第9章鍋爐熱力計算

9.1鍋爐熱力計算的類型和方法

9.1.1熱力計算的任務(wù)和類型

設(shè)計計算

計算.昌留附H算目即洞,

校核計算

設(shè)計計算：在給定的給水溫度和燃料特性的前

提下確定保證達(dá)到額定蒸發(fā)量、選定的經(jīng)濟指

標(biāo)及給定的蒸汽參數(shù)所必需的各受熱面的結(jié)構(gòu)

尺寸，并為選擇輔助設(shè)備和進(jìn)行其它計算提供

原始資料。

設(shè)計計算是設(shè)計新鍋爐采用的方法

設(shè)計一個好的鍋爐，須遵循：實踐一認(rèn)識一

再實踐一再認(rèn)識。

校核計算：根據(jù)已有各受熱面結(jié)構(gòu)參數(shù)及傳熱面積

和熱力系統(tǒng)的型式，在鍋爐參數(shù)，燃料種類或局部

受熱面積發(fā)生變化時，通過熱力計算確定各個受熱

面交界處的水溫、汽溫、煙溫及空氣溫度的值，確

定鍋爐熱效率和燃料消耗量等。

校核計算的可能情形：

①鍋爐已經(jīng)存在、已經(jīng)要安裝或已經(jīng)安裝好，需更

換燃料，想知道將達(dá)到何值，能否保證過熱蒸汽溫

度，受熱面要不要修改等。

②接到定貨后，發(fā)現(xiàn)燃料與設(shè)計的某型鍋爐相近

（容量參數(shù)相同），需判斷能否用這一型式鍋爐，

在設(shè)計上要不要修改。

兩種計算依據(jù)相同的傳熱原理，公式和圖

表都是相同的，僅在于計算任務(wù)和所求數(shù)

據(jù)不同。

設(shè)計計算時，對各部件的計算,由于計算

上的方便，也往往采用校核計算的方法。

設(shè)計計算的已知條件為：

(1)燃燒設(shè)備的型式和所擬定的鍋爐整體布置資料；

(2)燃料特性，包括燃料的元素分析、低位發(fā)熱量、灰的成

分分析、灰熔融溫度和灰渣的溫度特性；

(3)鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量及在該蒸發(fā)量時主汽閥處的蒸汽壓

力、溫度，以及根據(jù)汽輪機或其他使用蒸汽的裝置所要求的汽

壓、汽溫允許偏差范圍，鍋爐的給水壓力、給水溫度，對自然

循環(huán)鍋爐和強制循環(huán)鍋爐，還應(yīng)給出鍋筒的工作壓力；

(4)對裝有再熱器的再熱型鍋爐，應(yīng)給出再熱蒸汽的流量，

再熱蒸汽進(jìn)入鍋爐時的壓力、溫度，再熱蒸汽在鍋爐出口處的

壓力和溫度；

(5)當(dāng)從鍋筒抽取飽和蒸汽時，應(yīng)給出飽和蒸汽的流量，當(dāng)

從過熱器系統(tǒng)中抽取過熱蒸汽時，應(yīng)給出抽取的過熱蒸汽的流

里；

(6)連續(xù)排污量；

(7)過熱蒸汽及再熱蒸汽的調(diào)溫方式，當(dāng)用噴水減溫時，應(yīng)

給出減溫水的壓力和溫度；當(dāng)采用表面式減溫器時，應(yīng)給出

減溫水的連接系統(tǒng)；不論哪種減溫方式，都應(yīng)給出減溫器在

過熱蒸汽系統(tǒng)中的位置；

(8)當(dāng)采用煤粉燃燒方式時，應(yīng)給出煤粉制備系統(tǒng)的計算數(shù)

據(jù)，包括：煤粉空氣混合物的總量、一次空氣量、為干燥燃

料而抽取的煙氣量、煤粉制備系統(tǒng)的漏風(fēng)量等；

(9)鍋爐使用地的氣象條件和海拔高度。

在具備了上述數(shù)據(jù)資料時，方能正確進(jìn)行鍋爐設(shè)計傳熱性

能計算。當(dāng)進(jìn)行設(shè)計傳熱性能計算時，鍋爐的排煙溫度、熱

風(fēng)溫度都是指定的，或者按照設(shè)計的具體條件，根據(jù)經(jīng)驗或

有關(guān)推薦選用適當(dāng)?shù)臄?shù)值。

校核計算已知條件:

(1)鍋爐機組的圖樣和足以確定所有必需結(jié)構(gòu)

特性的資料，包括燃燒設(shè)備、爐膛、受熱面和

煙道的結(jié)構(gòu)、尺寸數(shù)據(jù)；

(2)同設(shè)計計算中所需原始資料數(shù)據(jù)第⑵?(8)

項;

⑶鍋爐低負(fù)荷工況的計算是在已知鍋爐各部

分結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和蒸汽參數(shù)條件下的特殊校核傳熱

性能計算，對計算所得的結(jié)果要考慮其合理

性，對計算所得各級受熱面交界處的工質(zhì)參數(shù)

和煙氣參數(shù)，要考慮其是否在推薦的數(shù)值范圍

內(nèi)。

9.1.2鍋爐熱力計算的步驟

設(shè)計計算：

①根據(jù)燃料燃燒方法，受熱面布置（指有幾級過熱

器，省煤器及空預(yù)器）進(jìn)空氣平衡計算。

②根據(jù)各受熱面入口，出口的過量空氣系數(shù)計算理

論空氣量、煙氣容積、煙氣性質(zhì)表和焰溫表。

③根據(jù)燃料燃燒方法決定％國4，根據(jù)排煙過量空

氣系數(shù)唧y，排煙溫度8py決定%,根據(jù)鍋爐容量

決定外以及燃燒方法決定乳，最后決定鍋爐的效

率，燃料消耗量及保溫系數(shù)"等一熱平衡計算。

④根據(jù)所選取的心，決定爐膛容積V,層燃

時還須根據(jù)燃燒面積熱負(fù)荷決定燃燒面面積o

⑤決定燃燒室形狀及尺寸，并布置水冷壁，凝渣

管、屏式過熱器，輻射過熱器等（若采用）

⑥選取預(yù)熱空氣溫度并進(jìn)行爐內(nèi)傳熱計算。

⑦進(jìn)行凝渣管束的對流傳熱計算（有屏式過熱器

時應(yīng)進(jìn)行屏式過熱器的對流傳熱計算）

⑧可進(jìn)行鍋爐總熱量分配看它是否正常，省煤器

是否沸騰。沸騰度是否過高。

⑨在熱量分配正常情況下，可沿?zé)煔庑谐桃来芜M(jìn)

