第三章鍋爐爐膛的輻射傳熱及計算§1爐膛傳熱過程爐膛是現代鍋爐最重要的部分，從爐膛傳熱過程來看，進入爐子的燃料與空氣混合著火燃燒后生成的高溫的火焰與煙氣，通過輻射把熱量傳遞給四周水冷壁管，到達爐膛出口處，煙氣溫度冷卻到某一數值，然后進入對流煙道。1.特點①爐膛內的傳熱過程與燃料的燃燒過程同時進行，參與燃燒與傳熱過程的各因素相互影響。例如，燃料種類不同燃燒過程不盡相同，形成的火焰成分及溫度場不同，爐膛的吸熱量就會不同，即傳熱過程不同。反之，傳熱過程不同就會導致溫度場發生變化，影響燃燒及燃盡。②爐膛傳熱以輻射為主，對流所占比例很小。原因：爐膛內火焰溫度較高，例如1000℃左右，而四周水冷壁管的溫度較低，例如≤400℃爐膛內煙氣流速較低，因此，對流傳熱量占總換熱量的份額很小，一般≤5%。③火焰與煙氣溫度在其行程上變化劇烈對于一般的煤粉爐原因：火焰根部，燃料燃燒生成的熱量大于輻射傳熱量，火焰溫度升高。火焰繼續上升，可燃物逐漸燃燼，燃燒生成的熱量小于輻射傳熱量，因而，火焰溫度下降。于是，存在一點在該點火焰溫度最高，稱該點火焰中心。④火焰在爐膛內的換熱是一種容積輻射。輻射換熱量與整個爐膛的形狀和尺寸等有關。容積越大，爐內換熱器量越多，爐膛出口煙氣溫度越低。反之爐膛內換熱量越小，爐膛出口煙氣溫度越高。⑤運行因素影響爐內傳熱過程，例如，運行過程中，污染發生，污染后的受熱面表面溫度升高，導致爐膛換熱量降低。2.爐膛傳熱計算方法的分類根據“維”數來分，有零維模型，一維，二維，三維模型。根據方法論，有經驗法和半徑驗法零維模型，假定爐內各物理量如煙溫，火焰溫度，受熱面壁溫等都是均勻的，計算得到的結果也是某些平均值，如平均爐膛出口煙溫，平均受熱面熱負荷等。一維模型：沿爐膛的軸線方向，例如高度，考慮溫度，黑度等的變化，而在垂直于軸線的平面上則認為各個物理量是均勻的。二維模型：適用于軸對稱的圓柱型爐膛。三維模型：可以得到爐膛內的溫度場，熱負荷等。討論：零維、一維模型簡單，計算方便，但與實際情況相差較大。二維模型對實際鍋爐用處不大，（無圓柱形）三維模型計算難度大，考慮的因素多，但接近實際情況，計算機的出現，使得該模型前途光明。經驗法：根據工業性試驗結果，整理成經驗公式或圖表，計算往往比較簡單，也可能相當精確，缺點是，局限較大，只能用于規定的范圍，不能外推。過去：主要依靠經驗法。現在：產品較單一的廠家，仍然采用。半經驗法：采用一定的理論（例如相似理論），找到描述爐內過程的微分方程，進一步得準則方程，再利用這些準則方程整理試驗數據。目前：零維模型半經驗法仍是爐膛傳熱計算的基本方法。3.爐膛傳熱計算的基本公式1．

熱平衡方程式幾個概念：(ⅰ)有效放熱量：隨同每千克計算燃料送入爐膛的熱量。2．輻射換熱方程式①

直接計算輻射換熱量，Stephan-Boltzmann把火焰和爐壁看成兩個無限大的平行平面，則

—系統黑度,Thy,Tb

火焰爐壁的平均溫度

—火焰爐壁的黑度;—爐壁面積

②根據有效輻射計算換熱量如果火焰對爐壁的有效輻射為，爐壁對火焰的有效輻射為，則單位面積上火焰和爐壁間的換熱量為。該熱量與火焰對爐壁的有效輻射之比稱為爐壁的熱有效系數

