广东工业大学锅炉原理课件6

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1、锅炉热力计算第六章 炉膛传热计算第一节 炉膛传热原理 炉膛是锅炉中的一个重要部件。其复杂性在于同时存在燃烧和传热过程，而燃烧本身就对传热有很大的影响。另外，燃烧产生的灰分对受热面的污染程度不同也会使吸热量发生变化。反过来，传热过程的强弱又会影响燃料的着火和燃尽。 炉膛中的传热过程是一个动态过程，燃料着火后燃烧非常强烈，其放热量大于四周水冷壁吸热，火焰温度迅速上升，形成最大值所在的火焰中心。随后可燃物逐渐燃尽，其发热量小于水冷壁吸热量，火焰温度下降，形成炉内温度场沿炉膛高度不均匀分布曲线，如图所示。6.1 炉膛传热原理 炉膛传热过程n炉膛传热计算目的n使炉膛结构和尺寸合理n布置适当受热面，影响炉

2、膛出口温度n炉膛传热计算任务n按选定炉膛出口温度，确定炉膛受热面Hf 或n布置炉膛受热面Hf，校核炉膛出口温度 6.1 炉膛传热原理 火焰辐射1n炉膛中的辐射传热n由燃料燃烧形成的高温火焰和烟气流通过辐射向受热面进行的热量传递。是容积辐射(辐射与吸收在整个容积内进行,与两个固体之间的表面辐射不同)n火焰中具有辐射能力的成分n三原子气体：CO2, H2O, SO2 不发光火焰(红外区域内) N2,O2 辐射与吸收能力微弱,可忽略n焦碳粒子：30-50 m 强辐射能力,发光,主要辐射成分,n灰粒： 10-20 m,也发光 n碳黑粒子： 烃类化合物高温裂解 0.01-0.05 m 发光火焰（在可见光

3、和红外光谱中连续辐射，三倍于三原子气体）半发光火焰6.1 炉膛传热原理 火焰辐射2n影响火焰辐射因素n成分：火焰有效辐射成分（三原子，焦碳，灰粒，碳黑）n分布：炉膛内分布，有效辐射成分浓度场n燃烧方式和燃烧工况：不同结构火焰n各辐射成分间的相互影响：不同吸收辐射能频谱不是几何叠加CCO26.1 炉膛传热原理 传热计算1炉膛内的传热过程包括：炉膛内的传热过程包括：n烟气放热烟气放热-高温烟气边燃烧边放出热量n辐射传热辐射传热-烟气与受热面之间的换热n导热传热导热传热-热量通过金属受热面（水冷壁）传递n介质吸热介质吸热-饱和水吸热变为饱和蒸汽,一般介质温度不变炉内传热计算一般通过烟气放热与辐射换热

4、之间的热平衡来计算.6.1 炉膛传热原理 传热计算2n炉膛辐射传热公式n数学模型尚不成熟，复杂性n经验和半经验方法n炉膛辐射传热计算假定n传热与燃烧分开：与燃料、烟气流动、扩散、受热面、污染分开，影响在分别考虑（经验系数）n对流5%，忽略不计（循环流化床锅炉不同）n炉内物理量取平均值，认为均匀以简化计算，如Cp，黑度，温度n以与水冷壁相切的表面为火焰辐射表面n炉壁表面温度Tb，黑度b，同侧炉墙面积n简化为两个互相平行的无限大平面火焰辐射表面辐射温度=火焰平均温度Thy黑度=火焰对炉壁的黑度hy6.1 炉膛传热原理 辐射传热方程kWTTFaQbhybxtf)(4401111bhyxtaaa火焰和

