电站锅炉_第九章

炉内辐射传热的基本方程式
高温烟气（火焰）和水冷壁之间的辐射换热量应等于炉内烟气的放热量
al0 pj FlT14 BjVCpj (Ta Tl)
kW
炉内传热计算的相似理论方法
炉内传热计算方法
炉内燃烧和传热复杂，辐射传热难以用纯理论方法进行计算
大多数计算方法是应用相似理论原理，建立炉内各物理量之间的关 系，并根据试验数据引进一些系数，得出半经验公式进行计算，即根 据相似理论将炉内传热的基本方程式变换为无因次相似准则方程式
炉膛出口烟气温度计算式
Tl
M

Ta
al 0 pj FlTa3 B jVC pj
0.6

1
K
炉膛黑度
炉膛黑度
为了进行炉膛热力计算引进的对应火 焰有效辐射的假想黑度，用以反映火焰 与水冷壁受热面之间辐射热交换的关系。
室燃炉炉膛黑度与火焰黑度 及热有效 系数有关
热有效系数 i i xi
整个炉墙，应采用平均热有效系数

pj

i Fi
Fl
炉内传热基本方程式
火焰和水冷壁之间的辐射交换公式
Qf al0 pjFlT14
kW
理论(绝热)燃烧温度 Ta
假设1kg计算燃料在炉内完全燃烧产生的有效热量全部用于加热燃 烧产物而不与炉壁发生热交换。在这种绝热状态下，燃烧产物所能达 到的最高温度
炉 膛 有 效 容 积 示 意 图
炉膛水冷壁面积
水冷壁面积计算
水冷壁的面积（布置水冷壁的炉墙面积），等于该水冷壁边界管 子中心线之间的距离 与水冷壁管子的曝光长度的乘积
F bl
m2
炉内总辐射受热面积：
H (Fx)
m2
x—水冷壁的角系数。
炉膛水冷壁角系数
水冷壁角系数
表示火焰投射到炉壁上的热量落在水冷壁上的份额
锅炉原理 课件
第九章 炉膛传热计算
炉内传热基本方程式 炉内传热计算的相似理论方法 炉膛黑度 炉膛水冷壁的面积及角系数 炉膛热负荷分配
炉内传热计算的目的
炉内传热特性
燃料燃烧放热，火焰温度升高，在火焰中心区，达1500~1600摄氏度 高温烟气以辐射和对流方式将热量传给受热面（水冷壁及过热器， 灰垢），加热其中工质，福热传热量占95% 炉膛出口处烟气被冷却到一定的温度
火焰中四种具有辐射能力的成分
三原子气体: 三原子气体辐射和吸收带有选择性 焦炭颗粒: 煤粉颗粒中的水分和挥发份逸出后剩下的就是焦炭粒子 灰颗粒: 焦炭粒子的可燃成分燃尽后就成为飞灰粒子 炭黑颗粒: 燃料中的烃类化合物在高温下裂解而形成炭黑粒子
炉膛黑度
计算火焰黑度的简化假设
无论固体、液体或气体的燃烧火焰均视作灰体；
条件不同，简化数学模式的方法不同，炉膛传热计算方法不同
引入的无因次量
无因次火焰平均温度 无因次炉膛出口烟气温度 波尔兹曼常数准则
l
Tl Ta
1

T1 Ta
B0

BjVCpj 0 pj FlTa3
炉内传热计算的相似理论方法
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炉内辐射换热的准则方程式
炉内辐射传热的基本方程式改写为
a 1 e(kyrkhh 10C1C2 ) pS 1
压力与辐 射层有效
厚度
液体及气体燃料火焰的主要辐射成分是三原子气体及碳黑粒子
发光部分 火焰黑度
发光火焰 程度系数
不发光部分 火焰黑度
a1 maf 1 m abf
炉膛水冷壁面积
水冷壁面积 Fl
是按包覆炉膛有效容积的炉膛面积计算的 敷设水冷壁: 边界为水冷壁中心线所在的平面或卫燃带的向火表面 未敷设水冷壁: 炉墙的内表面； 炉膛出口烟窗: 屏式受热面、凝渣管第一排管子中心线的平面为边界； 有冷灰斗的炉子，炉膛下部的容积边界为冷灰斗的二等分水平面
炉内的各物理量（温度、黑度和热负荷等）认为是均匀的；
把与水冷壁相切的平面看作是火焰的辐射表面。这个平面既是火 焰的辐射面，也是水冷壁接受火焰辐射的面积，称为水冷壁面积。
火焰传给辐射受热面的热量
Qf

al0 (
xi Fi
)(T14
T24 )

al0 (
xi Fi
)T14
(1
T24 T14
对应的烟气焓 ha Ql
炉膛出口烟温 Tl
高温烟气将热量传给水冷壁，至离开炉膛时烟气已被冷却到1000℃左右