于是利用輻射熱統計或其他儀器可測得和，于是得到Q。假定也可用四次方程來表示

式中為爐膛黑度，值得注意的是：既非火焰黑度，也非系統黑度，而是對應于火焰有效輻射的一個假想的黑度。四．對基本換熱方程式的分析由熱平衡方程來看，要求得爐換熱量Q，必須求得，那么與哪些參數相關呢？即(1)或（2）由（1）知，若求，必須預先得到，，由（1）知，若求，必須預先得到,，目前，，的確定有困難，經過探索可確定，因此，我們的任務是：確定：二、爐內溫度場分布規律研究爐內溫度場分布規律的目的：確定火焰的平均溫度。前面講過，火焰及煙氣在其行程上的變化是劇烈的，但影響爐內溫度場沿爐膛高度及的變化有許多因素，例如，燃料特性，燃燒方式，受熱面的結構特性等。但試驗表明，對于有相當高度而四周布滿水冷壁的爐膛，爐內溫度場具有類似性，并且可表達成:

（1）其中，，為理論燃燒溫度，相對火焰高度L—火焰的總高度（燃燒器中心到出口中心），x距燃燒器中心的火焰高度；—為考慮傳熱，燃燒對火焰溫度影響的經驗系數。（1）

中令，得爐膛出口無因次溫度的四次方：

將（1）從0到1積分，可得到爐膛火焰溫度四次方的平均值：最高溫度點的位置得由于均為和的函數，聯立后消去α和β，得到：

此函數關系畫在圖上可以看出，Xm不變時,與呈線性關系.因此有m和n均是Xm的函數截距近似為0，，n實際上是Xm為不同值時，直線的斜率，從圖中可以大致得到最后，有火焰平均溫度

§3爐膛黑度一、室燃爐的前面講過兩個傳熱方程二者相等火焰的有效輻射

爐壁對火焰的有效輻射而代入后，整理得

二、火床爐的對于火床爐，爐排上的赤熱煤層也參與輻射換熱，情況更復雜，假定燃燒層的黑度為1，燃燒層的溫度與火焰溫度相等，經求解得到其中為爐排面積R與爐膛總壁面積之比（不包括R）

§4火焰黑度在爐膛黑度的計算式中，除外，還須知道，即火焰黑度，那么怎樣計算呢？我們在傳熱學中知道，固體發射或吸收輻射能可以認為中在表面進行，稱表面輻射，但是，當氣體或帶有懸浮固體粒子的氣體和其他物體進行輻射換熱時，它的輻射和吸收是沿整個容積進行的，稱容積輻射。氣體介質輻射的一個重要特點是可能具有明顯的選擇性，氣體只輻射和吸收一定波長間隔（稱為光帶）中的輻射，對于其他波長的輻射能，它幾乎是透明的。在鍋爐的爐膛中，研究的是煙氣輻射。煙氣一般由二原子氣體（N2，O2，CO）三原子氣體（CO2，H2O，SO2）以及懸浮固體粒子（炭黑、飛灰，焦碳粒子）所組成。氮和氧發射和吸收輻射熱的能力很弱，可以認為是透明的，一般情況下，煙氣中CO的濃度很低。因此，中煙氣中具有輻射能力的主要是三原子氣體和懸浮的固體粒子。

1．

三原子氣體

CO2，H2O，SO2在紅外線光譜區的某些光帶內輻射和吸收能量，在光帶外，既不輻射也不吸收，呈現透明性質，因而，若火焰完全是由三原子氣體組成時，這種火焰肉眼看不到，稱為不發光火焰。2．

炭黑粒子成因：燃料的烴類化合物在高溫下分解。特點（1）直徑小，0.03μm（2）使火焰發光，具有很強的輻射能力。3．焦碳粒子成因：水分和揮發分逸出后的剩余部分。特點（1）直徑稍大，30~50μm（2）有很強的輻射能力。4．灰粒子成因：焦碳粒子的可燃成分燃燼后的剩余部分。特點（1）直徑與炭黑粒子和焦碳粒子之間。（2）有一定的輻射能力，在高溫下發光。火焰輻射的特點是它在整個爐膛容積中進行。而火焰與周圍水冷壁換熱量可以看作是整個爐膛容積內的火焰對其全部周界面的輻射力。由于爐膛的形狀不盡規則，從不同方向輻射對周界面上的射線行程各不相同，導致到達周界面上的輻射力亦不相同。