行計算。

校核計算：

①根據(jù)燃料、燃燒方法、鍋爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行空氣平衡

計算。

②贏各受熱面入口，出口的過量空氣系數(shù)，進(jìn)

行理論空氣量，煙氣量及煙氣性質(zhì)表，焰溫表計算。

⑶根據(jù)燃料性質(zhì)，燃燒方法決定依，0及鍋爐容量決定

%0假定排煙溫度4y，求％。根據(jù)燃料及燃燒方式?jīng)Q

定心，然后求出鍋爐效率。由于是假定的，因此，

鍋爐效率是否正確也不一定，要看最后計算結(jié)果的排煙溫

度與假定是否符合而定。如果排煙的熔假定值與最后計算

出的結(jié)果相差不大于燃料發(fā)熱量2rlia的±。?5%，則可認(rèn)

為計算完結(jié)，不必重新計算。否則，要重新假定排煙溫度，

從熱平衡起重復(fù)全部的計算，直到滿足要求為止。

④假定預(yù)熱空氣溫度，進(jìn)行爐內(nèi)傳熱計算（所假

定的預(yù)熱空氣溫度與最后計算出的預(yù)熱溫度在

±40℃以內(nèi)，則不必再重復(fù)計算）

⑤依次進(jìn)行凝渣管，過熱器，省煤器，空預(yù)器的

校核計算，最后得出排煙溫度和預(yù)熱空氣溫度，

看其與假定值的差別，是否在允許誤差的范圍以

內(nèi)，若在允許誤差范圍以內(nèi)，則可認(rèn)為計算完結(jié)。

不論設(shè)計或校核計算，都比較煩瑣，過

去極為費時，現(xiàn)在要采用計算機進(jìn)行,

其中也有不少困難。

鍋爐設(shè)計人員可把主要精力用在調(diào)查研

究向?qū)嵺`學(xué)習(xí)上，用在合理地布置受熱

面，深入地考慮結(jié)構(gòu)問題上，使設(shè)計的

水平提高。

9.2輻射受熱面的傳熱計算

9.2.1爐膛傳熱過程及特點

過程：混一著一燒一放熱一冷卻一到出口

特點.

①市內(nèi)傳熱與燃燒耦合。

②以輻射為主，對流所占比例很小。

③火焰與煙氣溫度在其行程上變化劇烈。

④火焰在爐膛內(nèi)的換熱是一種容積輻射。

⑤運行因素影響爐內(nèi)傳熱過程。

9.2.2煙氣的輻射特性

爐膛中是煙氣輻射。

組成：

?二原子氣體(2,O2,CO)

?三原子氣體(CO2,H2O,SO2)

?懸浮固體粒子(炭黑、飛灰，焦碳粒子)

氮和氧發(fā)射和吸收輻射熱的能力很弱，可

認(rèn)為透明，一般，CO的濃度很低。

故，煙氣中具有輻射的主要是三原子氣體

和懸浮的固體粒子。

三原子氣體

co2,H20,SO2紅外線光譜區(qū)的某些光帶內(nèi)輻射和吸

收，光帶外，既不輻射也不吸收，透明。若火焰完

全是由三原子氣體組成，肉眼看不到，稱不發(fā)光火

焰。

炭黑粒子

成因：燃料的煌類化合物在高溫下分解。

特點：（1）直徑小，0.0311m

（2）使火焰發(fā)光，具有很強的輻射能力。

焦碳粒子

成因：水分和揮發(fā)分逸出后的剩余部分。

特點(1)直徑稍大，30-50Um

(2)有很強的輻射能力。

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(fā)光。

火焰輻射在整個爐膛容積中進(jìn)行。

火焰與周圍水冷壁換熱量可以看作是整

個爐膛容積內(nèi)的火焰對其全部周界面的

輻射力。

爐膛的形狀不盡規(guī)則，從不同方向輻射

對周界面上的射線行程各不相同，導(dǎo)致

到達(dá)周界面上的輻射力亦不相同。

9.2.3爐膛受熱面的輻射特性

⑴角系數(shù)及有效角系數(shù)

水冷壁輻射受熱面不能被完全利用。

爐墻火焰向爐壁總的投射熱量為魚，

//////////

或一次投落到管子壁面上的熱量

為則0=@為角系數(shù)，純

爐墻反射Qt

火焰輻射幾何因子。

有效角系數(shù)x的定義：

投射到受熱面的熱量

Y--------------------------------------------------------

一投射到爐壁的熱量

計及了火焰輻射與爐墻反射的作用。

膜式水冷壁，X=lo

爐膛出口煙窗對爐膛而言，可取％=1。

對爐膛出口處布置的管排而言，X不能視為1。

有效角系數(shù)與爐壁面積的乘積稱為有效輻射受熱面。

%=xFb

若某區(qū)域的爐壁面積為弱有效角系數(shù)為七，則

H置=

各區(qū)域水冷壁有效角系數(shù)不盡相同，則爐膛總效輻射受熱面：

yy

H=HII=xIF0Z

整個爐膛的平均角系數(shù)