对应的烟气焓
H

l
炉内传热基本方程式
烟气在炉内的放热量
Qf Bj (Ql Hl) BjVCpj (Ta Tl)
kW
计算燃料消耗量 炉内有效放热量包括燃料及燃料燃烧所需空气送入的热量 保热系数，考虑炉膛内外部环境散热的系数 燃烧产物的平均热容量
炉膛热负荷分配
平均热负荷
炉内某一区段受热面上的热负荷
q fi iq f
i
g rl
b
kw/m2
沿炉膛高度热负荷分布曲线 （a）燃油、燃气炉；（b）固态排渣煤粉炉；实线—无烟煤、贫煤和烟煤；虚线—褐煤
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液体及气体燃料火焰的主要辐射成分是三原子气体及碳黑粒子
a1 maf 1 m abf
炉膛黑度
不同燃料火焰黑度计算方法
固体燃料火焰的主要辐射成分是三原子气体、灰粒和焦碳粒子
三原子气
体的辐射
减弱系数
三原子 气体总 容积份
额
灰分颗粒 的辐射减
弱系数
烟气中飞 煤焦浓度 灰浓度 影响的无 因次量
炉内传热计算的目的
确定炉膛出口烟气温度和炉膛的辐射传热量，以便进行对流受热面 的换热计算及锅炉热平衡校核
炉内传热基本方程式
对炉内辐射传热计算所作的假设
把传热过程和燃烧过程分开，在必须计及燃烧工况影响时，引入 经验系数予以考虑；
炉内传热只考虑辐射方式的热交换，略去约占总换热量5%的对流 换热；
)
kW
炉内传热基本方程式
污染系数


1

T24 T14
表示因受热面管壁污染而使其吸热量降低的程度
污染系数的数值与燃料性质、燃烧工况、水冷壁的结构等因素有关， 推荐值见表10-1
水冷壁污染越严重，T2 越大，管壁灰污层反方向辐射越强，水冷壁
吸收辐射热能力下降，污染系数减小。
Qf al0( xiFi )T14
al B0
14

l
1

0
根据试验数据的整理，可得到炉内辐射换热的准则方程式
l
B0.6 0
Mal0.6

B0.6 0

f

B0 al
,
M

M—考虑炉内火焰最高温度相对位置的经验系数，与燃料的性质、
燃烧方式及燃烧器布置的相对高度等因素有关，煤粉炉的小于0.5
M A B xr x
火焰黑度均用公式 a1 1 ekpS 计算，其中总辐射减弱系数k是火
焰中各辐射成分辐射减弱系数的代数和； 计算公式中涉及的温度、烟气成分等均以炉膛出口截面上的数据为准
不同燃料火焰黑度计算方法
固体燃料火焰的主要辐射成分是三原子气体、灰粒和焦碳粒子
a 1 e(kyrkhh 10C1C2 ) pS 1
al

a1
a1
(1 a1)
已绘成线算图，供计算中查用
计算炉膛黑度的线算图
炉膛黑度
火焰黑度 a1
表示炉内高温介质的辐射能力 火焰黑度与火焰中有辐射能力的各种成分的组成及其在炉膛中的分 布有关，随燃料种类、燃烧方式和燃烧工况的不同而变化 炉膛传热计算中，采用的是平均火焰黑度
几何量，取决于物体表面形状及相对位置，与表面温度、黑度无关。
对于光管水冷壁，角系数的大小取决于水冷壁的相对节距s/d及管 子与炉墙的相对节距e/d。
1-e/d≥1.4，考虑炉墙辐射；
水
冷
2- e/d =0.8，考虑炉墙辐射；
壁 的
3- e/d =0.5，考虑炉墙辐射；
角
4- e/d =0，考虑炉墙辐射；
系
数
5- e/d≥0.5，不考虑炉墙辐射
炉膛水冷壁角系数
水冷壁角系数
对于s/d=1的密集管子、膜式水冷壁及敷设卫燃带的水冷壁，由于 火焰的所有辐射能均落到受热面或卫燃带上，角系数等于1 对于炉膛出口烟窗的屏式受热面、凝渣管，其第一排管子中心面应 计入炉膛水冷壁面积之内。而火焰向炉膛出口烟窗发出的能量不是 落在这些受热面上，就是落在其后的受热面上，因此，尽管这些管 子的实际角系数小于1，在炉膛计算时，仍取角系数等于1 没有敷设水冷壁的炉墙，如燃烧器、人孔等区域，取x =0。
炉膛热负荷分配
平均热负荷
炉膛有效辐射受热面的平均热负荷
qf
Bj (Q H " )
H
kw/m2
Hl— 炉膛水冷壁的辐射受热面， Hl Fi xi ， m2
由于炉内温度场、黑度场等的不均匀，炉内热负荷沿炉膛的宽度、深度 和高度是变化的
确定炉膛某区域受热面的实际热负荷，采用沿炉膛高度热负荷不均匀系 数、沿炉膛宽度或深度热负荷不均匀系数及沿各侧炉壁热负荷不均匀系数 对热负荷分陪进行修正