生物质直燃锅炉设计计算

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1、.生物质直燃锅炉设计计算生物质直燃锅炉设计计算3.1锅炉设计时主要的结构尺寸1炉膛净空尺寸：25025014002炉排有效面积250600，共做3块，炉排小孔4mm，开孔率40%，炉排下两侧装导轨，机械传动3前拱高200，长50；4后拱高180，长3003炉顶出口：天圆地方结构，出口60mm4点火炉门 8080，装在侧强5看火孔42mm6炉前装料斗7料层厚度60mm6炉顶装省煤器，管子18mm，前后各布置测点一个。8每隔300mm一个测点，测点预留孔14mm，烟囱上布置一个测点9支架高度800mm10炉膛衬80mm厚，布置抓钉11整体用不锈钢外包装12支架高度800mm13整体外形长宽高：76

2、041022003.2试验原料本试验是采用生物质颗粒燃料玉米秸秆颗粒燃料，是由生物质燃料成型机压制而成的。其尺寸是圆柱形，直径是8mm，燃料颗粒自然堆积密度为554.7kg/m3，其颗粒密度为1200kg/m3。实验前用氧弹式量热仪测定玉米颗粒燃料的收到基净发热量qnet,ar ， qnet,ar=15132kJ/kg。由燃料元素分析仪分别测定其收到基中C，H，N，S，O的含量，得到：Car=44.92%，Har=5.77%，Nar=0.98%，Sar=0.21%，Oar=31.26%。用燃料工业分析仪分别测定其收到基水分含量Mar，收到基挥发分含量Var，收到基固定炭含量Far，收到基灰分含

3、量Aar。如下：Mar= 9.15%，Var= 75.58%，Far= 7.56%，Aar= 7.71%。3.3直燃锅炉设计的相关参数1锅炉功率要求：10 kW；2温度：查阅暖通空调设计指南P63可以得到室空气温度在16-24围2，在试验期间实际测得当时温度为 16，室外环境温度t0=10，排烟温度tpy低于烟气露点，150左右 20，tpy =165；3热负荷：查相关锅炉设计手册得炉排单位面积热负荷经验值7001050kW/m2 3-8，由于低温及燃料易燃尽时取上限，所以取qF= 1050 kW/m2；炉膛单位容积热负荷经验值235350kW/m3 3-8，因为低温及燃料易燃尽时取取上限，所

4、以取qV= 350 kW/m3；4过量空气系数：炉门和进料槽漏风系数= 0.2；炉膛进口空气过量系数1= 1.5，炉膛出口空气过量系数2,= 1+= 1.7；5热损失：固体未完全燃烧损失q4=3.56%，CO未完全燃烧损失q3=2.5%，侧壁散发到室的热量q5=0%；6大气压力P=1atm总结以上数据绘制成下表1表1 直燃锅炉主要设计参数序号 主要设计参数 符号 参数来源 数值 单位 燃料参数 1 燃料种类 给定 玉米桔杆2 燃料颗粒大小 fs 燃料测定 8 mm3 燃料颗粒自然堆积密度 rs 燃料测定 554.7 kg/m34 灰渣自然堆积密度 rash 燃料测定 1200 kg/m35 收

5、到基碳含量 Car 燃料元素分析仪测定 44.92 %6 收到基氢含量 Har 燃料元素分析仪测定 5.77 %7 收到基氮含量 Nar 燃料元素分析仪测定 0.98 %8 收到基硫含量 Sar 燃料元素分析仪测定 0.21 %9 收到基氧含量 Oar 燃料元素分析仪测定 31.26 %10 收到基水分含量 Mar 燃料工业分析仪测定 9.15 %11 收到基挥发分含量 Var 燃料工业分析仪测定 75.58 %12 收到基固定炭含量 Far 燃料工业分析仪测定 7.56 %13 收到基灰分含量 Aar 燃料工业分析仪测定 7.71 %14 收到基净发热量 qnet,ar 氧弹式量热仪测定 1

6、5132 kJ/kg 直燃锅炉参数 15 功率 W 10 kW 16 温度 thot,2 30-50，不超过70 1 50 17 室空气温度 thot,1 在16-24围选取 2 16 18 炉排单位面积热负荷 qF 经验值7001050kW/m2 3-8 1050 kW/m2 低温及燃料易燃尽时取上限 19 炉膛单位容积热负荷 qV 经验值235350kW/m3 3-8 350 kW/m3 低温及燃料易燃尽时取取上限 20 炉门和进料槽漏风系数 参照文献9选取 0.221 炉膛出口空气过量系数 2 1+ 1.722 炉膛进口空气过量系数 1 参考文献10-13 1.523 固体未完全燃烧损失