_-X%居_H

一密一心

入z為爐膛壁面總面積。對層燃爐，居z=耳-R，耳為爐膛包覆面

姆，R為爐排面積。

輸也稱爐膛水冷程度，現(xiàn)代鍋爐，0.9以上。

(2)熱有效系數(shù)

表示火焰與爐壁間的換熱量與火焰有效輻射之比。

二受熱面吸收的熱量

"一投射到爐壁的熱量

火焰對爐壁的有效輻射為4yx1,爐壁對火焰的有效

輻射為9yx2，則單位面積換熱量為%xl-4源。

爐=9yxl—0yx2

“值大小取決于4yx2，若夕/2=0，〃=1;若

%x2=lyxl'〃二°。

縱2是自身輻射及反輻射所組成二吉與沾過

定于爐壁溫度”及黑度〃b

整個爐膛〕~~二

(3)污染系數(shù)

表示由于結(jié)積灰垢導(dǎo)致管壁溫

度升高和黑度減小而水冷壁管

吸熱能力減小的一個系數(shù)。

受熱面吸收的熱量

g二投射到受熱面的熱量

氣體燃料j＞液體燃料j＞固體燃料4

表9"水冷壁污染系數(shù)

水冷壁型式燃料種類4值

光管水冷壁氣體燃料0.65

膜式水冷壁重油0.55

室燃無煙煤、貧煤、褐煤、泥煤0.45

室燃高灰分姻煤0.35—0.40

層想各種燃料0.60

有耐火涂料的水冷壁所有燃料0.20

覆蓋耐火磚的水冷壁所有燃料0.10

II

9.2.4爐膛傳熱計算方法及基本公式

根據(jù)“維”數(shù)：零維、一維、二維、三維

模型。

根據(jù)方法論：經(jīng)驗法和半徑驗法。

零維模型：假定爐內(nèi)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(jié)

果也是某些平均值,如平均爐膛出口煙溫，平

均受熱面熱負(fù)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(rèn)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(nèi)的溫度場，熱負(fù)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(xiàn)，使得

該模型前途光明。

經(jīng)驗法：根據(jù)工業(yè)性試驗結(jié)果，整理成經(jīng)驗公式或圖

表，計算往往比較簡單，也可能相當(dāng)精確，缺點是，

局限較大，只能用于規(guī)定的范圍，不能外推。

過去：主要依靠經(jīng)驗法。

現(xiàn)在：產(chǎn)品較單一的廠家，仍然采用。

半經(jīng)驗法：采用一定的理論（例如相似理論），找到

描述爐內(nèi)過程的微分方程，進(jìn)一步得準(zhǔn)則方程，再利

用這些準(zhǔn)則方程整理試驗數(shù)據(jù)。

目前：零維模型半經(jīng)驗法仍是爐膛傳熱計算的基本方

法。

(1)熱平衡方程式

爐膛出口，煙氣完成了全部爐內(nèi)的換熱過程，溫度

最低，煙氣的焰最小。煙氣在爐膛內(nèi)的換熱量可以看成

從理論燃燒溫度到爐膛出口溫度的焰降：

。=叫?-

9一保溫系數(shù)；

耳一計算燃料消耗量；

2—有效放熱量，即隨同每千克計算燃料送入

爐膛的熱量。

若煙氣在理論燃燒溫度,(K)和爐膛出口煙

溫k(K)溫度之間的比熱容量，可以用某一

平均值VQi表示，則

rJ

。=叫叫你一方)

（2）輻射換熱方程式

輻射換熱量可認(rèn)為等于爐內(nèi)傳熱量。

兩種方法：

①由Stephan-Boltzmann定律直接計算。

把火焰和爐壁看成兩個無限大的平行平面，則

。=。謫々儲一年）

1

〃xt一系統(tǒng)黑度，〃xt=-jj；

-^+―-1

〃hy〃b

?y，■—火焰和爐壁的平均溫度；

“hy，即一火焰和爐壁的黑度；

②根據(jù)有效輻射計算

q=%xi-%=〃頰1

則Q=與〃縱1

利用輻射熱流計或其它儀器可測q網(wǎng)和q驅(qū)2。

假定外xi也可用溫度的四次方方程來表示，則

q稱為爐膛黑度。

注意：。［既非火焰黑度，也非系統(tǒng)黑度，而是對應(yīng)

于火焰有效輻射的一個假想的黑度。

由熱平衡方程來看，要求得爐換熱量。，必須求得

那么看'與哪些參數(shù)相關(guān)呢？

由于。熱平衡=。輻射，則有

叫伍-T；）VCpj=分產(chǎn)心聞-靖）（a）

或

（pByCV］（Tn-T；）=我必叩0編（b）

由式（a）知，若求看"，必須預(yù)先得到小，/，"。

由式（I））知，若求I”,必須預(yù)先得到G，弘，“J

采用式（a）還是采用式（b）來計算爐膛出口

煙溫的數(shù)值會導(dǎo)致不同的爐內(nèi)傳熱計算方法。

可以看出，無論哪種方法，都需要確定火焰的

平均溫度/yO

9.2.5爐膛傳熱計算的相似理論法

L爐內(nèi)溫度場分布規(guī)律

目的：確定「y。

對相當(dāng)高度而四周布滿水冷壁的爐膛，爐內(nèi)溫度場具有

類似性，并可表為

?4=「x_e左

，一理論燃燒溫度；

X-相對火焰高度，X=-

L;

L—火焰的總高度（燃燒器中心到出口中心）；

x一距燃燒器中心的火焰高度；

萬一考慮傳熱，燃燒對火焰溫度影響的經(jīng)驗系數(shù)。

令X=l,得到爐膛出口無因次溫度的四次方：

⑨4=

從0到I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，

由----=0,得

dx

Ino-In，

X=

ma-p

聯(lián)立后消去。和，，得

1g?:

圖9.7瓦;與0；及Xm的關(guān)系

由圖，Xm不變時，1g4y與1g4呈線性關(guān)系

因此有=而5

機和〃均是Xm的函數(shù)

