华北电力大学锅炉原理第九章炉膛计算

第九章锅炉炉膛换热计算锅炉热力计算的目的目的：确定锅炉受热面与燃烧产物和工质参数间的关系；基础：燃料的燃烧计算和锅炉的热平衡计算；按受热面性质分为炉膛换热计算和炉膛出口后对流受热面的换热计算；按计算方法分为设计计算和校核计算。第九章锅炉炉膛换热计算第九章锅炉炉膛换热计算第一节锅炉炉膛内传热的特点第二节炉膛辐射传热的基本方程和有效辐射热计算方法第三节炉内传热的相似理论计算方法第四节炉膛受热面的辐射特性第五节炉膛火焰黑度第六节火焰中心位置修正系数M第七节炉膛结构特征及其他参数第八节炉膛换热计算的修正方法第九节炉膛换热的其他计算方法第一节锅炉炉膛内传热的特点烟气侧：燃料与空气混合，着火、燃烧、产生高温烟气，与水冷壁进行热交换（辐射为主、对流为辅）。工质侧：管内工质流动，吸收烟气放热量（以对流换热为主）。在炉膛的出口将烟气冷却到合适的温度，（烟气进入密集对流管束，低于灰熔融温度，不结渣）。炉膛换热计算的主要任务（1）设计计算：已知炉膛出口温度，求受热面（数量和布置等）（2）校核计算：已知炉膛内布置的受热面，求出炉膛出口烟气温度。炉膛出口截面上的平均烟气温度是计算的核心第一节锅炉炉膛内传热的特点炉膛换热计算的主要困难炉膛结构复杂，火焰温度分布不均匀，火焰辐射特性不易确定（黑度），受热面污染对传热的影响程度，极难定量估计。基于纯数学方法描述物理化学过程的炉膛换热计算方法尚未工程实用，采用依赖大量经验数据的计算方法。第一节锅炉炉膛内传热的特点计算方法现状世界各锅炉制造商各种各样的计算方法，差别很大，基本思路：简化物理模型，依赖大量测试数据及总结的经验参数，辅助以先进数值计算，计算方法尚处于不断改进与完善中讲述我国推荐采用的工程计算方法。第一节锅炉炉膛内传热的特点炉膛内复杂换热过程简化——我国现行工程计算方法1．将炉膛内燃烧与传热过程分开考虑2．炉膛内换热以辐射换热方式进行3．炉内温度看作均匀，火焰辐射按平均火焰温度计算，4．炉膛受热面及火焰面均按灰体处理。基本物理模型：复杂的炉膛换热过程被简化为两个无限接近的灰体表面（具有不同的温度和黑度）间的辐射换热问题。第一节锅炉炉膛内传热的特点火焰面具有：平均火焰温度，黑度，面积，炉膛辐射壁面具有：平均壁面温度，黑度，面积第一节锅炉炉膛内传热的特点简化第九章锅炉炉膛换热计算第一节锅炉炉膛内传热的特点第二节炉膛辐射传热的基本方程和有效辐射热计算方法第三节炉内传热的相似理论计算方法第四节炉膛受热面的辐射特性第五节炉膛火焰黑度第六节火焰中心位置修正系数M第七节炉膛结构特征及其他参数第八节炉膛换热计算的修正方法第九节炉膛换热的其他计算方法炉膛传热的基本方程（1）高温烟气与辐射受热面间的辐射换热方程)(440bhylsfjTTFaQB)()(lapjlljfjTTcVBIQBQB第二节炉膛辐射传热的基本方程和有效辐射热计算方法（2）高温烟气在炉内放热的热平衡方程二者相等得到炉膛换热的基本方程:炉膛换热基本方程需再推导目的：将不易确定的参数替换为容易由实验和经验确定的参数。)()(440lapjbhylsTTcVBTTFa第二节炉膛辐射传热的基本方程和有效辐射热计算方法炉膛换热基本方程进一步推导引入水冷壁热有效系数（为简化左侧）)()(440lapjbhylsTTcVBTTFa投射到炉壁上的热量受热面的吸热量第二节炉膛辐射传热的基本方程和有效辐射热计算方法火焰的有效辐射根据传热学原理第二节炉膛辐射传热的基本方程和有效辐射热计算方法GEGEJbb)1(hyJbhhybhyJaEJ)1(,火焰有效辐射表达为，冷壁热有效系数也可以表述为：火焰的有效辐射热量换热量火焰和水冷壁间的辐射hybhyJJJ第二节炉膛辐射传热的基本方程和有效辐射热计算方法火焰与水冷壁间的辐射换热量为火焰与水冷壁的有效辐射热的差值，