锅炉对流受热面计算

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
dp=0.150 mm
3
dp=0.063 mm
2.5 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
Ms (kg/kg)
2
1.5
dp=385 um dp=64 um
1
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Ms (Kg/Kg)
回转式空气预热器对流放热系数
引进系数A修正传热元件 的结构
公式分析
项目 横向
纵向
顺列
d
0.2CsCz

d
Re0.65 Pr0.33
d
0.023CtCl

d dl
Re 0.8 Pr 0.4
错列
d
CsCz

d
Re0.6
Pr0.33
单位：kW/m2C
(1) Re影响，顺列（0.65次方） 错列（0.6次方）； 定性尺寸；
(2) 错列Cs 顺列Cs，一般Re相近，故错列对流放热系数大；单位；
烟气侧对流放热系数d
概念
表征对流换热过程强弱的指标
影响因素
流体物性，流动状态，温度，管子布置结构，冲刷方 式，管壁温度等
数值获取
试验 + 相似理论整理
有关公式
Nu c Rem Prn
应用条件：顺列、错列管束，纵向冲刷
Re: 1,500 – 100,000
数量级
工质吸收热量
Qd

D（i'' i' ) Bj
kJ / kg
热平衡方程
QC Qg Qd kJ / kg
受热面传热量Qc
QC

KHt Bj
kJ / kg
K：传热系数，W/m2℃ H：受热面传热面积，m2 t：传热温差，℃ Bj：计算投煤量
烟气放出热量Qg
Qg (I ' I " Il0f ) kJ / kg
D（i'' i' ) Bj
Qf
kJ / kg
热平衡方程
QC Qg Qd kJ / kg
D(i'' Bj
i'
)

Qf

kHt Bj
(I ' I " Il0f )
未知
未知 未知 未知
kJ / kg
未知变量之间主要与烟气进出口温度和 工质进出口温度有关
关系复杂，很难直接求解
壳壁灰体（不是黑体，Ab=ab）
Ty > Tb
ay Ay 必须计入外壳对气体辐射的多次反射，气体多次吸收，复杂，
不过复杂的计算并 不完全必要。
辐射放热系数af（近似求解）
令ags – 为壳壁的计入多次反射吸收的有效黑 度，假设一次吸收
则壳壁与烟气间的辐射传热 Q 0agsayTy4H 0ags AyTb4H 0ags (ayTy4 AyTb4 )H
以对流方式计算的 半辐射式屏 -大屏过热器 -后屏过热器
对流换热计算要点
热量平衡：
输入热（烟气放热，焓降）=输出热
换热方程： Q KFt(平均温压，算术、对数)
(a) 换热系数 (b) 温压 (c) 面积
K
1
1

1
1 2
受热面外对流换热系数
1 d f d : Nu c Rem Prn
t”
t’ 工质
BjVy Nm3/hr
‘
烟气
“
受热面
传热计算基本方程
受热面传热量 烟气放出热量
KHt QC B j
kJ / kg
传热系数K(kW/m2C) 温压为1C时，每m2 受热面积的传热量， 反映传热过程的强弱 程度
Qg (I ' I " Il0f ) kJ / kg
Pr在0.6-120之间 线算图参见课本355
烟道当量直径ddl
园管内流动为管内径
d
非圆形通道则为
ddl=4F(流通截面积)/U(湿周)
a
d dl

4F U

4
ab

n
d
4
2

2(a b) nd
b
计算公式汇总
项目
顺列
横向
d
0.2CsCz

d
Re0.65 Pr0.33
错列
d
CsCz

d
Re0.6
Pr0.33
纵向
d
0.023CtCl

d dl
Re 0.8 Pr 0.4
单位：kW/m2C
Re; Pr; d:定性尺寸，取管子外径,m； :平均温度下烟气导热系数,kW/mC； :平均温度下烟气动力粘性系数,Pas；:平均温度下烟气运动粘度, =/,m2/s； :平均温度下烟气密度,kg/m3；Cp:平均温度下烟气定压比热,kJ/kgC

s' H 's" H"... H 'H"...

变管径：
d pj

H1 H2 ... H1 d1 H2 d2 ...
变布置（错、顺） 混合布置（小于85%）：
d
cHc
Hc
sHs
Hs
特殊结构布置时的对流放热系数
横、纵向混合冲刷： 分别按横向或纵向计
烟气或蒸汽在管内流动换热
d

0.023CtCl

d dl
Re 0.8
Pr 0.4
当量直径
Ct:考虑管壁温度对 Cl:相对长度修正系数，考虑入口段
流体物性影响的 温度修正系数；
的的影响，当l/d<50时才考虑
管内为烟气且被冷却为 1
管内为空气时 =(T/Tb)0.5
在Re为104~5X105之间
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
对流放热系数数量级举例
项目
顺列
错列
横向
50.4 W/m2C
d
0.2CsCz

