锅炉原理：第三章 蒸发受热面

锅炉蒸发设备的任务是利用炉膛高温火焰的辐射热加热经省煤器预热后的给水，使水在水冷壁中汽化，从而产生一定数量和品质的饱和蒸汽，送入过热器系统继续加热。

锅炉蒸发设备主要由汽包、下降管、水冷壁、联箱及其连接管道组成。

工质在由这些蒸发设备组成的闭合回路中流动，叫做水循环。

Rankine cycle
Brayton cycle
在近代动力锅炉中，炉墙上均敷设了水冷壁。

¾中压锅炉的水冷壁是蒸发受热面。

¾高压和超高压锅炉的水冷壁主要是蒸发受热面，但炉膛顶部常布置辐射过热器。

¾直流锅炉中，一部分水冷壁用作加热受热面和过热受热面，但水冷壁仍然主要是蒸发受热面。

¾在超临界压力直流锅炉中，水冷壁是加热水和过热蒸汽。

因此在低于临界压力的各种动力锅炉中，蒸发受热面一般指炉膛水冷壁，传热方式主要是辐射传热。

蒸发受热面
炉膛水冷壁——辐射传热 凝渣管束——对流传热 锅炉管束——对流传热
构
水冷壁的三种类型：
光管水冷壁
销钉式水冷壁
膜式水冷壁
焊接的膜式水冷壁、轧制的膜式水冷壁
在中小容量锅炉上用得比较广泛的是光管水冷壁。

一般贴近炉膛四壁，互相平行地垂直布置，上部与锅筒或上集箱连接，下部与下集箱相连。

水冷壁布置的紧密程度以管间节距s 与管子外径d 的比值(s/d)来表示。

当s/d 增大，即布置较稀时，管子背面受到炉墙发射的热量较多，金属的利用率较高，但对炉墙的保护作用较差。

当s/d 减小，即布置较密时，金属的利用率较差，但对炉墙的保护作用较好。

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ππ
膜式水冷壁
炉膛由左右前后四
面墙、总共1040根
水冷壁管(φ51x5.6、
φ51x6.5)组成。

宽度为17145mm，
深度为17138mm。

2045t/h 锅炉水冷壁布置示意图
膜式水冷壁能保证炉膛具有良好的密封性，对于负压炉膛，可以显著降低炉膛的漏风系数，改善炉内燃烧工况。

能使有效辐射受热面积增加，从而降低钢耗。

对炉墙的保护最为彻底，采用敷管式炉墙，只要保温材料而不需耐火材料，这不但可大大减轻炉墙重量，又可减少钢架的金属耗量，而且便于采用悬吊结构。

由于炉膛密封性好，可降低排烟热损失，提高热效率。

由于蓄热能力小，炉膛燃烧室升温快冷却亦快，可缩短启动和停炉时间。

可增加管子刚性，若偶然燃烧不正常而发生事故，膜式水冷壁可承受冲击压力，不致引起破坏。

在工厂可成片预制，大大减少了现场安装工作量。

¾制造工艺较复杂。

¾不允许两相邻管子的金属温度差超过50℃。

¾因要把水冷壁系统制成整体焊接的悬吊框式结构，设计膜式水冷壁时必须保证有足够的膨胀延伸自由。

¾还应保证人孔、检查孔、看火孔以及管子横穿水冷壁等处有绝对的密封性。

较大的锅炉常做成平炉顶。

为了提高炉膛充满度及改善屏式过热器或对流过热器中烟气冲刷的条件，炉膛后墙水冷壁上部接近炉膛出口处设有折焰角。

作用：
增加了水平连接烟道的长度，并空出了凝渣管束的位置，可以在不增加锅炉深度的情况下布置更多的过热器受热面，通常这个部位用以布置屏式过热器。

改善烟气流冲刷屏式过热器的空气动力特性，增加横向冲刷的作用，增长烟气流程，加强烟气混合，使烟气流沿着烟道高度分布趋于均匀。

小容量工业锅炉
集箱的办法固定，热膨胀向上进行。

对于电站锅炉水冷壁常用悬吊住上集箱的办法来固定，而让其自由向下膨胀。

水冷壁管的上集箱固定在支架上，下集箱则由水冷壁悬挂着。

水冷壁管自身吊拉件限制其水平方向的移动，
滑动。

汽包的作用：
汽包是加热、蒸发、过热三个过程的连接点。

接受从省煤器来的锅炉给水，向水冷壁输送饱和水，并且给过热器供应饱和蒸汽。

汽包具有一定的储热能力。

在锅炉工况变动时，可以延缓汽压的变化速度，有利于锅炉运行的调节。

汽包中安装有汽水分离和连续排污装置，可以净化蒸汽及提高蒸汽品质。

汽包上安装有压力表、水位计、事故放水门、安全阀等附属设备，用来监测汽包压力和汽包水位，以保证锅炉安全运行。

汽包的结构
汽包是由钢板制成的长圆筒型压力容器，由筒身和两端的半球形封头组成。

为了保证汽包能自由膨胀，汽包一般采用吊箍悬吊在炉顶大梁上。

汽包的尺寸和材料与锅炉的容量、参数及内部装置的型式等因素有关。

汽包的长度应适合锅炉的容量、宽度和连接管子的要求；汽包的内径由锅炉的容量、汽水分离装置的布置要求来决定；汽包的壁厚由锅炉的压力、汽包的直径与结构以及钢材的强度来决定。