7、 q4 参考文献14-16 3.56 %24 CO未完全燃烧损失 q3 参照文献14-16选取 2.5 %25 侧壁散发到室的热量 q5 参考文献 17-19 0 %26 室外环境温度 t0 给定 10 27 排烟温度 tpy 低于烟气露点，150左右 20 165 28 压力 P 给定 1 atm3.4烟气量的计算1二氧化物量vRO2二氧化物是指烟气中的量，其计算如下：vRO2=0.01866(Car+0.375Sar) =0.0186644.92+0.3750.21 =0.839676675Nm3/kg2理论空气量va,0理论空气量是指每千克固体、液体燃料或每标准立方米气体燃料在化学当量比

8、之下完全燃烧所需的空气量。此试验所需的理论空气量为：va,0=0.0889(Car+0.375Sar)+0.265Har-0.0333Oar =0.088944.92+0.3750.21+0.2655.77-0.033331.26=4.488480875Nm3/kg3理论氮气量vN2理论氮气量包括空气中的氮气量和燃料燃烧所产生的氮气。计算如下：vN2= 0.008Nar+0.79Va,0 =0.0080.98+0.794.488480875=3.553739891 Nm3/kg4理论水蒸气量理论水蒸气量包括自身水分，空气中水分和H燃烧生成的水分：=0.111Har+0.0124Mar+0.01

9、61Va,0 =0.1115.77+0.01249.15+0.01614.488480875=0.826194542 Nm3/kg5理论烟气量vy,0理论烟气量是指单位燃料与理论空气进行完全燃烧生成的烟气量。包括二氧化物，氮气和水蒸气的量：vy,0=VRO2+VN2+VH2O,0=0.839676675+3.553739891+0.826194542 =5.219611108 Nm3/kg6实际烟气量vy实际排放或者测量的烟气量，依状态不同，分为工况和标况两种，工况是依实际条件测定的烟气量，标况是工况换算成标准状态下的烟气量：vy= vy,0+1.0161(-1)Va,01= 1.5，那么vy

10、=5.219611108+1.01611.5-14.488480875 =7.4999838172,= 1+= 1.7，vy=5.219611108+1.01611.7-14.488480875 = 8.4121329汇总数据成下表2：表2 烟气量计算序号 项目 符号 单位 计算公式 数值1 过剩空气系数 1.5 1.72 二氧化物量 vRO2 Nm3/kg 0.01866(Car+0.375Sar) 0.839676675 0.8396766753 理论空气量 va,0 Nm3/kg 0.0889(Car+0.375Sar)+0.265Har-0.0333Oar 4.488480875 4.

11、4884808754 理论氮气量 vN2 Nm3/kg 0.008Nar+0.79Va,0 3.553739891 3.5537398915 理论水蒸气量 vH2O,0 Nm3/kg 0.111Har+0.0124Mar+0.0161Va,0 0.826194542 0.8261945426 理论烟气量 vy,0 Nm3/kg VRO2+VN2+VH2O,0 5.219611108 5.2196111087 实际烟气量 vy Nm3/kg vy,0+1.0161(-1)Va,0 7.499983817 8.41213293.5烟气焓温表由于实验需多次用到烟气焓温表，所以查阅工业锅炉实用手册得到

12、下表3以随时查找相关数据：表3 烟气焓温表21/ iCO2 iN2 iH2O iy,0 ia,0 iy=iy,0+(-1)ia,0(ct)CO2 vRO2(ct)RO2 (ct)N2 vN2(ct)N2 (ct)H2O vH2O(ct)H2O iRO2+iN2+iH2O (ct)a va,0(ct)a 1.5 1.7100 170 142.7450348 130 461.9861859 151 124.7553759 729.4865965 132 592.479476 1025.726334 1144.22223200 375 314.8787531 260 923.9723717 304

13、251.1631408 1490.014266 266 1193.93591 2086.982222 2325.7694300 559 469.3792613 392 1393.066037 463 382.528073 2244.973372 403 1808.85779 3149.402268 3511.17383400 772 648.2303931 527 1872.820923 626 517.1977833 3038.249099 542 2432.75663 4254.627416 4741.17874500 994 834.638615 664 2359.683288 795

14、656.824661 3851.146564 684 3070.12092 5386.207023 6000.23121600 1225 1028.603927 804 2857.206873 969 800.5825113 4686.393311 830 3725.43913 6549.112874 7294.2007700 1462 1227.607299 948 3368.945417 1149 949.2975289 5545.850245 978 4389.7343 7740.717392 8618.66425800 1705 1431.648731 1094 3887.791441