即，bhyfJJq火焰的本身辐射为：第二节炉膛辐射传热的基本方程和有效辐射热计算方法40,hyhyhybTaEhybJJ)1(hyhhybhyJaEJ)1)(1(,)1(40hyhyhyhyhyaaTaJ定义炉膛黑度:)1(hyhyhylaaaa40hylhyTaJ由上式得：于是：带入上式并整理得换热基本方程变化为)(40lapjhyllTTcVBTFababTla第二节炉膛辐射传热的基本方程和有效辐射热计算方法根据以上结果，炉膛内辐射换热量可表达为40hyllhylfjTFaJFQB引入炉膛黑度避免了确定与的困难。第九章锅炉炉膛换热计算第一节锅炉炉膛内传热的特点第二节炉膛辐射传热的基本方程和有效辐射热计算方法第三节炉内传热的相似理论计算方法第四节炉膛受热面的辐射特性第五节炉膛火焰黑度第六节火焰中心位置修正系数M第七节炉膛结构特征及其他参数第八节炉膛换热计算的修正方法第九节炉膛换热的其他计算方法我国常用的炉膛换热计算方法基于炉膛基本换热方程)(40lapjhyllTTcVBTFa第三节炉内传热的相似理论计算方法加上对火焰平均温度近似表述，应用相似理论得到炉膛换热计算的半经验关联式一、火焰平均温度的处理nalahyTTcTT)(allTTahyhyTTnlhyc第三节炉内传热的相似理论计算方法火焰平均温度在理论燃烧温度与炉膛出口烟温之间，与燃烧和传热过程有关由试验和经验数据总结得到：引入无量纲量：于是：炉膛换热基本方程的演化代入基本方程，得到pcjalloVBTFaB30),,(0cnaBfll010lnhylBca第三节炉内传热的相似理论计算方法玻耳兹曼特征数决定炉膛出口无量纲烟温的特征数炉膛出口无量纲烟温传热特征数方程—与燃料性质、燃烧方式、燃烧器布置的相对高度、炉内火焰温度平均值与绝热温度的关系等有关6.06.06..0oaoallBMBTTlM第三节炉内传热的相似理论计算方法炉膛出口烟气温度计算式是一隐函数，需要迭代计算（作业题）273llT2731)(6.030pjallacVBTFaMT第三节炉内传热的相似理论计算方法需要计算水冷壁的面积时353011laalcjlTTMTaVBFp第三节炉内传热的相似理论计算方法以下各节的目的和内容是确定计算式中的各参数的计算方法。详细均见锅炉热力计算标准（原苏联）规定。第三节炉内传热的相似理论计算方法第九章锅炉炉膛换热计算第一节锅炉炉膛内传热的特点第二节炉膛辐射传热的基本方程和有效辐射热计算方法第三节炉内传热的相似理论计算方法第四节炉膛受热面的辐射特性第五节炉膛火焰黑度第六节火焰中心位置修正系数M第七节炉膛结构特征及其他参数第八节炉膛换热计算的修正方法第九节炉膛换热的其他计算方法热有效系数投射到受热面上的热量受热面的吸热量投射到炉壁的热量投射到受热面的吸热量xx火焰的有效辐射量火焰和水冷壁间的换热第四节炉膛受热面的辐射特性沾污系数角系数关系第四节炉膛受热面的辐射特性热有效系数可以从实际运行的锅炉检测，角系数可以计算实际锅炉的设计提供了大量的沾污系数供积累和参考（查表）。第四节炉膛受热面的辐射特性燃料种类污垢系数光管水冷壁或膜式水冷壁气体燃料重油0.650.55煤粉炉无烟煤(飞灰可燃物含量12％)0.45贫煤(飞灰可燃物含量8％)烟煤和褐煤无烟煤(飞灰可燃物含量12％)贫煤(飞灰对燃物含量8％)0.35固态排渣炉覆盖耐火涂料的水冷壁所有燃料0.20固态排渣炉覆盖耐火砖的水冷壁所有燃料0.10水冷壁形式沾污系数的选取注：如水冷壁可有效吹灰，基本不结渣时，值可提高0.03~0.05。