燃用氣體、重油的火焰中，主要輻射介質是三原子氣體及炭黑。燃用固體燃料的火焰中，除三原子氣體外，還有灰粒子及焦炭粒子。一般將上述兩種情況分開處理.從該式中可看出：

§5爐膛受熱面的輻射特性一、角系數及有效系數爐內吸熱是借爐膛內布置了輻射受熱面—水冷壁來達到的。水冷壁的輻射受熱面面積并不等于所有管子的表面積，這是因為水冷壁管一般都是靠爐墻布置，只有曝光的一面受到爐內火焰的輻射，而其背面只受到爐墻的反射輻射，所以不能完全利用。為純幾何因子但鍋爐的水冷壁由于它與爐墻的相對位置，使得未直接投射到水冷壁管上的輻射熱，到達爐墻后，會被反射回來而部分落到水冷壁管子上。

對膜式壁x=1。爐膛出口煙窗取x=1。但對爐膛出口處布置的管排而言，x不能視為1。有效角系數與爐壁面積的乘積稱為有效輻射受熱面。

若某區域的爐壁面積為Fbi，有效角系數為xi，則該區域的有效輻射受熱面為:由于名區域布置水冷壁有效角系數不盡相同，則爐膛總的效輻射受熱面

也稱作爐膛的水冷程度，現代鍋爐膛的水冷程度都很高，一般可達0.9以上。整個爐膛中，所布置的水冷壁結構特性不同，或污染情況不同時，名部分的熱有效系數不等。則整個爐膛的平均熱有效系數為

二、熱有效系數爐膛水冷壁管的熱有效系數表示火焰與爐壁間接的換熱量與火焰有效輻射之比。如果水冷壁管表面十分干凈，則外壁溫度接近管內工質溫度，一般情況下不會高于400℃，管壁的自身輻射相對于火焰的有效輻射可以忽略。若水冷壁管外壁結了一層垢，即使很簿，管子最外層灰垢的表面溫度也會很高，如900℃，這時自身輻射就不能忽略了。此外，水冷壁越臟，爐壁黑度就越小，使爐壁的反輻射增加。

§6爐膛傳熱計算

其中

§7爐膛出口煙溫及其影響因素一、爐膛出口溫確定的原則1．保證鍋爐輻射受熱面和對流受熱面工作的可靠。燃用固體燃料時，以受熱面不結渣為為限，一般應小于t1。液體和氣體燃料時，無結渣問題，主要受經濟性的限制。但不能太低，否則爐內平均溫度度水平降低，影響爐內燃料穩定的著火和燃盡。

2．

技術經濟性的要求爐膛中輻射傳熱量與火焰的溫度的四次方成正比，在高煙溫區中輻射傳熱的效果優于對流傳熱，因此，若吸收相同的熱量，采用輻射傳熱可以節省受熱面積和金屬消耗量。但過多地增加輻射受熱面后，爐膛出口溫度降得太低，亦即爐內溫度水平較低，這不僅影響燃燒的順利進行，而且輻射熱負荷的減低，節省金屬的優越性不能充分體現。因此，若較高輻射受熱較少，對流受熱面就須很多，但較低輻射受熱較多，對流受熱面就也減少不了很多。故有最佳值使得二者和為最小。

我國熱力計算標準方法中推薦，小型鍋爐燃用固體燃料時，爐膛出口煙溫不宜低于950℃。對于燃用固體燃料的大中型室燃爐，比較經濟合理的爐膛出口煙溫約為1200℃，燃用氣體燃料時，因其火焰發光性較差黑度較小，輻射傳熱效果差，而對流受熱面沒有飛灰磨損的限制，將用較高的煙氣流速，以獲得較大的對流傳熱系數，爐膛出口煙溫可提高到1400℃左右。說明：此式雖來大量的統計數據，但當時的容量較小<300t/h。且忽略了爐膛截面上溫度不均勻的影響，因此，容量較大時，計算不夠準確，對我國的煤種類，計算值較實測值低