對受熱面內不同介質的溫度，應分別進行計算。轉向氣室的換熱量為各局部換熱量之和。〔四〕、過熱器、再熱器的附加受熱面及懸吊管在過熱器、再熱器或其他主受熱面區段內布置有另一種介質狀態的附加受熱面，或雖屬同一介質狀態，但屬于單獨計算的受熱面時，附加受熱面所吸收的熱量包括在計算主受熱面的煙氣發熱量中。主受熱面區段的敷壁管(包括煙道四壁、煙道頂部和底部)及主受熱面的懸吊管等均屬于附加受熱面。當附加受熱面的數量不大于主受熱面10%時，附加受熱面的換熱可按下述方法計算。無論附加受熱面與主受熱面結構形式是否相同，通常因受煙氣沖刷較差，計算受熱面積時往往引入經驗修正系數。敷壁管按與水冷壁相同的方法計算，懸吊管按圓周受熱面計算，修正系數可取為0.5。附加受熱面的傳熱系數取等于主受熱面的傳熱系數。附加受熱面與主受熱面并聯布置時，取煙氣平均溫度與附加受熱面工質平均溫度之差值作為附加受熱面的傳熱溫壓。當附加受熱面串聯在主受熱面之后時，取煙氣出口端溫度與工質平均溫度之差為傳熱溫壓。換熱計算式為〔10-72〕式中——以修正系數修正后的附加受熱面積,；——主受熱面傳熱系數，W/(m2·℃)——附加受熱面的傳熱溫壓，℃。四、省煤器的計算省煤器的計算過程與過熱器、再熱器類似，兩級布置省煤器的每一級的計算與單級省煤器的計算相同。當進行省煤器的設計計算時，省煤器的計算吸熱量可由汽水吸熱平衡方程近似估算，即〔10-73〕式中——燃料的有效利用熱量；——爐膛及各級受熱面〔除省煤器外〕的吸熱量，需代入由熱平衡方程計算的數值。當由爐膛沿煙氣流程逐級計算受熱面時，省煤器進口煙氣溫度為值，當從鍋爐尾部逆煙氣流程逐級計算受熱面時，省煤器出口煙氣溫度為值。無論哪一種情況，通常省煤器進口水溫度是值。省煤器中傳熱溫壓，按煙氣和水相互流動方向所構成的系統進行計算。在省煤器的計算中，計算流經省煤器的實際水流量時，應考慮排污量、自用蒸汽量、噴水減溫水量等。當進行布置在尾部豎井分隔煙道中的省煤器計算時，需要考慮分隔煙道中流過的煙氣份額，以確定煙氣速度和計算省煤器出口溫度。五、空氣預熱器的計算管式空氣預熱