第九章锅炉炉膛换热计算第一节锅炉炉膛内传热的特点第二节炉膛辐射传热的基本方程和有效辐射热计算方法第三节炉内传热的相似理论计算方法第四节炉膛受热面的辐射特性第五节炉膛火焰黑度第六节火焰中心位置修正系数M第七节炉膛结构特征及其他参数第八节炉膛换热计算的修正方法第九节炉膛换热的其他计算方法一、火焰黑度火焰的简化（1）火焰作灰体处理，基尔霍夫定律：kpshyea1第五节炉膛火焰黑度（2）火焰温度均匀，用火焰平均温度表示；（3）火焰各处成分均匀；火焰黑度的计算，实质上是计算辐射减弱系数K，因此与火焰的成分有关。第五节炉膛火焰黑度第五节炉膛火焰黑度二、气体与液体燃料火焰黑度的计算炉膛平均火焰黑度qfghyammaa)1(发光火焰的黑度pskkfgqcea1三原子气体的黑度pskqqea1第五节炉膛火焰黑度三、煤粉火焰黑度的计算煤粉火焰的总减弱系数三原子气体的辐射减弱系数灰粒的减弱系数thqkkkknlqoHqrTsprk)100038.01(111.5556.22)/(14300322MPamdTkpjgh第五节炉膛火焰黑度三、煤粉火焰黑度的计算焦炭颗粒的减弱系数21xxkkjtt四、炉膛火焰辐射层厚度llFVs6.3第九章锅炉炉膛换热计算第一节锅炉炉膛内传热的特点第二节炉膛辐射传热的基本方程和有效辐射热计算方法第三节炉内传热的相似理论计算方法第四节炉膛受热面的辐射特性第五节炉膛火焰黑度第六节火焰中心位置修正系数M第七节炉膛结构特征及其他参数第八节炉膛换热计算的修正方法第九节炉膛换热的其他计算方法炉膛内火焰平均温度的假设与实际差别很大，尤其沿炉膛高度温度变化显著，对传热影响很大，系数M是考虑炉内火焰最高温度相对位置的重要修正系数，经验关联式：第六节火焰中心位置修正系数MM＝)(xxBAr第九章锅炉炉膛换热计算第一节锅炉炉膛内传热的特点第二节炉膛辐射传热的基本方程和有效辐射热计算方法第三节炉内传热的相似理论计算方法第四节炉膛受热面的辐射特性第五节炉膛火焰黑度第六节火焰中心位置修正系数M第七节炉膛结构特征及其他参数第八节炉膛换热计算的修正方法第九节炉膛换热的其他计算方法一、炉膛容积第七节炉膛结构特征及其他参数炉膛容积的确定方法二、炉壁面积第七节炉膛结构特征及其他参数炉壁面积按包覆炉膛容积的表面积计算。将炉壁的投影面作为火焰的辐射表面，也是炉壁受热面接受火焰辐射的表面积，称为炉壁面积F。对于炉膛内的双面曝光水冷壁及屏式受热面，应以边界管子中心线间的距离和曝光长度的乘积的两倍作为其相应的炉壁面积。炉膛容积中包含有辐射屏式受热面时，炉壁总面积等于下列面积之和：无屏区炉膛容积的炉壁面积、屏的面积和屏区的炉壁面积，同时还需要考虑某些炉壁的曝光不完全性。三、炉壁的有效辐射面积第七节炉膛结构特征及其他参数FxH),(dedsfx炉膛的总的有效辐射面积为：iixFH整个炉壁的平均角系数为iFHx四、炉膛的出口截面第七节炉膛结构特征及其他参数锅炉炉膛的出口截面的定义位置和炉型有关。通常中、小型锅炉的炉膛出口截面指凝渣管或锅炉管束的进口截面，大容量锅炉是指屏式过热器或屏式再热器的进口截面，前屏过热器被视为炉膛辐射受热面的一部分。炉膛出口截面的大小，一般应使烟气在出口截面上的平均流速在6m/s左右。五、输入炉膛的有效热量及绝热燃烧温度第七节炉膛结构特征及其他参数以输入炉膛的有效热量作为火焰的绝热燃烧焓，可以根据对应燃料的烟气温—焓关系确定理论燃烧温度，或称为绝热燃烧温度kgkJQQqqqQQwrkrl/)1001(463)/(,kgkJQiQQwrrnetarr00lkzflrkzfllkI)(I)(QkgkJIIQlkkwr/)(00六、燃烧产物的平均比热容第七节炉膛结构特征及其他参数KkgkJTTIQVclallp./七、炉膛受热面的平均热负荷及热负荷不均匀系数第七节炉膛结构特征及其他参数lFHHQq炉膛辐射受热面热负荷)IQ(BQlljF七、炉膛受热面的平均热负荷及热负荷不均匀系数第七节炉膛结构特征及其他参数热负荷不均匀系数定义为局部热负荷与平均热负荷的比值固态排渣煤粉炉沿炉膛高度热负荷分布不均匀系数