1g%=九喇+炫正

截距近似為0,lgVm?0,m?1

"實際上是Xm為不同值時，直線的斜率，從圖中可得

0.4<n<1.0

最后，有

人；二加7]：(lf)[”4九

2爐膛黑度

室燃爐-

由防個彳專熱方程

（鼠—T）Q="〃。口窗

二者相等

火焰的有效輻射縱

爐壁對火焰的有效輻射

而〃=.一02

代入后，整理得

Vhy)\)

火床爐：Q:6丫+（1一詢丫）/

,1一（1一%）（1-0（1-夕）

p為爐排面積R與不包括R

的爐膛壁面總面積片Z之比。

R

夕二h

3.火焰黑度

將火焰作為灰體，則

1_產(chǎn)

a.hy

5=3.6，，稱S為有效輻射層厚度，V為爐膛

ri

容積，”為爐壁面積。

月一爐膛壓力，一般取P=O.lMPa；

京就鷺鬻整數(shù)’零火焰中/種輻射介質(zhì)

的減弱系數(shù)的代數(shù)和。單位是1/(m*MPa)

燃用氣體、重油的火焰中，主要輻射介

質(zhì)是三原子氣體及炭黑O

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。

般將上述兩種情況分開處理。

燃用氣體或液體燃料

火焰的黑度可認(rèn)為由火焰中的發(fā)光部分的黑度4g和不發(fā)

光部分的黑度Obfg

即詢丫=mafg+（l-m）abfg

機為發(fā)光部分在火焰中所占份額，它取決外,

當(dāng)%V400kW/m3帆=0.1（氣體）和帆=0.55（液體）

當(dāng)/>1200kW/n?帆=0.6（氣體）和m=l（液體）

當(dāng)400<qN<1200時采用直線內(nèi)插法確定

n_1__（左q5+左th）尸S

Ufg—1—C

[-kq%尸S

n—\—Pqq

ubfg1匕

q—火焰中三原子氣體總的容積份額;

9=不。2+%2。

勺一三原子氣體的輻射減弱系數(shù)。

A

<0.78+1.6^__H、

勺=10-0.11-0.37

ioqs1000；

J

q一火焰中三原子氣體總的分壓力，1=々尸;

心一火焰中炭黑粒子的輻射減弱系數(shù)，

2越高，炭黑粒子的濃度就越高，心越大。

Hth

ftI!

由越高，Kh越小，當(dāng)%=2時，熊=0

北"越高，爐溫度C“H〃分解的越多，左由越大。

燃用固體燃料

左=勺々+/4+勺%1%2

1/(m*MPa)

430004

1/(m*MPa)

煙氣的密度，可取夕y=L3kg/m3；

“一灰粒的平均直徑。對層燃爐，可取公=20國11,

對煤粉爐，可取

4—灰粒的無因次濃度。

=4/

h

100Gy

&可取勺=101/(m*MPa)

修為考慮燃料種類影響的系數(shù)，對無煙煤和貧煤，取玉=1;

對煙煤和褐煤，取玉=0.5。

々為考慮燃燒方式影響的系數(shù)對煤粉爐取々=0」；

對層燃爐取％=0.03o

4.爐膛出口煙溫及其影響因素

Q=。。。時常

n}n

其中常=mT^~T^

Q=耳獷叫；（?）看”4〃

Q=（pByCpi（Tn-T；）

幼C”4幾--B--。=0

max

T,一爐膛換熱相似準(zhǔn)則數(shù)

&\=-Bo=

5）弘片1：準(zhǔn)則數(shù)

T2ii

若能夠確定根，〃的數(shù)值，則從這個無因次方程可以進(jìn)行爐膛傳熱計算。

m?1o貝{J

nJBo}

?i=7——，"

Ia\)

研究表明，n與燃燒及傳熱條件有關(guān)，不能依靠理論分析得到，統(tǒng)計分析大量

的試驗結(jié)果：

，即丫6

0；=1[w或者二—一二、。.6

M+附j(luò)皿5也L]+I

U〔。叩Cpj,

M一經(jīng)驗系數(shù)，取決于居，與燃料種類，燃燒方式有關(guān)。

據(jù)此可以計算出爐膛出口煙溫。或爐膛壁面積耳，最后得到爐膛傳熱量。

M的數(shù)值可按下列經(jīng)驗公式來求得：

M=A-BXm

式中，A、8為與燃料爐膛結(jié)構(gòu)有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)。

A、8的取值

開式爐膛半開式爐膛

燃料

ABAB

氣體、重油0.540.20.480

高反應(yīng)性能固體燃料0.590.50.480

無煙煤、貧煤和多灰燃料0.560.50.460

各種燃料的鏈條爐A=0.59B=0.5

Xm值按下式確定:

Xm=X1+AX

h

X1二——設(shè)置燃燒器的相對標(biāo)高；

乩

八一燃燒器軸線離爐底或冷灰斗中腰線的設(shè)置高度，m；

口一爐底或冷灰斗中腰線到出口窗中位線的爐膛高度，m；

AX—考慮爐內(nèi)最高溫度位置偏離燃燒器設(shè)置標(biāo)高的修正值。

AX的數(shù)值

燃燒器型式△x值

軸心水平、四角切向布置燃燒器0

前墻或?qū)_布置煤粉燃燒器

D>420t/h0.05

DW420t/h0.1

擺動式燃燒器向上下擺動±20?±0.1

重油爐及燃?xì)鉅t如a（燃燒器過剩空氣

r2(1~a)

系數(shù)）VIr

輕井磨煤機爐，前墻布置噴口向下-0.15

燃燒器頂部布置，煙氣從爐瞳下部引出0.25-0.30

當(dāng)已知爐壁面積，需求爐膛出口煙氣溫度時：

e\二---------4----------------273℃

M%—書，儲+]

I。叩gJ

當(dāng)已知爐膛出口煙氣溫度，需求爐膛輻射受熱面Hf時:

叫丫。可他Y)

___H___2

MTXTxx

^yc^T.-T；）

二It一1

bo〃]〃陽]/M2(T：J

以上就是前蘇聯(lián)《鍋爐機組熱力計算標(biāo)準(zhǔn)方法》1973版本

中關(guān)于爐內(nèi)換熱的主要內(nèi)容。

爐膛出口煙溫的影響因素

(a)燃燒器型式及布置位置。

核心是改變爐內(nèi)火焰中心的位置。擺動式、多層布置。

(b)受熱面的多少。

爐膛輻射受熱面增加，出口煙溫降低。

(c)受熱面結(jié)渣和積灰程度的變化。

(d)爐膛形狀系數(shù)。

爐膛形狀系數(shù)/為爐壁面積耳與爐膛有效容積V之比。同樣的

爐膛容積，H/由］越大，/值越大，即爐膛的當(dāng)量直徑越小(或

爐膛橫截面積越小)，爐壁面積越大。布置雙面露光水冷壁也可

以提高形狀系數(shù)。

20040060080010001200140016001800

爐履容積匕,n?

實線表示無雙面霉光水冷壁的爐膛；虛線表示有雙面露光水冷壁的爐膛

圖9?9爐膛形狀系數(shù)/與爐膛的H/ddi的關(guān)系

心不變時，隨著形狀系數(shù)的增加，爐膛出口煙溫不斷降低。

爐勝出R煙溫行,匕

圖9-10220t/h燃油鍋爐的爐膛容積熱負(fù)荷與形狀系數(shù)和

爐膛出口溫度的關(guān)系

(e)鍋爐負(fù)荷變化。

爐內(nèi)輻射換熱量變化幅度不等同于燃料量變

化幅度。根據(jù)試驗，鍋爐負(fù)荷從半負(fù)荷狀態(tài)

變化到額定負(fù)荷時，負(fù)荷增加100%,爐內(nèi)火

焰平均溫度增加約200℃,爐內(nèi)輻射換熱量增

加70%左右。說明爐內(nèi)輻射換熱量的變化率

小于鍋爐負(fù)荷的變化率。所以，當(dāng)鍋爐負(fù)荷

增加時，爐膛出口煙焰必然增加，爐瞠出口

煙溫升高。

(f)過量空氣系數(shù)的變化。

(g)煙氣再循環(huán)。

爐膛傳熱計算方法存在的問題及改進(jìn)

雖來自大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，但當(dāng)時的容量較小v300t/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(zhǔn)確，對我國的煤種類，計算值較實測值低

100-130℃o已有的適用更大容量的計算式。

即使仍采用上式的形式，也應(yīng)進(jìn)行修正，如哈鍋與普華公

司合作，認(rèn)為上世紀(jì)式應(yīng)增加形狀系數(shù)，在決定M值時應(yīng)

考慮煤的公應(yīng)特性（活化解及其頻率因子等）煤粉細(xì)度。

爐膛形狀等，并且提出了自己的計算方法。

問題：未考慮爐膛幾何尺寸對爐內(nèi)傳熱的影響，幫計算與

實際出入較大，算出的爐膛出口煙溫比實測驗值高

70-100℃o若煤種基本符合設(shè)計范圍，則運行中汽溫偏低。

層燃爐方法與蘇聯(lián)方法的比較.

JB/DQ1026

我國層燃爐熱力計算方法

基本出發(fā)方程式

2/咚“/（備_鎮(zhèn)）,KJ/Kg

了制一爐內(nèi)煙氣火焰的有效平均溫度

1Pj~1jr11

7\一絕熱燃燒溫度，即理論燃燒溫度

n一反映燃燒工況對爐內(nèi)溫度場的影響。對拋煤機爐n=0.6,對其它層燃

爐n=0.7

Tb一水冷壁管外結(jié)灰層表面溫度。

。+&

9b一水冷壁管金屬溫度，取為工作壓力下水的飽和溫度。

￡一管外灰層熱阻，決定于燃料性質(zhì)及爐內(nèi)燃燒工況，一般取為￡

=0.0026m2℃/w

分一輻射受熱面熱流密度

-BjQ

n

目的：求

Tt

qf+(j^axtLb=Oo%/pj

設(shè)加=

qfQt

（為考慮水冷壁結(jié)灰層表面溫度對爐膛傳熱的影響）

IIII

與熱平衡方程Q=（pVCpj（Tjr-T；）聯(lián)立得

b"

(1)?=M億TJ

BDj+m

E)

T4

1pj_1

__!!----乙———十m

a

Tjr-Tto°Hf\xt

e\（i

PJ_Di…

-~B（）Hm

1-4\axt

BQ一Boltzmann準(zhǔn)則數(shù)

改寫Tpj=T尸）Tj為

A

Cl+m

i；J

m值對于層燃爐，當(dāng)以=474?1186kw/m2時，對應(yīng)

一定的工質(zhì)溫度，可取為常數(shù)，有表圖供查取。

表系數(shù)ni的數(shù)值

鍋筒工作壓力，MPa0.71.01.31.62.53.9

m0.130.140.150.160.180.21

系統(tǒng)黑度：

_,］、

°xt-1|

ab1_(1_〃的h_u)

知一水冷壁黑度，一般可取%=0.8

R一爐排有效面積

R

r=一

F

F一爐膛不包括R的所有爐壁面積

%

x一水壁的平均角系數(shù)，工=」,F1一爐壁總面積.