5、炉壁间的系统黑度，其值与火焰黑度及炉壁黑度的大小有关炉膛传热计算基本方程式炉膛传热计算基本方程式n热平衡方程6.1 炉膛传热原理 烟气放热方程kWTTVcBIQBQlapjjllj)()(551qq保热系数炉膛有效放热量折算到每kg燃料送入炉内的总热量，亦即每kg燃料所产生的烟气在绝热燃烧温度下所具有的焓值，kJ/kg炉膛出口温度下的烟气焓，kJ/kg每kg燃料的燃烧产物，从绝热燃烧温度Ta 炉膛出口温度Tl”的热容量平均值理论燃烧温度(燃料完全燃烧的所产生的热量全部用来加热燃烧产物所能达到的温度)炉膛出口温度n辐射传热方程（斯蒂芬-玻尔兹曼定律）n热平衡方程n炉膛传热基本方程6.1 炉膛传热

6、原理 传热方程组kWTTFaQbhybxtf)(440kWTTVcBIQBQlapjjllj)()(kWIQBTTFalljbhybxt)()(440？试验测定困难，无法工程应用炉膛传热计算的实现通常在工程应用上：n采用相似理论原理,建立各物理量之间的关系n依据试验结果,引进修正系数n用半经验公式计算n有多种计算方法n我国常用前苏联的热力计算方法（1973）KVCBFTaMTTpjalal1)(6 . 030炉膛出口烟温的计算公式：第二节第二节 炉膛黑度计算炉膛黑度计算 6.2 炉膛黑度计算 炉膛黑度1n炉膛黑度al：实际计算所用n概念n是为了进行炉膛热力计算引进的对应于火焰有效辐射的假想黑度

7、，不是火焰黑度，不是火焰与炉壁间的系统黑度，但相互间有一定的内在关系n可说明火焰与炉壁间辐射热交换的关系n对于室燃炉：pjhyhyhylaaaa)1 ( 炉壁的热有效系数6.2 炉膛黑度计算 炉膛黑度2n炉壁的热有效系数：n考虑炉膛受热面吸热能力大小的系数n炉膛受热面辐射特性之一：n热有效系数 n角系数 xn沾污系数 n定义式：hylbhyqqq火焰的有效辐射，kW/m2炉壁对火焰的有效辐射，kW/m2火焰投射到炉壁上的热量最终被受热面吸收的份额6.2 炉膛黑度计算 炉膛黑度3n炉壁的热有效系数n炉膛壁面总换热量：n辐射传热方程n可推得：hylbhyqqq火焰的有效辐射炉壁对火焰的有效辐射24

8、0/)(mkWTaFqFqqFQhylbhyblbhybkWTTFaQbhybxtf)(4401111bhyxtaaa4411111hybbhylTTaaa（公式1411）6.2 炉膛黑度计算 炉膛黑度4n炉膛黑度al：n反映炉膛黑度，火焰黑度，炉壁黑度之间的关系n考虑炉壁热有效系数、炉壁温度、火焰温度影响n反映火焰与炉壁间的辐射换热状况4411111hybbhylTTaaa1111bhyxtaaa只和黑度有关6.2 炉膛黑度计算 炉膛黑度5n室燃炉炉膛黑度计算（公式推导过程）n火焰的有效辐射n炉壁对火焰的有效辐射n炉壁热有效系数n得到，40hylhyTaq4040)1 (hylbbblbTa

9、aTaqhylbhyqqq)1 ()4blhybaTT（公式1413）炉膛黑度计算 炉膛黑度6)1 (hyhyhylaaaa)1 ()4blhybaTT（n通过变换得到室燃炉炉膛黑度计算式：仅与火焰黑度有关，其余归入4411111hybbhylTTaaa6.2 炉膛黑度计算 炉膛黑度7n火床炉、流化床锅炉悬浮段黑度blpAA)1)(1)(1 (1)1 (hyhyhylaaaa为炉排面积Alp与炉膛总壁面积Ab之比6.2 炉膛黑度计算 火焰黑度1n室燃炉炉膛黑度n火焰黑度，热有效系数n平均火焰黑度n以炉膛出口烟气成分，温度来计算n区分气体、重油火焰与固体燃料火焰n气体、重油：CO2, H2O,