15、 1334 1102.143519 6421.583691 1129 5067.49491 8955.331145 9968.83013900 1952 1639.04887 1242 4413.744945 1526 1260.772871 7313.566686 1282 5754.23248 10190.68293 11341.52941000 2204 1850.647392 1392 4946.805929 1723 1423.533196 8220.986516 1437 6449.94702 11445.96003 12735.94941100 2458 2063.925267

16、1544 5486.974392 1925 1590.424494 9141.324153 1595 7159.127 12720.88765 14152.7131200 2717 2281.401526 1697 6030.696595 2132 1761.446764 10073.54489 1753 7868.30697 14007.69837 15581.35981300 2977 2499.717461 1853 6585.080018 2344 1936.600007 11021.39749 1914 8590.95239 15316.87368 17035.06421400 32

17、39 2719.71275 2009 7139.463442 2559 2114.231833 11973.40803 2076 9318.0863 16632.45117 18496.06841500 3503 2941.387393 2166 7697.400604 2779 2295.994632 12934.78263 2239 10049.7087 17959.63697 19969.57873.6直燃锅炉热效率和燃料消耗量计算1冷空气理论焓 ia,t0,0由于经过排烟和灰斗预热，温度接近0， 近似为基准温度0，所以其焓是0.2排烟焓由排烟温度为165可查得排烟焓 ipy=1740

18、kJ/kg。3排烟热损失 q2其值在816%围，合理。4灰渣温度、焓和排渣率参照文献23可以选取灰渣温度为300；参照文献24可以得出灰渣焓 iash=(ct)ash=264 kJ/kg；参照文献25且通过实验获得排渣率为ash=22%。5灰渣散发到室的热量 q6由于在试验中忽略了灰渣散发到室的热量，所以可以将其设定为0。6直燃锅炉总热损失qq= q2+q3+q4+q5+q6=14.11%7直燃锅炉热效率=100-q=85.89%小容量工业锅炉设计效率50-62%达到了85%的要求，设计合理。8燃料消耗量 mm=100W/(3600qnet,ar) =100101000/(3600151328

19、5.89)=0.0007694 kg/s=0.769 g/s9保热系数bb=1-q5/(+q5)=100%10燃料最大日消耗量 mmaxmmax=360024m =3600240.0007694 =66.467kg/d11料仓容积 VsVs =mmaxnt/rs =3512灰产生量 mashmash= mmaxntashAar7 =66.46730227.71=2.367 kg/week13综合热效率=+(q5+q6)/qnet,ar=85.89% 汇总以上数据计算得下表4：表4 直燃锅炉热效率和燃料消耗量计算序号 项目 符号 数据来源 数值 单位1 燃料收到基单位发热量 qnet,ar 表1

20、 15132 kJ/kg2 冷空气温度 t0 表1 10 3 冷空气理论焓 ia,t0,0 近似为基准温度0经过排烟和灰斗预热，温度接近0 0 kJ/kg4 排烟温度 tpy 表1 165 5 排烟焓 ipy 表3 1740 kJ/kg6 固体不完全燃烧热损失 q4 表1 3.56 %7 排烟热损失 q2 100(ipy-2ia,t0,0)(1-q4/100)/qnet,ar 8.054 % 在816%围1, 2 8 CO不完全燃烧损失 q3 表1 2.5 %9 侧壁散发到室的热量 q5 表1 0 %10 灰渣温度 tash 参照文献3、实验和经验选取 300 11 灰渣焓 iash 参考文献

21、4，iash=(ct)ash 264 kJ/kg12 排渣率 ash 参照文献5和实验选择 22 %13 燃料收到基灰分 Aar 表1 7.71 %14 灰渣散发到室的热量 q6 100ash(ct)ashAar/qnet,ar 0 %15 直燃锅炉总热损失 q q2+q3+q4+q5+q6 14.11 %16 直燃锅炉热效率 100-q 85.89 % 小容量工业锅炉设计效率50-62%6, 7 17 直燃锅炉功率 W 表1 10 kW18 燃料消耗量 m 100W/(3600qnet,ar) 0.0007694 kg/s 0.769 g/s19 保热系数 b 1-q5/(+q5) 100

22、%20燃料最大日消耗量mmax 360024m 66.477 kg/d21 运行时间系数 nt 按经验选取 30 %22 料仓容积 Vs mmaxnt/rs，1仓/天 35 l23 燃料月消耗量 mmon 30mmaxnt 0.598 t/mon24 灰斗容积 Vash mash/rash 1 l25 灰产生量 mash mmaxntashAar7，1次/周 2.367 kg/week26 综合热效率 +(q5+q6)/qnet,ar 85.89 %3.7燃烧器和炉膛设计计算3.7.1水平炉排和侧壁风孔计算1炉排单位面积燃烧率qm参考文献21，Far=7.56%无烟煤45%，符合计算设计标准q