F/

（1、

若已知練——+m及n,則可得。。

\axt）

為了便于工程計算，改寫上式成為:

"(\]p

nX1

3=kB。------Fm

vaxt)

（iA”

對應(yīng)于n,B。------Fm可查得k,p之值，從而得到，。

\axt）

表系數(shù)k和p的數(shù)值

D(1)

nBQ------1-mkP

\axt)

0.6?1.40.64650.2345

拋煤機鏈條爐,n=0.6

1.4?3.00.63830.1840

0.6?1.40.67110.2144

其它層燃爐，"0.7

1.4?3.00.67550.1714

燃燼室的傳熱計算:

???orj=得

與爐膛類似，但

(1、%；

nTrjB。-------Fm

axt

7一13rj

例＞pj

B。

H；

]

a.

n=0.5XJ11—Q

-----FX

ab-------------ay

最后解得

八，，14

%=5禺+m1+

(1

)

B。+m

a信

77

9.2.6爐膛傳熱計算的其他方法簡介

1.美國燃燒工程公司計算方法

2.Sulzer公司的爐膛傳熱計算方法

9.2.7爐膛傳熱計算步驟

目的是校核所設(shè)計的爐膛能否將火焰冷卻到預(yù)期的爐膛

出口溫度，在爐膛內(nèi)布置的受熱面能否吸收預(yù)先分配的

輻射吸熱量。

爐膛中單位時間實際可用來加熱燃燒產(chǎn)物的熱量為

100-^-q-q

BQ436

r100

為每kg燃料送入爐膛的可用熱量，單位為kj/kg,按式(4-83)計算。

實際中常采用計算燃料消耗量(耳)來計算燃燒產(chǎn)物的量。

￡R>?—_D”--0--。----%--

J100

計算燃料消耗量中每kg燃料的燃燒產(chǎn)物在爐膛中可以得到燃料的熱量為

100-/

，100=0100-^4-^3-^6

1

儲00-私■100-/

100

每kg計算燃料的燃燒產(chǎn)物所擁有的熱量為

Q「°°去fU+Qk

100—%

Qk—每kg燃料空氣帶入爐膛的熱量，單位為kJ/kg；

Qk=（''一A%一A"zf）/I+（△/+A"zf）/i：

A4、A%f—爐膛及制粉系統(tǒng)的漏風(fēng)系數(shù)；

/；—每kg燃料理論空氣量在熱空氣溫度時的焰，kJ/kg；

/；—每kg燃料理論空氣量在冷空氣溫度時的焰，kJ/kg；

外熱源加熱空氣的熱量不應(yīng)重復(fù)計算，需從空氣熱量中減

去,再考慮煙氣再循環(huán)的熱量后,普遍意義的爐膛有效放熱量儲：

孰=。1-需"+a-ewr+r/xh,（kj/kg）

I100-q"

Qwr—用外熱源加熱空氣的熱量，單位為kJ/kg；

一一煙氣再循環(huán)的份額；

Ah—再循環(huán)煙氣的熔，kj/kg,按所取煙氣處的熔計算。

布置好爐膛的幾何形狀，受熱面的結(jié)構(gòu)

和面積后進(jìn)行。

以爐膛有效放熱量2作為煙氣的理論焰得理論燃燒溫度%O

燃燒產(chǎn)物的平均熱容量VCpj：

由于〃hy和VCpj與。有關(guān)，而計算的目的是求出M，必須先

假定一個G，然后比較假定值與計算的差別，若二者之差小

于土100℃,則認(rèn)為計算合格，并以計算值為準(zhǔn)。否則應(yīng)重新

假定，再次計算，直至合格為止。

其它輻射式受熱面的熱力計算

主要為輻射式過熱器，如前屏、頂棚管和包復(fù)管等。

輻射過熱器的吸熱量

q_"fgr.gr

L丁

品一爐膛中輻射式過熱器部分的受熱面熱負(fù)荷，

kW/m2；

“fgr—輻射式過熱器的受熱面積，m2o

吸熱量確定后，可根據(jù)過熱器入口處已給定的蒸汽焰，由

熱平衡方程式算出蒸汽的終焰和終溫。傳熱性能計算中不

涉及其進(jìn)出口的煙溫。

9.3對流受熱面的傳熱計算

9.3.1對流受熱面及其傳熱特點

指爐膛出口后煙氣行程中所有用來交換煙氣

熱量的受熱面。

特點：

（1）對流傳熱方式為主

（2）由于煙氣中含有三原子氣體及飛灰，，

受熱面還接受煙氣的輻射放熱。為一復(fù)合傳

熱過程。

（3）布置在爐膛出口處的對流受熱面還直接

受來自爐膛的輻射熱。

傳熱基本方程式

傳熱方程：QCR=KHMBJ

除用表以每kg計算燃料為基礎(chǔ)。

熱平衡方程：煙氣側(cè)0rp（/'一/"十八。"）

H

fi-i

工質(zhì)側(cè)0rp

傳熱過程:

熱煙氣對流+輻射》外壁地」＞內(nèi)壁」^工質(zhì)

煙氣對灰層外表面的對流傳熱量

Qd-Z)------>牛頓冷卻公式

=ad7rdQl(t1bl

煙氣對灰層外表面的輻射放熱也寫成牛頓冷卻公式的形式:

Qf—afyrd(t、—I。)

總放熱量

。=Qd+Of=&+%)叫/(%-bi)

=a［兀d0/（，］一）

d。一灰層外表面直徑

tx—煙氣平均溫度

卬一灰層外表層溫度

Q=ai(ti-t^7rdQl

ScaleMetalDeposit

。二3（%一九2）萬4/

3

。二黃&2Tb3）叫

3m

力

Q=常&3-八2）?4,

a

Q=a?（，b2-2）兀dql

Q1只（A、只（A、2「d八1（/

一t外壁雖有積灰,但一般“

1’2+工質(zhì)經(jīng)過嚴(yán)格水處理

7Vd

灰層較薄，即2J及煮爐，水垢較少或無

以灰層外必d1=d（外徑）』圓『水垢，即4=＞。，

0?

i6/3=~dR

K=

(7、

31<7A

+d。+g+——d。

gI^37

%414,27a?

同樣可得到按垢層內(nèi)表系數(shù)K

金屬導(dǎo)熱系數(shù)大，熱阻可

K=—

J\

1d4忽略不計，即-旦00。1

4+——

a、AI)4mI42/4a?