d
Re0.65
Pr0.33
55.8 W/m2C
d
CsCz

d

烟气辐射被金属 壳壁所吸收部分
烟气吸收金属壳壁的辐射
辐射放热系数af（近似求解）
1>ags>ab（金属黑度）
ags – 考虑多次反射、吸收，1>ags>ab
一般金属ab=0.8, 故有： 1>ags>0.8
令：
a 1ab
gs
2
（误差小）
ay Ay （即假定气体是灰体）
一般采用叠代方法求解
传热计算中有关参数的计算
传热系数K 传热温差t 受热面面积的计算
15.3.1 传热系数K – 基础
（1）计算要求 （2）传热系数公式 （3）其他计算方法
计算要求
传热理论与工程实际结合 对复杂的传热过程进行相应的简化假设，
如简单认为：对流 + 辐射相互独立，传 热系数可以认为两者之和 结构、运行参数考虑
(3) 横向冲刷时，d减小，对流放热系数增大；
(4) 纵向管排数 10，Cz=1。
(5) 定性尺寸，当量直径 ddl=4F(流通截面积)/U(湿周)
使用范围； 线算图
计算方法的问题
-没有考虑灰颗粒对对流换热的影响
1.1
Nus/Nua Nus/Nua
1.05
1
0.95 0
3.5
dp=0.385 mm
算然后平均
K KhHh KzHz Hh Hz
横向流通截面或纵向流通截面的确定
特殊结构布置时的对流放热系数
斜向冲刷： 流通截面Fa（图15-7）， 顺列管束 角<80，乘1.07修正 错列管束不修正
特殊结构布置时的对流放热系数
变截面的情况
Fpj

2F' F'' F ' F ' '
依据实际情况进行修 正
Cw考虑烟气温度和
成分的修正
0
a
管外径
烟气速度
参见课本350－351
Cs,Cz,Cw的线算图
Cs
S1/d
Cz
纵向排数
S2/d Cw
烟气中 rH2o
温度
横向冲刷错列管束的对流放热系数d
d
CsCz

d
Re0.6 Pr0.33
线算图参见课本352－353
纵向冲刷的对流放热系数d
管径、节距、排列 冲刷均匀性、结垢、积灰
不同类型和功能受热面，修正
传热过程及传热系数计算
1 d f
灰层
烟气热量
金属管壁
水垢
2
工质
h h m m g g
灰层热阻，
K
1
1
h m g
1
，
W /(m2 oC)
1 h m g 2
保热系数 进口烟气焓 出口烟气焓 漏风焓
漏风焓按环境温度计算 空气预热器，如漏的是热风，则按进
出口空气温度的平均温度计算
工质吸收热量Qd
出口工质焓
工质流量
进口工质焓
D（i'' i' )
Qd
Bj
kJ / kg
对同时接受炉膛辐射的受热面，其来 自烟气的热量应减去来自炉膛辐射热
Qd

污染系数/热有效系数
对流受热面传热系数计算
K
1
1
h m g
1
，
W /(m2 oC)
1 h m g 2
金属导热系数很大，锅 炉钢在40W/mK 如厚度为5mm，则为 0.005/40这部分的热阻 可以忽略
现代锅炉的水处理要 求高，一般不允许有 结垢，否则超温，所 以也可以忽略。
则计算式变换为：
4
Q


0
1
ab 2
a
yTy4[1


Tb Ty

]H
辐射放热系数af（近似求解）

壳体与烟气间辐射传热
Q


0
1
ab 2
a
yTy4[1


Tb Ty
4

]H

对于对流受热面
公式分析
横向冲刷顺列管束的对流放热系数d
纵向排数的修正 烟气导热系数
d
0.2CsCz

d
Re0.65 Pr0.33
管束的几何布置 修正系数（s1/d,s2/d)
定性尺寸 管子外径
烟气速度
动力粘度
Re＝ wd

运动粘度
Pr Cp
对流换热系数的线算图法
预先制成线算图
d 0CsCzCw
Re=1000 – 10000

d

ACt Cl

d dl
Re 0.8
Pr 0.4
烟气流通截面F
F 0.785Dn2xy KyjKgb m2
空气流通截面f
f 0.785Dn2xk KyjKgb m2
特殊结构布置时的对流放热系数
当受热面结构参数是变化时，一般取平均值

变管节距：s pj
准则数
Cs(管束布置)，Cz(管束排数)，Ca(气流对管束冲刷角)
参数c, m, n
n: 0.33-0.36 m: s1/d, s2/d, 确定管束, Cs修正 c: 冲刷角，管束，Cs
课本343页表15-1
注：烟气中含飞灰浓度较大时（如CFB，劣质煤PC）需计 及颗粒部分
准则数
对流受热面传热系数计算
K
1
1
h
1
，
W /(m2 oC)
1 h 2
K
1
， W /(m2 oC)
1 1
1
2
需要考虑：
-烟气侧的换热系数a1， -工质侧对流换热系数a2， -以及灰层的热阻
烟气侧换热系数1 （目前热力计算方法）
由对流放热系数和辐射放热系数组成
1 d f
努谢尔特数：Nu d
对流换热/导热的比值，

雷诺准则：
响
Re wd

惯性力/粘滞力，流动状态对换热影
普朗特准则： Pr cp a
运动粘度/热扩散率 动量扩散/热量扩散 流体物性对换热影响
15.2 对流受热面的传热计算
（1）传热计算基本方程
（2）传热计算方法