23、m=3600(0.45/FarqF)/qnet,ar , =36000.45/7.561050/15132=1487 kg/(m2h)2水平炉排参考文献21，Far=7.56%无烟煤45%，符合计算设计标准总面积Ap= mqnet,ar/(0.45/FarqF) =0.0007694215132/(0.45/7.561050)=0.001863 m21)水平炉排类型参照calimax样机确定，是宽而窄；2)水平炉排形状系数参照calimax样机选取3.5；3)水平炉排区有效长度lp：联立lp/wP=3.5和lpwP=Ap求解，可得lp=82mm，进料槽颗粒能4)沿炉排长度方向较均匀(随机)分布

24、；5)水平炉排区有效宽度wp减薄火焰厚度和减小炉排中心缺氧区域面积：wp=1000Ap/lP =10000.001863/0.082=24mm(3) 燃烧需实际空气量vava= (1+2)/2va,0=(1.5+1.7)/24.488480875= 7.1815694 Nm3/kg(4) 空气通过炉排间隙流速uaua= vama/(a+1)/(n1+1)dpwp= 7.18156940.000769422/(2+1)/ (7+1)524=5.08 m/s(5) 水平炉排通风截面积AtfAtf= vama/(a+1)/ua=7.18156940.000769422/(2+1)/ 5.08=960

25、mm2(6) 水平炉排通风截面积比ftfftf=Atf /Ap100=960/0.001863100=51.5%(7) 水平炉排片数目n1n1=(lp-dp)/(dp+fp)=(82-5)/(5+5)=7.7,取整即7水平炉排片直径fp=5mm水平炉排片间距dp=5mm8一、二次风孔面积比Atf : Ack=7.5(9) 侧壁矩形风孔总面积AckAck= Atf /(Atf : Ack)=960/7.5=128 mm2(10) 侧壁矩形风孔宽度wck考虑颗粒f和calimax样机侧壁风孔(f3mm)设计,得wck=2.1mm(11) 侧壁矩形风孔高度hckhck=2wck=4.2，和calim

26、ax样机侧壁风孔面积相等(12) 侧壁矩形风孔数目n2n2=Ack / (wckhck)=128/(2.14.2)=14.5,取整即为1413侧壁沿炉宽方向矩形风孔个数n21参照calimax样机选定为3个14前后侧壁矩形风孔个数之比n22:n23参照calimax样机布置为0.6那么，前侧壁矩形风孔个数n22=n22 : n23/(n22 : n23+1)(n2 - 2n21)=3个；后侧壁矩形风孔个数n23=n2-2n21-n22=5个15通过水平炉排的一次风百分数a,pa,p=100(n1+1)dpwp/(n1+1)dpwp+n2wckhck=1007+1524/(7+1)524+142

27、.14.2=88.6%(16) 通过侧壁风孔的二次风百分数a,cka,ck=100-a,p=100-88.6%=11.4%汇总如下表5：表5 水平炉排和侧壁风孔计算序号 项目 符号 数据来源 数值 单位1 燃料消耗量 m 表4 0.00076942 kg/s2 燃料收到基低位发热量 qnet,ar 表1 15132 kJ/kg3 炉排单位面积热负荷 qF 表1 1050 kW/m24 炉排单位面积燃烧率 qm 1487 kg/(m2h)5 水平炉排总面积 Ap 0.001863 m26 水平炉排类型 宽而窄7 水平炉排形状系数 lp/wP 3.58 水平炉排区有效长度 lp 82 mm9 水平

28、炉排区有效宽度 wp 1000Ap/lP 24 mm10 燃烧需实际空气量 va (1+2)/2va,0 7.1815694 Nm3/kg11 空气通过炉排间隙流速 ua 5.08 m/s12 水平炉排通风截面积 Atf vama/(a+1)/ua 960 mm213 水平炉排通风截面积比 ftf Atf /Ap100 51.5 % 14 水平炉排片数目 n1 (lp-dp)/(dp+fp)，取整 7 根15 水平炉排片直径 fp 5 mm16 水平炉排片间距 dp 5 mm17 水平炉排材质 参考文献3 HT150-20018 水平炉排脊背形状 参考文献4 半圆形19 一、二次风孔面积比 A

29、tf : Ack 7.520 侧壁矩形风孔总面积 Ack Atf /(Atf : Ack) 128 mm221 侧壁矩形风孔宽度 wck 2.1 mm22 侧壁矩形风孔高度 hck 4.2 mm23 侧壁矩形风孔数目 n2 Ack / (wckhck)，取整 14 个24 侧壁沿炉宽方向矩形风孔个数 n21 3 个25 前后侧壁矩形风孔个数之比 n22:n23 0.626 前侧壁矩形风孔个数 n22 3 个27 后侧壁矩形风孔个数 n23 n2-2n21-n22 5 个28 通过水平炉排的一次风百分数 a,p 88.6 %29 通过侧壁风孔的二次风百分数 a,ck 100-a,p 11.4 %