計算表明，無論何種情況，采用平壁傳熱系數(shù)的計算公式來代

替上面的計算公式，即認(rèn)為—^1,所引起的計算誤差不大，

d

但傳熱量的計算需明確傳熱面n氤

實際中，任何情況可認(rèn)為：K^-一—1PK'n以平壁

1o.1

.------1--------1------

代圓管ax4％

(a)當(dāng)管壁兩側(cè)的放熱系數(shù)相差很大時，以放熱系數(shù)小的側(cè)

面積作為計算傳熱面積。

(b)當(dāng)兩側(cè)的放熱系數(shù)相當(dāng)時，以內(nèi)、外壁的表面積的算術(shù)

平均值作為計算傳熱面積。

理論上，名為煙氣對灰層外表面的放熱系數(shù)，即應(yīng)

以。1h代替。1。

最后，傳熱系數(shù)可一般性地表示為

J_+空+J_

"1hA%

實際中，因很難測得。出及％,由

上式直接確定傳熱系數(shù)仍有困難。

一般采用不含灰氣流沖刷干凈的管壁的對流

放熱系數(shù)內(nèi)、%以及一個能反映受熱面污染

程度的系數(shù)來計算傳熱系數(shù)的大小。

考慮污染方法不同導(dǎo)致不同的計算公式。

實用傳熱系數(shù)計算式

(1)對流式過熱器

燃用固體燃料，管束錯列布置時燃用固體燃料，管束順列布置，以及

燃用氣體和液體燃料時

K=[1]

…T^T

--FCH--—?—

axa2%%

￡一污染系數(shù)W—熱有效系數(shù)

（2）省煤器，直流鍋爐的過渡區(qū)，蒸發(fā)受熱面等,

燃用固體燃料，管束錯列布置時

-------1-8

ax

燃用固體燃料，管束順列布置及燃用氣體和液體燃料時

K-i/ja、

對于凝渣管和小型鍋爐的鍋爐管束，燃用固體燃料時,

不論布置型式如何，K-i//a}

（3）半輻射式屏式過熱器

1

K=

11)

+1+QA(EH---

Qd八%，

i+色一考慮屏式過熱器吸收爐膛輻射熱影響的系數(shù)

QJ

0一屏吸收爐膛的輻射熱量

2一屏吸收屏間煙氣的輻射和對流的熱量

因為：屏的受熱面按平壁計算，煙氣側(cè)的放熱系數(shù)

十%

)

J一屏的利用系數(shù)，S2一屏的管子縱向管節(jié)距，與一屏的輻射角系數(shù)

(4)管式空預(yù)器

K二

%+a2

利用系數(shù)

(5)回轉(zhuǎn)式空預(yù)器

C

I1

---1---

xya}4%

Xy，4煙氣側(cè)，空氣側(cè)受熱面各點總受熱面積的份額

2對流放熱系數(shù)

由傳熱學(xué)，受迫流動下

Nu=f（Re,Pr）

aAd_YwJ4cp

2

對其分析可知影響因素。

橫向沖刷管束時的對流放熱系數(shù)

錯列布置時

%=CC-Re0-6PrQ33

snd

Cs一節(jié)距修正系數(shù)

一考慮沿氣流方向管子排數(shù)以

cn

及橫向相對節(jié)距的修正系數(shù)

順列布置

65033

ad=CsCn-Re°-Pr

3.討論:

⑴Re的影響較大

⑵相同的Ke,錯列時，一般%較大(雖然

0.65>0.6,但修正系數(shù)G相差較大)

(3)dJ%1T，小d有強化傳熱之效果

(4)入口、出口流動都不穩(wěn)定，當(dāng)排數(shù)相當(dāng)多，

n>10時才能不考慮其影響。

縱向沖刷受熱面的

0

ad=0.023——Re°‘P產(chǎn)4ctGDittus-Boeltercorrelation

d(n

%當(dāng)量直徑

G一考慮管壁溫度對流體特性影響的溫度修正系數(shù)，當(dāng)管

內(nèi)為煙氣且被冷卻以及管內(nèi)為水蒸汽和水且被加熱時

ct=1,管內(nèi)為空氣且被加熱時

(7>0-5

C=一

tUbJ

T,Tb分別為流體(空氣)和管壁內(nèi)表面的溫度

加一管長修正系數(shù)，>50,q=i,否則G>I

回轉(zhuǎn)式空預(yù)器

其結(jié)構(gòu)特性不同性單純的管內(nèi)縱向沖刷，其。d

也主要通過試驗決定。

a=ACQ——RemPr()A

dt心

A與傳熱元件型式有關(guān)

切一考慮無件型式的指數(shù)，強化傳熱型價=0.83,

其它帆二0?8

933輻射放熱系數(shù)

1.計算公式

煙氣中含有三原子氣體及飛灰，具有輻射能

力，與對流受熱面有輻射換熱，由于煙氣及管

壁都不是黑體，輻射能要經(jīng)歷多次吸收和反射

的過程才能被空氣吸收，數(shù)學(xué)上嚴(yán)格處理較困

難，只能近似處理。

①由于管壁黑度較大，在0?8?0?9之間，煙氣與

管壁之間的輻射可僅考慮一次吸收的部分,而用

增加管壁表面黑度的方法來考慮多次吸收與輻

射的因素，用管束黑度來代替管壁黑度

"b，且取

l+"b

a

gs2

②假定固體燃料所生成的含灰煙氣與管束均為灰體,

因此是兩個灰體之間的輻射換熱。

分="yboAXs一琛%=一琛）

而分=4優(yōu)一。）Newton冷卻公式

琛）

6Zf=

當(dāng)燃用氣體和液體燃料時，煙氣為不含灰氣流,

有效輻射成分僅是三原子氣體，此時，煙氣的吸

收率不等于黑度，即煙氣不能作為灰體來處理。

設(shè)煙氣的吸收率為則%

進(jìn)行修正4=%

2Thb7

則分="yboG&s-%。0琛4

最后

Wgs4（T；-T｝瑞）

=

TyFb

2.煙氣黑度，灰壁溫度等的計算

KPS

煙氣黑度：=1-e-其中，K=kr+khJLihO

jHH1111

對不含灰氣流，4二°（燃油及氣）;對層燃爐,也可取4=0

煙氣的有效輻射層厚度：

①光管管束

(4ss\

s=0.9d—1_]