10、悬浮碳黑n固体燃料：CO2, H2O, 焦碳，灰颗粒)1 (hyhyhylaaaa6.2 炉膛黑度计算 火焰黑度2n火焰黑度，假设火焰为灰体n炉膛有效辐射程厚度snk, 火焰辐射减弱系数，各辐射成分减弱系数的代数和，1/(m MPa)np, 炉膛压力，常压锅炉p=0.1MPakpshyea1)()(6 . 3炉壁面积炉膛容积llFVs 常规燃料中的不发光气体辐射的经验计算)./(1),100037. 01)(1 . 02 .106 . 178. 0(2 .10 2MPamTsprklqOHq辐射减弱系数的计算：三原子气体的辐射减弱系数：公式（1422）Pg327实际炉内含灰气体的减弱系数经验计

11、算实际炉内含灰气体的减弱系数经验计算n依据常规煤粉炉炉内烟气中灰颗粒特性及粒径分布，灰粒减弱系数的经验计算式为：)/(1 , 55900322MPamdTkhlh （公式1427）碳黑发光火焰的减弱系数n液体、气体燃料时发光火焰主要是碳黑，在可见光和红外光谱中连续辐射n由于碳黑的大小和浓度随燃烧条件（燃料C/H、过量空气系数、混合条件）变化，且燃烧过程中不断变化，只能依据试验结果来经验计算MPamHCTkararllth./1 ,)5 . 010006 . 1)(2( 3 . 0 炉膛出口过量空气系数（公式1423）焦碳颗粒的辐射减弱系数n煤颗粒未完全燃烧时的含碳颗粒为焦碳n焦碳对火焰黑度影响

12、大，随煤种变化大（贫煤不易燃烧，焦碳浓度大，其火焰黑度也大）n直径远大于碳黑MPamxxkKxxjj./1:2121，经验计算式：燃烧方式的修正系数燃料特性修正系数；经验值为10贫煤、无烟煤=1挥发分高的煤=0.5煤粉炉=0.1层燃炉=0.03燃用气体、液体燃料的火焰黑度n炉膛内由发光火焰和不发光的三原子气体组成qfgfgfghyamama)1 ( rpskqqea1pskrkfgthqea1火焰发光系数，经验值参见课本327（发光充满度）发光火焰黑度：不发光的三原子气体黑度：煤粉火焰的黑度计算n由三原子气体、灰颗粒、焦碳组成21xxkkrkkjhhqkpshyea1三原子气体灰颗粒焦碳颗粒飞

13、灰浓度锅炉热力计算第三节 炉内受热面的辐射特性受热面与火焰之间的辐射换热特性受热面与火焰之间的辐射换热特性n角系数，n热有效系数n污染系数；角系数n说明投射到炉壁的热量中投射到水冷壁管上的份额；n依据辐射换热特性来推导，n仅与受热面的几何形状及相对位置有关投射到炉壁的热量投射到受热面上的热量x炉膛受热面结构非膜式水冷壁的角系数分析n通过与水冷壁相切的假想平面AD到达受热面管表面和炉墙上n由于管长比管径、节距S大得多n可以看成由面AD、AEB、BCD构成的三个无限长凸面间的封闭系统的辐射换热n火焰对水冷壁的角系数就是AD对AEB的角系数soABDCEO传热学传热学272页页水冷壁之间的角系数n火

14、焰对水冷壁的角系数X为两倍soABDCEOADBCDAEBADx2ADBCDAEBADX22sBCsEBsCDBCEBAEsXnAD=s，AE=CD水冷壁之间的角系数2222)2()2(2dsdsBCsoABDCEO ddEB22ddsarctgddsarctga222222122)(11)(11sddsarctgsdsBCEBsBCsEBX炉墙反射的修正n火焰辐射到炉墙上然后反射到水冷壁上n与节距s、离炉墙距离e有关ne/d增大，角系数增加。n可查图(14-3) P330页膜式水冷壁的角系数n对于全密封型的膜式水冷壁，火焰辐射全部落到水冷壁上n角系数总等于1辐射传热面积的计算n有效辐射面积H