30、3.7.2炉膛计算1炉膛容积V炉膛通过参考文献21，设计大炉膛容积，保证燃烬时间，V炉膛= m(qnet,ar-Far0.0130000)/qv=0.00076942(15132-7.560.0130000)/350=28m3炉膛类型参照calimax样机确定为宽、高而窄2炉膛梯形区高度h梯参照calimax样机选定，火焰最高温度正常高度为300mm(3) 炉膛矩形区高度h矩h矩= V炉膛/W炉膛-(l梯下底+L炉膛)h梯/2/L炉膛= 28/150-(152+400)300/2/400=260mm炉膛梯形区底边长l梯下底利于落灰和组织宽高薄火焰,l梯下底=lp+2dfp=82+235=152

31、炉膛长度L炉膛=400mm炉膛宽度W炉膛=150mm(4) 炉膛侧壁底部与炉排间距dfp为了便于放取水平炉排，dfp设定为35mm(5) 炉顶辐射换热管与垂直方向夹角按辐射圆管实际布置确定便于在窄小空间里布置更多辐射换热面积，最终确定为40o。(6) 腔顶斜边长a暖参照calimax样机选定为100mm; 矩形通道斜宽度W暖,1参照calimax样机选定为25mm; 垂直空气腔宽度暖参照calimax样机选定为70mm; 辐射换热管端面斜宽度W暖,2，端面布置辐射换热管，参照calimax样机选定为75mm;(7) 炉膛前侧壁高度H前H前= h梯+h矩+0.5W炉膛/tg= 300+260+0

32、.5150/40o=650mm(8) 炉膛中间高度H中H中=h梯+h矩+0.5W炉膛/tg+a暖sin=300+260+0.5150/tg40o +100sin40o=714mm(9)垂直空气腔后侧壁高度H后H后=H中-(暖+W炉膛-a暖cos)/tg=714-(70+150-100cos40o)/tg40o=543mm汇总以上数据得下表：表6 炉膛计算序号 项目 符号 数据来源 数值 单位1 炉膛单位容积热负荷 qV 表1 350 kW/m32 炉膛容积 V炉膛 28 m3 3 炉膛类型 宽、高而窄4 炉膛梯形区高度 h梯 300 mm5 炉膛矩形区高度 h矩 260 mm6 炉膛侧壁底部与

33、炉排间距 dfp 便于放取水平炉排 35 mm7 炉膛梯形区底边长 l梯下底 152 mm8 炉膛长度 L炉膛 400 mm 9 炉膛宽度 W炉膛 150 mm 10 炉顶辐射换热管与垂直方向夹角 40 11 腔顶斜边长 a暖 100 mm12 矩形通道斜宽度 W暖,1 25 mm13 垂直空气腔宽度 暖 70 mm14 辐射换热管端面斜宽度 W暖,2 75 mm15 炉膛前侧壁高度 H前 650 mm16 炉膛中间高度 H中 714 mm17 垂直空气腔后侧壁高度 H后 543 mm3.7.3颗粒层阻力计算1阻力系数M参考文献得知在10-20围选取应选取M=102包括炉排在的阻力Dm考虑炉排

34、上积灰百分数，Dm =M(qmash)2/103=10148722%/103=1072 Pa3 颗粒层最大容许厚度hm参照文献可知颗粒和灰渣不堵炉膛侧壁二次风孔在2550mm之间，参考calimax样机选取为50mm。4侧壁矩形风孔高出水平炉排的高度DhDh和颗粒层最大容许厚度相等，即为50mm汇总数据得下表7：表7 颗粒层阻力计算序号 项目 符号 数据来源 数值 单位1 系数 M 在10-20围选取2 102 包括炉排在的阻力 Dm 1072 Pa3 颗粒层最大容许厚度 hm 50 mm 4 侧壁矩形风孔高出水平炉排的高度 Dh 50 mm3.8辐射换热计算3.8.1计算理论燃烧温度1燃料系

35、数e参考文献1，查无烟煤数据可得e=0.152燃质系数N参考文献1，查无烟煤数据可得N=25003理论燃烧温度tmax,1tmax,1= N/(2+e)=2500/(1.7+0.15)=13514理论燃烧温度tmax,2tmax,2由表3烟气焓温表查得11715理论燃烧温度计算值tmaxtmax=max(tmax,1, tmax,2)= 1351汇总数据见下表8：表8 理论燃烧温度序号 项目 符号 数据来源 数值 单位1 炉膛出口过量空气系数 2 表1 1.72 燃料系数 e 0.153 燃质系数 N 25004 理论燃烧温度 tmax,1 1351 5 理论燃烧温度 tmax,2 1171

