电厂锅炉原理-半辐射和对流受热面换热计算

锅炉热力计算
对流受热面的计算
第一节 对流受热面传热特点 第二节 对流受热面的传热计算 第三节 传热系数 第四节 温压计算 第五节 受热面布置和计算
15.1 对流受热面的传热特点
烟气 受热面 （1）传热方式 （2）对流受热面间的传热方式 （3）锅炉中以对流为主的受热面 （4）对流换热计算要点 （5）受热面外的对流换热系数
传热方式
烟气
对流
共存
辐射
CO2, H2O, SO2 三原子
受热面
主要对流（温度低，辐射小）
主要对流，所以按对流换热计算
对流受热面间传热方式
壁面导热 对流
对流+（辐射）
锅炉中以对流为主的受热面
凝渣管束（锅炉出口大间
距，不易结渣，降低渣温）
锅炉管束 对流过热器 再热器 省煤器 空气预热器
Fpj

H1 H2 H1 H2
F1 F2
辐射放热系数af
概念
烟气容积 ---- 受热面 近似认为气体层和包围它的壳壁之间的辐射传热问题
辐射传热量（假设壳壁为黑体）

Q 0 (ayTy4 AyTb4 )H
实际： 烟气黑度 烟气对壳壁辐射的吸收率
Re0.6
Pr0.33
纵向
18.7 W/m2C l/d>50
d
0.023CtCl

d dl
Re 0.8 Pr 0.4
Wy=6 m/s, d=51 mm, s1/d=2.5, s2/d=2.0, Z2=20, py=600 C Cs:管束几何布置方式的修正系数； Cz:烟气行程方向上管子排数的修正系数； Ct:考虑管壁温度对流体物性影响的温度修正系数； Cl:相对长度修正系数

喷水减温器热量平衡相关计算 D, i jw ' Dh , iq
过热器 "
Dq , iq
' " 喷水减温器 i jw iq iq
过热器
热量平衡：
' D(iq i jws ) Dq i jw
减温水量计算
D Dh Dq Dq
i jw iq i jws
'
第五节 对流受热面传热计算方法说明
迭代计算过程
先假定其中一种介质的终温，按热平衡方程式求出受 热面的吸热量并计算出另一种介质的终温，传热系数和 温压，按传热方程式计算受热面的吸热量，后校核传热 方程计算的热量是否等于热平衡方程计算的烟气放热量 或工质吸收的热量。不满足则重新假定终温后再行计算， 直至热量之差不超过2%
第五节 对流受热面传热计算方法说明
k
第一节 对流传热计算的基本公式
迭代计算过程
先假定其中一种介质的终温，按热平衡方程式求出
受热面的吸热量并计算出另一种介质的终温，计算传热
系数和温压，按传热方程式计算受热面的吸热量。 传热方程计算的热量应该等于热平衡方程计算的烟 气放热量或工质吸收的热量否则重新假定终温后再行计 算，直至热量之差不超过2%
1
K 1 1 1
引入灰污系数
h 1 1h h 1
1
K K0
1

2
引入热有效系数
K
1 1 1 1 2
烟气侧对流放热系数
1 d f
第三节 传热系数
不同受热面的传热系数实用表达式 1．对流式过热器和再热器受热面 当燃用固体燃料、管束为错列布置时，
上的平均流速。
定性温度一般取为流体进出口截面上的温度的算 术平均值。

分析与说明： 分析与说明：
（1） K ≠ K
'
即理论上传热系数的数值与计算面积有关。于是传热
量的数值也计算面积有关。所以在传热计算时必须搞清二者的关系。
（2） 由于一般锅炉的工质经过严格水处理及运行的煮炉情况， 水垢较少或无水垢，即
δ ⇒ 0 ， d 3 = d 4 = d n （管内径）
δm （3）由于金属的导热系数较大，金属的热阻可忽略不计，即 ⇒0。 λm
q f = a yσ 0T a gs − a gsσ T a y = a y a gsσ 0 T − T
4 y 4 0 hb 4 y
(
4 hb
)
而
q
f
=α
f
(T
y
− T hb
)
N e w to n 冷 却 公 式
αf =
σ y a gsσ 0 (T − T
4 y
4 hb
)
T y − Thb
Thb 1− y 3 = a y a gsσ 0T y Thb T y
同样可得到按垢层内表面为计算基础的传热系数
K'
K =
'
1 1 d4 δ h + α 1 d 0 λh d4 δ m + d λ m 1 d4 δ g + d λ g 2 d4 1 + d α 2 3
4
当燃用气体和液体燃料时，烟气为不含灰气流， 当燃用气体和液体燃料时 ， 烟气为不含灰气流 ， 有效辐射成分仅是三原子气体，此时， 有效辐射成分仅是三原子气体，此时，烟气的吸 收率不等于黑度，即烟气不能作为灰体来处理。 收率不等于黑度，即烟气不能作为灰体来处理。

