9、炉内辐射传热计算

其中
1
1

1
2
1
为系统黑度。
第九章 炉内辐射传热计算
第二节 炉内辐射传热特点 一、炉内传热计算的基本任务
– 设计计算：根据合理选定的炉膛出口烟温，确 定炉内所需布置的受热面积。 – 校核计算：根据合理布置的受热面积，核算炉 膛出口烟气温度是否合理。
第九章 炉内辐射传热计算
二、炉内传热计算的复杂性
1
• 考虑火焰辐射强度沿炉膛截面方向的减弱（介质吸收和散 射），两物体之间的辐射热交换热流
qR
0 (T14 T24 )
1 1 1 kR 1 4 1 2
,
kW / m 2
– k总辐射减弱系数，k=(1.251.30)ka，近似取k=1.28ka ； – R炉膛的当量半径；
kW / m 2 kW / m 2
kJ / kg
4 qi i syn T f 0 i
3、计算该区域的吸热量
Qi
qi Fi F i i Q re f Bcal F
水冷壁热负荷分布
图9-8 沿炉膛高度的热负荷分布曲线 实线－无烟煤、贫煤和烟煤；虚线－褐煤
第九章 炉内辐射传热计算
T f
第九章 炉内辐射传热计算
第六节 炉膛水冷壁结构特征
h4
a
h4
D D
• 炉膛有效容积的边界
– 水冷壁中心线所在的平面； – 炉膛出口（烟窗）的平 面 ； – 冷灰斗高度中心点的平面。
h1
h1
h h h2
h3 h5
0.5 h5 ß
h2 h3 h5 hr.4 hr.1
w
w
(a)
(b)
第九章 炉内辐射传热计算
第九章 炉内辐射传热计算
二、介质的吸收率和黑度
N 透热气体：无发射和吸收辐射能能力的气体 空气、H2、O2、N2 等
气体辐射
Y
吸收性气体：有发射和吸收辐射能力的气体
O3、H2O、CO2、SO2、CO 等
气体辐射的特点（CO2、H2O）：
1. 气体辐射对波长有选择性， CO2、H2O各有三个位于红外线光带的 区间具有辐射和吸收的本领。气体一般不能做灰体假设； 2. 气体辐射在整个容积中进行，与气体的在容器中的分子数目和容器 的形状和容积有关。
– 炉膛出口烟窗考虑屏的辐射吸收
c
平均热有效系数
av
F
F
i i
第九章 炉内辐射传热计算
第八节 炉内热负荷的分布规律
炉内水冷壁的总吸热量
ef QR Qre f (Q f I f )
kJ / kg
re B (Qef I ) Q f cal f f
第九章 炉内辐射传热计算
第五节 炉内辐射传热计算的有效系数法
一、热有效系数和炉膛黑度
定义：水冷壁的热有效系数表示火焰假象平面与水冷壁平面之 间辐射热交换热流qR占火焰有效辐射热流的份额，则
4 qR syn T f 0 1
kW / m2
syn
炉膛黑度和火焰综合黑度的关系

热有效系数
• 热平衡：炉内辐射传热量=炉内烟气放热量
14
Bo
f
(1 f )
(9 55a) ;
Bo
• 根据试验数据的整理，得到炉内辐射传热的准则方程式
第九章 炉内辐射传热计算
第四节 煤粉锅炉炉内传热计算方法
一、炉内辐射传热公式 • 炉内火焰和水冷壁之间的辐射传热量（1kg计算燃料 计的炉内辐射传热量）
qR F , kJ / kg Bcal – F炉内水冷壁的吸收表面积，m2； QR
– Bcal锅炉的计算燃料消耗量，kg/s；
qR
0 (T14 T24 )
第九章 炉内辐射传热计算
• 辐射传热量
采用热有效系数 炉膛黑度 f F T 4 Q R f 0 1 kW
1 (1 1 )
1
(9 65)
(9 55)
• 烟气放热量
re B (Q ef I ) B VC avT (1 T f ) Q f cal f cal th f Tth
第九章 炉内辐射传热计算
• 炉内辐射换热就近似为两个灰体之间的辐射换热
– 包围炉膛有效容积的炉墙面，以水冷壁中心线所包围 的平面； – 与水冷壁相切的假想平面，即火焰的辐射面，也就是 水冷壁接受火焰辐射的面积。
第九章 炉内辐射传热计算
qR
0 (T14 T24 )
1
1 2