36、6 理论燃烧温度计算值 tmax 1351 3.8.2计算辐射换热量1炉膛出口烟温tll,cal由参考文献可知tll,cal灰软化温度860-900，设定为7002辐射换热量Qrad,calQrad,cal=(tmax-tll,cal)W/(tmax-tpy)=(1351-700)10/(1351-165)=5.489kW3辐射换热面热强度qrad,cal参照文献，结合tll线性外延，可得qrad,cal=30kW/m24有效辐射换热面Arad,0Arad,0=Qrad,cal/qrad=5.489/30=0.182967m2(5) 辐射换热面利用率rad参考文献3，并结合经验选取rad=76

37、%(6) 辐射换热面积计算值Arad,calArad,cal=Arad/rad=0.182967/76%=0.240746m2(7) 观察窗下底边边长awin,down和炉排长度lp相等，取整得80 mm；观察窗两边预留宽度awin,down安装观察窗需要知其为60mm;观察窗上底边边长awin,up= awin,down-2awin,down=280mm;观察窗顶边离梯形顶边距离hwin= 40mm;观察窗高度hwin= hwin-hwin= 260mm;观察窗辐射换热面积Awin= (awin,down+awin,up)hwin/2= 0.0468mm;过渡烟道宽度Wy为了便于布置过渡烟道

38、设置为70mm。8炉顶辐射换热面积AtopAtop= (L炉膛-2Wy)W炉膛/sin= (400-270)150/sin40o=0.060673m29炉顶换热管外径fpipe炉顶换热管布置在炉顶外，参照calimax样机选取fpipe=25mm。10炉顶换热管单管长度lpipelpipe=W炉膛/sin=150/sin40o=200mm(11) 炉顶换热管根数npipenpipe=Arad,cal/(fpipeplpipe)= 0.240746/(25p200)=12根12辐射换热管总换热面积ApipeApipe= npipefpipeplpipe= 1225p200= 0.1884 m21

39、3辐射换热管排数npipe,row辐射换热管排数参照calimax样机布置成2排。14上排辐射换热管根数npipe,upnpipe,up=intnpipe/2+0.5=int12/2+0.5=6根下排辐射换热管根数npipe,down参照calimax样机布置为6根。15上排边缘辐射换热管中心与烟道间距d1参照calimax样机布置，d1=10+0.5fpipe=22.5mm; 上排辐射换热管管中心间距d2=(W炉膛-2Wy-2d1)/(npipe,up-1)=43mm,可以防止积灰； 下排辐射换热管管中心间距d4和上排辐射换热管间距相等,为43mm; 下排边缘辐射换热管中心与烟道间距d3=

40、(W炉膛-2Wy-(npipe,down-1)d4)/2=22.5mm; 上下排辐射换热管中心与炉顶板间距d5参照calimax样机布置为5+0.5fpipe=17.5mm; 上下排辐射换热管管中心间距d6= W暖,2-2d5=20mm。16实际辐射换热面积Arad,actArad,act= Apipe+Awin= 0.1884+0.0468= 0.2352 m217实际辐射换热面积与计算值差值DAradDArad= |Apipe-Arad,cal|/Arad,cal100%= |0.1884-0.240746|/0.240746100%=0.2%18实际辐射换热面利用率rad参考文献3，并结

41、合经验选取rad=76%19实际有效辐射面积Arad,0Arad,0=Arad,actrad=0.235276%=0.178752m220实际辐射换热面热强度qradqrad=Qrad/Arad,0=5.455/0.178752=30.707kW/m2(21) 实际炉膛出口烟温tll参照文献3，结合tll线性外延得知tll=70422炉膛出口烟温校核DtllDtll=|tll,cal-tll|/tll,cal100%=|700-704|/700100%=0.57%23实际辐射换热面吸热QradQrad=(tmax-tll)W/(tmax-tpy)=(1351-704)10 /(1351-165

42、)=5.455kW24辐射换热与对流换热比Qrad : Qcon=1.2Qrad : Qcon= 5.455 : 4.545=1.225观察窗辐射换热量QwinQwin= QradAwin/(Apipe+Awin)= 5.4550.0468/(0.1884+0.0468)=0.242 kW26辐射换热管换热量QpipeQpipe= QradApipe/(Apipe+Awin)= 5.4550.1884/(0.1884+0.0468)= 5.213 kW27观察窗辐射换热百分数Qwin/(Qpipe+Qwin)100= 0.242/(5.213+0.242)100=4.44%汇总辐射换热量数据见