Dv pj f
HIT

7.3 对流放热系数
面积的确定：
（1）介质横向冲刷光滑管束 （2）介质纵向冲刷受热面 若介质在管内流动 若介质在管间流动
A = ab − n1ld π d n2
A=n 4
F = ab − n
πd
4
2 n
（3）阶梯形通道
A1 + A2 + A3 + L Apj = A3 A3 A1 + + +L Ay1 Ay 2 Ay 3
Hc + Hs
αhHh +αs Hs
Hh + Hs
HIT

7.3 对流放热系数
影响 α d 的一些参数的确定 烟气流速:
ωy =
ωk =
B jVy (θ pj + 273) 273 Ay
B j β V 0 (t pj + 273) 273 Ak
空气流速:
水、蒸汽流速：
ω=
0.07 0.25 Tqs lqs α ′f = α f 1 + A 1000 l gs

HIT
7.4.3 烟气黑度、管壁温度计算 烟气黑度、 烟气黑度
ay = 1 − e

HIT
7.2 传热系数
(3)屏式过热器
1 Qf
K=
1 1 + (1 + )(ε + ) a1 Qd a2
α 1 = ξ (α d
πd
2S 2 x p
+α f )

HIT
7.2 传热系数
(4)空气预热器 管 式
k=
ξ

行补偿。把壁面黑度取为实测灰污壁面黑度2与绝对黑体的黑度之间的平 均值即，(2 +1)/20.9，这样，
q R 0 .910 (T 1 4 T 2 4 ) ( 1 5 0)0
• 烟气辐射放热系数（适合于含灰气流）
r T 1 q R T 2 0 .9 10 T 1 3 1 1 ( ( T T 2 2 //T T 1 1 ) ) 3 k/W m (2 C ) ( 1 5 0 )1
N u C R0.8 eP0.4 r
(1 0 4)9
C取决于蓄热板的型式。
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12
第四节 放热系数
中国 • 南京
四、辐射放热系数
烟气和灰污壁面之间的热交换qR，应为多次吸收和反射的结 果。为简化 起见，仅考虑一次吸收的能量，但用加大壁面黑度的办法来对多次吸收进
d2
鳍片管和肋(T片 1高管时)，分别乘系 0.4和 数0.25. 烟气在管内纵向冲S刷0.9di (1057)
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第四节 放热系数
中国 • 南京
• 灰污表面温度 对墙式受热面和对流过热器
T 2 (t 2) 7 ( 31 2 )B c( a Q H cl Q r) K ( 1 5 0 )8
忽略金属管壁的热阻和不计管内结垢
(1 0 1)8
K 1 ;
1112
污染 系 a as sh h 数(1 01)9
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第三节 传热系数
中国 • 南京
– 燃用固体燃料时，错列布置的横向冲刷光管管束（可用于省煤器），

蒸汽侧进口焓值i'
水蒸汽压力
蒸汽侧进口温度t’
传热温压
烟气和工质 进出口温度
对流放热系数 辐射放热系数
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第三节
对流受热面传热计算
能量平衡
5. 特殊问题
（1）带喷水减温的过热器
' D2i2 Dis i1'' D2 D
D1i1'' Dis D2i2 '
D1 D D2
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第二节
炉膛传热计算
ka：辐射减弱系数（1/（m· MPa））
p：炉膛内压力（0.1MPa）
s：辐射层有效厚度（m）
含义：表征炉内高温介质的辐射能力
syn 1 e k 表达：
气体
a ps
三原子气体：CO2、H2O、SO2等 二原子气体：N2、O2、H2等 燃煤 灰分颗粒 焦炭颗粒
31
第三节
对流受热面传热计算
没有布置受热面或只在壁面布置包覆受热面
（4）转向室
空间尺寸较大，只考虑烟气辐射 误差10%
漏风系数确定
（5）空气预热器 暖风器进口温度确定 热风再循环进口温度确定
32
θeco2'
第三节
对流受热面传热计算 '
teco2
'' 高温级省煤器 teco2
（6）尾部受热面双级布置
第十一章
锅炉热力计算
1
第一节
概述
辅助计算 结构计算
物质平衡 能量平衡 受热面积
热力计算
热平衡计算 锅炉计算 水力计算 强度计算
流通面积
受热面热平衡 工质和烟气进出口温度
传热计算：受热面传热量 燃烧产物