15、iiiixAH iilxAHn炉膛总有效辐射面积Hln炉膛平均角系数x （水冷度）llilAHAHx热有效系数n表示受热面吸热的有效性，即投射到炉壁上的热量中有多少被受热面所吸收lblbhyqqq投射到炉壁的热量受热面吸收的热量n取决于有效反辐射qlbn包括炉壁的自身辐射和对火焰的有效辐射反射两部分40404040)1 (hylhylbbbhylTaTaaTaT热有效系数n受炉壁温度Tb、炉壁黑度ab影响n水冷壁无污染时，壁面温度低（约等于饱和水温度）、黑度大，则热有效系数大n受污染后，壁面上的灰垢温度高，可达9001000度（当垢的厚度为0.20.5mm) 此时，黑度也小，则热有效系数小。4

16、0404040)1 (hylhylbbbhylTaTaaTaT污染系数n表示水冷壁的污染程度投射到受热面上的热量受热面吸收的热量n水冷壁的污染越严重则污染系数越小，n灰垢使壁温升高和黑度减少n烟煤煤粉炉的水冷壁污染系数一般为0.45X, , 之间的关系n当管壁受污染，管壁为非黑体时成立。n当s/d接近于1，或等于1时，或膜式水冷壁时， 几乎等于 。x查表142 ；331页锅炉热力计算第四节 炉膛传热计算方法室燃炉的传热计算炉内辐射传热的准则方程式n依据试验数据的整理，可以：6 . 06 . 06 . 0BoMaBoTTlallnM为经验数据，与燃料性质、燃烧方法、燃烧器布置有关；炉膛出口温度计

17、算1)(16 . 06 . 06 . 06 . 0BoaMBoMaBoTTllallKVCBFTaMTBoaMTTpjalalal1)(1)(6 . 0306 . 0系数M考虑炉内火焰最高温度相对位置参数nXr为燃烧器相对高度，=hr/hln 考虑火焰最高温度位置偏离燃烧器布置水平面nA，B经验系数，取决于燃料和炉膛结构)(xxBAMrx单室炉及半开式炉膛计算时M的取值n当室燃烟煤、褐煤及层燃所有的燃料时：mxM5 . 059. 0n当室燃无烟煤、贫煤及高灰分烟煤时：mxM5 . 056. 0n当室燃重油、气体燃料时：mxM5 . 054. 0nXm是火焰中心相对位置，=hr/hl。2、带有屏

18、的炉膛的计算3、大容量锅炉炉膛的计算6.5 炉膛结构和热负荷分布（1） 炉膛结构n设计要求n燃烧燃烧器n传热受热面数量、结构等n水动力工质循环n制造n安装n运行n结渣、排放、 材料、成本、维修形状、容积着火燃烬防止严重结渣6.5 炉膛结构和热负荷分布（2） 炉膛结构n炉膛几何特征n炉膛容积 - 边界n炉壁面积 炉膛容积表面，双面2n受热面积n炉宽、炉深、横截面积n炉膛有效受热面积n炉膛形状（瘦高、矮胖）n炉膛截面（燃烧器布置：方形、长方形；流速）6.5 炉膛结构和热负荷分布（3） 炉膛结构n燃料对炉膛尺寸的影响n燃烧完全n不使水冷壁超温n结渣n排放n热负荷n均匀性例：天然气 油 煤粉6.5 炉膛结构和热负荷分布（4） 炉膛热负荷分布n炉膛有效辐射受热面平均热负荷n沿炉高热负荷不均匀系数n沿炉宽或炉深热负荷分布不均匀系数n各侧炉壁热负荷不均匀系数n炉膛出口屏式受热面n应用：如水循环计算中（加锅炉改造）2/,)(mkWHIQBqllljf