43、下表9：表9 辐射换热计算序号 项目 符号 数据来源 数值 单位7 直燃锅炉功率 W 表1 10 kW8 固体不完全燃烧损失 q4 表1 7.5 %9 直燃锅炉热效率 表4 85.89 %10 助燃空气显热 Qa 表4 0 kW11 炉膛出口烟温 tll,cal 700 12 排烟温度 tpy 表1 165 13 辐射换热量 Qrad,cal 5.489 kW14 辐射换热面热强度 qrad,cal 30 kW/m215 有效辐射换热面 Arad,0 0.182967 m216 辐射换热面利用率 rad 76 %17 辐射换热面积计算值 Arad,cal 0.240746 m218 实际辐射换

44、热面积计算值 Arad,cal 0.240746 m219 观察窗下底边边长 awin,down 80 mm20 观察窗两边预留宽度 awin,down 60 mm21 观察窗上底边边长 awin,up 280 mm22 观察窗顶边离梯形顶边距离 hwin 40 mm23 观察窗高度 hwin 260 mm24 观察窗辐射换热面积 Awin 0.0468 m225 过渡烟道宽度 Wy 70 mm26 炉顶辐射换热面积 Atop 0.060673 m227 炉顶换热管外径 fpipe 25 mm28 炉顶换热管平面与垂直方向夹角 表5 40 29 炉顶换热管单管长度 lpipe 200 mm30

45、 炉顶换热管根数 npipe 12 根31 辐射换热管总换热面积 Apipe 0.1884 m232 辐射换热管布置 33 辐射换热管排数 npipe,row 2 排34 上排辐射换热管根数 npipe,up 6 根35 上排边缘辐射换热管中心与烟道间距 d1 22.5 mm36 上排辐射换热管管中心间距 d2 43 mm 37 下排辐射换热管根数 npipe,down 6 根38 下排辐射换热管管中心间距 d4 43 mm 39 下排边缘辐射换热管中心与烟道间距 d3 22.5 mm40 上下排辐射换热管中心与炉顶板间距 d5 17.5 mm41 上下排辐射换热管管中心间距 d6 20 mm

46、 42 实际辐射换热面积 Arad,act 0.2352 m243 实际辐射换热面积与计算值差值 DArad 0.2 %44 实际辐射换热面利用率 rad 76 %45 实际有效辐射面积 Arad,0 0.178752 m246 实际辐射换热面热强度 qrad 30.707 kW/m247 实际炉膛出口烟温 tll 704 48 炉膛出口烟温校核 Dtll 0.57 %49 实际辐射换热面吸热 Qrad 5.455 kW50 辐射换热与对流换热比 1.251 辐射换热分配 观察窗辐射换热量 Qwin 0.242 kW 辐射换热管换热量 Qpipe 5.213 kW 观察窗辐射换热百分数 4.4

47、4 %3.9对流换热计算3.9.1对流换热量和换热前后烟空气温度及平均温差1对流换热热量QconQcon=(tll-tpy)W/(tmax-tpy)=(704-165)10 /(1351-165)=4.545kW2热空气出口温度thot,medthot,med=thot,1+(thot,2-thot,1)/WQcon=16+(50-16)/104.545=31.453最大温差DtmaxDtmax=tll-thot,1=704-16=6884最小温差DtminDtmin=tpy-thot,med=165-31.45=133.555平均温差Dtm根据参照文献可知温差修正系数y=Dtmax/Dtmi

48、n=0.477；Dtm=yDtmax=0.477688=328.18数据统计如下表10：表10 对流换热量和换热前后烟空气温度及平均温差序号 项目 符号 数据来源 数值 单位 计算对流换热量及对流换热前后烟空气温度1 离炉烟气温度 tll 表6 704 2 排烟温度 tpy 表1 165 3 理论燃烧温度 tmax 表6 1351 4 直燃锅炉功率 W 表1 10 kW5 助燃空气显热 Qa 表4 0 kW6 对流换热热量 Qcon 4.545 kW W-Qrad 4.545 kW7 室空气温度 thot,1 表1 16 8 热空气出口温度 thot,med 31.45 计算平均温差 9 最大

49、温差 Dtmax tll-thot,1 688 10 最小温差 Dtmin tpy-thot,med 133.55 11 温差修正系数 y 按Dtmax/Dtmin 0.47712 平均温差 Dtm yDtmax 328.18 3.9.2烟空气流量和流速计算1空气平均温度thot,averthot,aver=0.5(thot,1+thot,med)=0.5(16+31.45)=23.732烟气平均温度ty,averty,aver=thot,aver+Dtm=23.73+328.18=351.913烟气流量VyVy=mvy(1+ty,aver/273)=0.00076947.499983817(