、7ld2)

②屏式受熱面

1.8

s=----------

111

I---1—

ABC

式中A、B、C—相鄰兩片屏間煙氣的高、寬、深。

③管內(nèi)沖刷的管式空預(yù)器

s=0.94

灰壁溫度的計算:

①屏式受熱面,對流過熱器及包墻管過熱器，可按熱阻

疊加原理計算,即

q=4一

q15

——+—+￡

a22

管壁熱阻Cno,則

般情況下,

4

=t+￡+

/H

才一受熱介質(zhì)的平均溫度，℃；

￡—污染系數(shù)，m2?℃/kWo

對于燃用液體燃料時的過熱器和包墻管,

可取￡=2.6m2-℃/kW,對于燃用固體燃料時

順利布置的過熱器和包墻管，則可取￡=4.3

m2-℃/kWo上述過熱器均包括再熱器。對于

燃用固體燃料時錯列布置的過熱器，以及燃用

液體及固體燃料時的屏式受熱面，按前述方法

進(jìn)行選取。

其它受熱面丸=/+Z

’80。C凝渣管

夕>400y的單sm,雙級布置的smll,

60℃!直流鍋爐的過渡區(qū)

加=〔小型鍋爐的鍋爐管束

?。廠1雙級布置的smL,<400oC的單級sm

25

I燃用氣體燃料時的所有受熱面

平均值kyll取空氣和煙氣的平均溫度

對流煙道中氣室輻射的影響

對流煙道中往往有空的氣室存在，如轉(zhuǎn)彎氣室,

各級受熱面之前或級間的氣室，這些氣室中的

煙氣具有輻射能力。

氣室對四周的輻射熱量

Qf=%/Bj

火一氣室的輻射放熱系數(shù)

"f一氣室四周受熱面的輻射受熱面積

氣室輻射對下游受熱面輻射的影響，一般用增大

計算管束的輻射放熱系數(shù)的辦法來考慮。

幾up一計算管束前氣室中的煙氣溫度

Zqs一氣室在煙氣流動方向上的深度

L—管束在煙氣流動方向上的深度

C一系數(shù)，與燃料種類有關(guān)

%一計算管束的輻射放熱系數(shù)

氣室輻射對上游的影響可不計。

934傳熱溫壓

溫壓△兒是參與換熱的兩種流體在整個受熱面中的

平均溫差。由傳熱學(xué)，對單純的順流或逆流

In/

Zx

鍋爐受熱面，有時布置較復(fù)雜，既非純順流

也非純逆流。

主要有：

(1)串獲混流。兩段組成，一段順流,

另一段逆流。這是對流式過熱器常用

的布置方案。

(2)并聯(lián)混流。指在同一煙氣流通截

面上布置成并行的幾部分，工質(zhì)在煙

氣進(jìn)口截面上要往返幾個行程。

(3)交叉流。兩種介質(zhì)的流動方向是互

相交叉的，如管式空氣預(yù)熱器。

S方案具體混動方式筒陽計算?數(shù)使用圖戰(zhàn)

口=。'-，，

|L2《工及憲圖8T2

n=r-r

串一8"i&VLS

*B?BE■■I**〃?'9Kq'.—*rA=F

或I,gq'.，'r?

混e”‘

（XJt*

H口%=&"

流g"?同上

尸=」,/?=工

87Tt

…，，/，一人…

?與尸T?中

數(shù)值較大者為J，98-13

較小者為。，曲《U

—-F

i二二二二Lrp~__e'-r

（三個施程

夕一H

0”中二個為收曲紈￡

并R=4

fyyutJ速一/S+就2、ri

.〃「EC"”，

聯(lián)

，?“41qf-加+h-

混曲線3

%

4fvwJ'斤，c三個流程中，

—VUUU|Ag二個為逆漁，

人（inM一個為順注）

*?,/“/?

€ku叫/C二個流程

一麗一均為遺覺）曲被5

夕“'中

（?*a）圖8M

量較大宥力*d，曲￡U

電■冠」較小看為，

I自J4%q

>―雙BB級2

CDPn-

，---------VJ-

r?M三HM■—■■戶1《=81程）

>-,=g*c==~=s?Rn比曲線3

匕■h^vshiaa*^

譽

8Ef，霾3j占《四流程）

i存暮1曲找4

注,在中聯(lián)混流中，4=冬為順流部分受熱面與總史熱面的比值.

據(jù)傳熱學(xué)，逆流時，溫壓最大，順流時最小。其它情

況的溫壓均介于這兩者之間。

、t=%△卻

按逆流計算的平均溫壓；

出一考慮非逆流布置的修正系數(shù)，稱溫壓修正系數(shù)。

出值可根據(jù)具體布置，進(jìn)行解析求解或作成線算圖。

串聯(lián)混流時，為了確定是匕，需要三個無

因次參數(shù)，即

P=R_%4Hsi

97T2H

々/2—流體的溫度變化。

從煙氣流程看，先順后逆時

=，-e,T2=t—t

從煙氣流程看，先逆后順時

%=tT，「2二夕一夕

t、"'一工質(zhì)的進(jìn)、出口溫度，℃;

凡,H一順流部分及總受熱面積。

令

mH]

°=exp1-PR

匕（RT）

7

則匕可由下式求出：

（1A「1

4-ir產(chǎn)-1上-R

）_______+p—r(H-1)_]=]

RF（H+I）+]R—1L"