高压以上锅炉的汽包内径一般不超过1600~1800mm，相应壁厚为80~150mm。

使用强度较高的低合金钢，如15MnMoNi、
18MnMoVNb和BHW35等。

汽包内部采用合理的结构布置，可减少锅炉起停和变工况运行时汽包产生的热应力，汽包壁厚可相应减小。

汽包内部还有许多净化蒸汽的装置，主要由旋风分离器、百叶窗波形板分离器、顶部多孔板等汽水分离元件，有效地降低饱和蒸汽的湿度，提高蒸汽的品质。

亚临界压力强制循环锅炉汽包截面示意图
最常见的锅炉管束的结构如右图所示。

它用上下两个锅筒，中间由许多管子连接起来组成。

管子与锅筒之间用胀接或焊接。

管子本身常采用行列布置。

通常多采用直径为51mm的管子，横向节距和纵向节距在100～95mm之间。

管子中的水和汽水混合物自然循环流动。

通常烟温低处的管子是下降管，烟温高处的管子是上升管，上升管和下降管并无明显和固定的界线，好在烟温相对较低，一般并不因此而引起事故。

锅炉管束中管子较多，若管束中间有根管子损坏（通常多是因腐蚀而损坏），修理十分困难，只能在锅筒中把管子两头堵住焊起来。

这是这种结构的一大缺点。

现代的锅炉管束都尽量设计成烟气横向冲刷管束，通常为了保证管束中烟气流速恰当，必须在管束中用耐火砖或铸铁板将烟道分隔成几个烟气流程。

为了便于将耐火砖或铸铁板放入管束中，管束采用行列布置。

凝渣管束
Π”型布置的锅炉，炉膛后墙水冷壁总要穿过炉膛出口的烟道。

后墙的水冷壁管子节距较小，如穿过炉膛出口烟道，尤其是对于炉膛出口温度较高的燃煤锅炉，势必在这排管子上严重结渣。

对于压力低于9.8MPa的锅炉，炉膛吸热量小于或等于蒸发所需的热量，此时后墙水冷壁在炉膛出口处拉开其节距，形成几排管子，这样形成的对流蒸发受热面，称为凝渣管束。

对于压力大于或等于9.8MPa的锅炉，炉膛辐射时吸热量大于锅炉工质蒸发所需的热量，此时不再需要更多的的对流蒸发受热面。

一般不采用凝渣管束的结构，而以在炉膛出口的屏式过热器来代替。

通常后水冷壁上集箱布置在折焰角处，用一排直径较粗的管子穿过炉膛出口，其节距也较大，进入顶部集箱。

此时凝渣管束退化为一排凝渣管排。

当然它也吸收一部分对流热量，但其更主要的作用是悬吊后水冷壁和引出后水冷壁中的汽水混合物。

管带数，与锅炉的容量有关。

为了使流动阻力不致太大，每根管圈内的流速在保证水动力稳定及不发生汽水分层等的前提下不宜过高。

对于容量大的锅炉，辐射受热面平行联接的管子数目就要多些。

如果用单回路管带，则管带宽度太宽，管子之间的热偏差较大，容量较大的锅炉宜用双回路管带，或四回路管带。

管径水冷壁的管径一般为φ25～50mm。

管径的选择主要考虑金属使用的经济性及工作可靠性。

从经济性角度来看，采用小管径是合理的。

但保证了质量流速在一定范围后，如采用过小的管径，将使管带宽度增加，对减少热偏差是不利的。

水冷壁的节距与管径之比s/d一般较小，光管水冷壁约1.05～1.2，除了可保护炉墙外，还便于受热面的固定。

400-l40型直流锅炉的辐射受热面分下、中、上三段，即下、中、上辐射区。

分段后每一段的焓增较少。

并增加了中间混合集箱，所以可减少平行连接管子之间的热偏差。

1.下辐射区
炉膛的下辐射区是锅炉的加热和蒸发区域，对于双管带布置（即分成两个独立的回路）：在冷灰斗下部的两侧墙各有一个进口集箱，这两个集箱上分别由42根引出管，并以倾斜角9°42′的斜管带先分别在冷灰斗中单独围绕，当绕出冷灰斗后，两个管带分别在左右侧墙以倾斜角11 °36 ′的角度向同一方向围绕。

一个管带的围绕次序是：左侧墙（倾斜）→后墙（水平）→右侧墙（倾斜）→前墙（水平），再回复到右侧墙。

这两个管带相间地连续盘绕上升，分别在两个侧墙引至下辐射区出口集箱。

由左侧墙引入的管带出口集箱在右侧墙；由右侧墙引入的管带，出口集箱在左侧墙。

为了获得双相流体区域水动力的稳定性，下辐射区管圈的管径成逐级放大布置。

进口集箱的引出管开始用φ32×4的管子，绕出灰斗后，两个管带分别在前后墙转角附近将管径放大至φ38×4（由于布置燃烧器的关系，还用了
φ38×4的鳍片管），共绕了二圈，接着是φ42×5的光管绕了二圈左右，此后一直到下辐射区出口用了φ51×6的管子，绕二圈左右。

在下辐射区进口集箱上引出的φ32×4的各并联管子入口，装有φ9mm的节流圈。