50、1+351.91/273)=0.014816m3/s4烟气流速wy,calwy,cal按经验选取经济流速2为6.52m/s5假设烟气流通截面积Ay,cal=Vy/wy,cal=0.002272m2；对流换热管数量ny参照calimax样机设计为2个；垂直烟气腔水平截面宽度by参照calimax样机选取为100mm；垂直烟气腔水平截面厚度dy=Ay,cal/ny/by=0.002272/2/100=11mm。6烟气实际流速wywy= Vy/(nybydy)，属经济流速2= 0.014816/(210011)=6.737烟气实际流通截面积AyAy= bydyny= 10011210-6=0.002

51、2m28空气流量VaVa=W/1.1651.005(thot,2-thot,1)=10/1.1651.005(50-16)=0.2512059空气流通截面布置垂直腔宽度见表1为70mm；炉膛侧壁夹套厚度d参照calimax样机选取为30mm；垂直腔空气流通截面积Aa=d暖L炉膛+d2(W炉膛+d暖)-Ay =70400+302(150+70)10-6-0.0022=0.039m210风速wawa=Va/Aa，属经济流速2, 3=0.251205/0.039=6.44m/s相关数据统计如表11：表11 烟空气流量和流速计算序号 项目 符号 数据来源 数值 单位1空气平均温度 thot,aver

52、23.73 2 烟气平均温度 ty,aver 23.73 3 对流换热区空气过剩系数 2 表1 1.74 直燃锅炉热效率 表4 85.89 %5 烟气流量 Vy 0.007035 m3/s6 烟气流速 wy,cal 6.52 m/s7 烟气流通截面积假设 Ay,cal 0.001079 m28 对流换热管数量 ny 2 个9 垂直烟气腔水平截面宽度 by 100 mm10 垂直烟气腔水平截面厚度 dy 5 mm11 烟气实际流速 wy 7.04 m/s12 烟气实际流通截面积 Ay 0.0022 m213 空气流量 Va 0.251205 m3/s14 空气流通截面布置 垂直腔宽度 暖 表5

53、70 mm炉膛侧壁夹套厚度 d 30 mm垂直腔空气流通截面积 Aa 0.039 m215 风速 wa 6.44 m/s3.9.3传热系数的计算1传热系数K与烟气流速有关系数k1，由参考文献1，顺排4wy+6= 40.92；管径系数k2，为了简化计算，取近似值1；冲刷系数k3，参照文献4选取值为1；传热系数K= k1k2k31.16310-3= 40.92111.16310-3=0.048kW/(m2K)。2对流换热面积AconAcon=Qcon/(KDtm)=4.545/(0.048328.18)=0.288523m23对流换热面布置水平排烟高度hy参照calimax样机选取为130mm；对

54、流换热单管高度hcon=H后-hy=543-130=413mm；对流换热单管周度L=Acon/(hconny)，取整得348 mm；波纹换热富裕系数kbo考虑波片粘结粉尘和换热富裕为1.225；波纹单片伸展宽度bbo= (L-dy)/2kbo= (348-5)/21.225= 206 mm；波纹单片数目nbo= 2ny= 4片；波纹倾斜角bo= arccos(by/bbo)= 61；波纹单片面积Abo= hconbbo= 41320610-6=0.085284m2；数据统计如下表12：表12 传热系数的计算序号 项目 符号 数据来源 数值 单位1与烟气流速有关系数 k1 40.922 管径系数

55、 k2 13 冲刷系数 k3 14 传热系数 K 0.048 kW/(m2K)5 对流换热面积 Acon 0.288523 m26 对流换热面布置 水平排烟高度 hy 130 mm对流换热单管高度 hcon 414 mm对流换热单管周度 L 348 mm波纹换热富裕系数 kbo 1.225波纹单片伸展宽度 bbo 206 mm波纹单片数目 nbo 2ny 4 片波纹倾斜角 bo 61 波纹单片面积 Abo 0.085284 m23.9.4对流换热面校核计算1实际对流换热面积AconAcon= 2nyAbo+nydyhcon= 220.085284+211414=0.350244 m22烟管污染

56、系数k4考虑波纹换热富裕，k4=1/kbo= 0.823考虑污染的烟管传热系数KK= Kk4= 0.0480.82= 39 W/(m2K)4对流换热量Qcon,actQcon,act= KAconDtm= 390.350244328.18=4.483kW5对流换热量误差DQconDQcon=|Qcon,act-Qcon|/Qcon100%=|4.483-4.545|/4.545100%=1.36%数据统计如下表13：表13 对流换热面校核计算序号 项目 符号 数据来源 数值 单位1实际对流换热面积 Acon 0.350244 m22 烟管污染系数 k4 0.823 考虑污染的烟管传热系数 K Kk4 39 W/(m2K)4 对流换热量 Qcon