表示锅炉的热量利用率，即锅炉 输出的有效热量与输入的总热量
的比值。
温度差
传热过程中，传热面两侧的温度 差越大，传热量越大，传热效率
越高。
传热效率的影响因素
传热面积
传热面积越大，传热量越大，传热效率越高。
传热介质
不同传热介质的导热性能不同，对传热效率有直 接影响。
传热温差
传热过程中，传热面两侧的温差越大，传热量越 大，传热效率越高。
对流受热面传热计算的主要目的是确定受热面的传热量，从而确定受热面的设计和 选型。
传热过程的数学描述
对流受热面传热的数学描述通常使用 传热学的基本方程，如能量守恒方程、 动量守恒方程和传热方程。
求解这些方程组需要使用数值计算方 法，如有限差分法、有限元法和有限 体积法等。
这些方程组描述了流体流动、传热和 化学反应等物理和化学过程，通过求 解这些方程组可以得到受热面的温度 分布、传热量等参数。
核反应堆的热工水力学分析
根据反应堆运行工况和安全要求，进行反应堆的热工水力学分析和 安全评价。
建筑物的采暖和通风设计
根据建筑物的功能和气候条件，进行采暖和通风系统的设计和优化。
04
对流受热面的传热效率与 优化
传热效率的评估指标
传热系数
表示单位时间内单位面积的传热 量，是评估传热效率的重要参数。
热效率
传热过程的物理模型
对流受热面传热的物理模型包括流动模型和传热模型。流动模型描述流 体在受热面上的流动特性，如层流和湍流；传热模型描述热量在受热面 上的传递特性，如导热和对流。
根据不同的实际情况，可以选择不同的流动模型和传热模型进行组合， 以更好地描述实际的传热过程。
在进行对流受热面传热计算时，需要综合考虑流动和传热的相互影响， 以获得更准确的计算结果。

Q
Bj
Ql

I
'' l
—保温系数， 1 q5 q5
B j —计算燃料消耗量 若烟气在Tll 和Tl" 温度之间的比热容量，
可以用某一平均值VCPj 表示，最后得到：
Q B jVC pj Tll Tl''
2．辐射换热方程式 ① 直接计算辐射换热量，Stephan-Boltzmann 把火焰和炉壁看成两个无限大的平行平面，则
Q axt Fl 0 Th4y Tb4
axt
—系统黑度 ,
axt
1
1 1 1
ahy ab
Thy , Tb 火焰炉壁的平均温度
F ahy , ab —火焰炉壁的黑度; l —炉壁面积

② 根据有效辐射计算换热量 如果火焰对炉壁的有效辐射为 q yx1 ，炉壁对火焰 的有效辐射为 q yx2 ，则单位面积上火焰和炉壁间的 换热量为 q yx1 q yx2 。该热量与火焰对炉壁的有效辐
③火焰与烟气温度在其行程上变化剧烈 对于一般的煤粉炉
原因： 火焰根部，燃料燃烧生成 的热量大于辐射传热量， 火焰温度升高。 火焰继续上升，可燃物逐 渐燃烬，燃烧生成的热量 小于辐射传热量，因而， 火焰温度下降。 于是，存在一点在该点火 焰温度最高，称该点火焰 中心。
④火焰在炉膛内的换热是一种容积辐射。 辐射换热量与整个炉膛的形状和尺寸等有 关。容积越大，炉内换热器量越多，炉膛 出口烟气温度越低。反之炉膛内换热量越 小，炉膛出口烟气温度越高。 ⑤运行因素影响炉内传热过程，例如，运 行过程中，污染发生，污染后的受热面表 面温度升高，导致炉膛换热量降低。
二维模型：适用于轴对称的圆柱型炉膛。

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一、鍋爐傳熱計算的類型和方法
• 兩種計算依據相同的傳熱原理，公式和圖表都是相同 的，僅在於計算任務和所求數據不同。
• 設計計算時，對各部件的計算，由於計算上的方便， 也往往采用校核計算的方法。
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一、鍋爐傳熱計算的類型和方法
• 設計計算的已知條件為： ① 所擬定的燃燒設備的型式和整體布置資料； ② 燃料特性，包括燃料的元素分析、低位發熱量、灰 的成分分析、灰熔融溫度和灰渣的溫度特性； ③ 當采用煤粉燃燒方式時，應給出煤粉製備系統的計 算數據，包括：煤粉空氣混合物的總量、一次空氣 量、為乾燥燃料而抽取的煙氣量、煤粉製備系統的 漏風量等；
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二、輻射受熱面的傳熱計算
3、爐膛傳熱計算基本假設和物理模型
3.1 基本假設 • 爐內傳熱只考慮輻射換熱，忽略對流傳熱； • 零維模型假設：爐內各物理量如煙溫，火焰溫度，受 熱面壁溫等都是均勻的，火焰輻射按平均火焰溫度計 算。計算得到的結果也是平均值，如平均爐膛出口煙 溫，平均受熱面熱負荷等； • 把水冷壁看作平面並當作火焰的輻射表面，同時也是 水冷壁接受火焰輻射的面積。 • 爐內高溫火焰與四周爐膛水冷壁的熱交換假設為兩個 無限大平行灰體表面間的輻射熱交換。
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目錄
1 鍋爐傳熱計算的類型和方法 2 輻射受熱面的傳熱計算 3 對流受熱面的傳熱計算 4 屏式受熱面的傳熱計算
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二、輻射受熱面的傳熱計算
內容 1、爐膛傳熱過程及特點 2、爐膛傳熱計算方法 3、爐膛傳熱計算基本假設和物理模型 4、爐膛傳熱計算基本公式 5、爐膛傳熱計算的相似理論法 6、爐膛傳熱計算準則方程中參數的確定 7、爐膛出口煙溫及其影響因素 8、爐膛傳熱計算步驟 9、爐膛傳熱計算方法存在的問題