1
,
kW / m 2
a 1 e
ka S
第九章 炉内辐射传热计算
三、炉内火焰黑度
计算火焰黑度或吸收率时，考虑烟气中三原子 气体、灰分颗粒和焦炭颗粒。
第九章 炉内辐射传热计算
四、入射辐射和有效辐射
物体的入射辐射G：半球范围内从各个方向以各种波 长进入该物体单位面积的辐射能的总合，kW/m2。
物体的有效辐射：包括物体的自身辐射Fra Baidu bibliotek物体接受入
– 在炉内不同地区放热量和吸热量的比例不同，造成各 处烟温高低不一； – 由于各地区烟气成分不同，各处的辐射介质的浓度不 同； – 各处高温介质的辐射能力不同； – 参加辐射的物体有火焰（烟气）、水冷壁、炉墙等， 且炉墙对外散热； – 燃烧和传热两个过程是同时进行的，且燃烧是一个复 杂的物理化学过程； – 同时存在着对流传热。
kW
炉内水冷壁单位面积的平均吸热量（即热负荷或热流密度）
F F 炉内热负荷沿炉膛高度、宽度、深度方向是不均匀的。炉内某一区 段受热面的吸热量 qav Bcal Q re f re Q f kW / m 2
1、根据试验值或经验数据，确定该区域的热负荷不均匀系数ηi
2、计算该区局部热负荷
qi i q av
第九节 基于苏联1973年炉膛传热计算框架的 方法
一、苏联1973年炉膛传热计算方法[方法二]
– 不考虑炉内火焰的辐射能在向水冷壁面传递过程中辐射强度因介质 的吸收和散射性能导致的减弱。
– 采用炉膛黑度（由火焰黑度1计算）和热有效系数作为计算参数
– 不单独计算炉膛火焰的平均温度，认为火焰平均温度（以无量纲温 度表示）与表征炉膛热负荷的波尔滋曼准则数、炉膛黑度、炉内火 焰最高温度位置和无量纲炉膛出口温度等有关。根据试验数据确定 炉膛出口温度的计算公式。
第九章 炉内辐射传热计算
三、炉内传热计算的简化和假设
– 把火焰当作灰体；假设火焰黑度是均匀的； – 将燃烧和辐射两个过程分开：
• 只有燃烧无传热，燃烧产生的热量全部用来加热烟气，烟气所 能达到的温度，称为理论燃烧温度； • 只有传热无燃烧，完全服从辐射传热的规律。
– 采用火焰的平均温度代替火焰的真实温度； – 用炉膛出口烟温作为定性温度； – 略去对流传热的影响； – 炉墙对辐射传热的影响放到角系数中一并考虑，略去 炉墙散热的影响（用保热系数表示）。
1
syn
1
• 烟气放热量
re B (Qef I ) B VC avT (1 T f ) Q f cal f f cal th Tth kW
• 热平衡：炉内辐射传热量=炉内烟气放热量
14
Bo Bo

syn f
(1 f )
Bcal VC av 3 F 0Tth
第九章 炉内辐射传热计算
第九章 炉内辐射传热计算
第一节 炉内辐射传热的基本概念
一、物体的辐射
物体的自身辐射是指单位面积该物体在半球形范围内向各个方向所 发射的各种波长能量的总和。对于黑体和灰体
Eb 0T 4
T、——温度和黑度
kW / m 2 kW / m 2
E 0T 4 Eb
第九章 炉内辐射传热计算
二、介质的吸收率和黑度
气体光谱辐射强度的削弱规律－贝尔定律 辐射能通过吸收性气体层，不断被气体吸收而削弱。 削弱的程度取决于辐射强度和气体分子数目。 贝尔定律：光谱辐射强度呈指数规律衰减。
I ,0
I ,x
I ,s I ,0
e k s L ,s e k s
第九章 炉内辐射传热计算
三、炉膛出口温度
• 利用伯劳赫的近似公式表示无量纲火焰温度和炉膛出口温度之间的关系， 得到炉膛出口温度计算公式[方法一]
Bo 1/ 3 f [ ] syn Tth 3(1 xm ) f Bo
• 影响炉膛出口烟温的因素
– – – – – – 锅炉负荷（燃料量） 燃料特性 过量空气系数 炉膛结构（水冷壁面积） 受热面的灰污 燃烧器及其布置
1
syn

1
,
kW / m 2
1
2
1
syn
0.32ka R
1
1
– 定义syn为火焰综合黑度。
第九章 炉内辐射传热计算
• 炉内火焰和水冷壁之间的辐射传热量（按计算燃料量计）
Q R
0 F (T14 T24 )
1
syn

1
,
kW
2
1
第九章 炉内辐射传热计算
x
s
dx
气体的光谱穿透比 气体的光谱反射比 气体的光谱发射率
( , s)
L ,0 (, s) 0
(, s) 1 ek s
第九章 炉内辐射传热计算
二、介质的吸收率和黑度
介质的吸收率
a 1 e
ka S
ka炉内辐射介质的吸收衰减系数，m-1；S炉内辐射层有效厚度，m。 对于灰体，介质的黑度等于其吸收率
Q ef f If Tth T f Tth Q ef f VC av
Q ef f VC av Tth
第九章 炉内辐射传热计算
四、吸收减弱系数与火焰黑度
计算炉内辐射传热量时，煤粉燃烧火焰的吸收减弱系
数和火焰黑度，由三原子气体、灰分颗粒和焦炭颗粒三部分
组成，对于炉膛在常压（p≈0.1MPa）下工作的煤粉炉，其
射辐射后的反射辐射
J Eb (1 )G,
kW / m2
第九章 炉内辐射传热计算
五、两平行平面之间的辐射传热
两物体之间辐射热交换热流
qR
0 (T14 T24 )
1
1 2

1
,
kW / m 2
1
T1、T2 ——高温和低温两个平面的绝对温度；
1 、2 ——两个平面的黑度。
二、火焰平均温度T1
炉内火焰平均温度和炉膛出口烟温用与理论燃烧温度之间比值的无 量刚温度表示
T1 1 , Tth 伯劳赫的理论近似公式
14 (
f
T f
Tth
3(1 xm ) T1 4 ) T T T Tth ( th ) ( th ) 2 ( th ) 3 T f T f T f xm x B
• 水冷壁面积、炉膛有效容积和辐射层有效厚度
F
F
i
S 3.6
Vf F
第九章 炉内辐射传热计算
第七节 水冷壁热有效系数
• 煤粉炉水冷壁热有效系数（表9-3）
• 炉膛水冷壁面积的平均热有效系数
– 如果水冷壁各部分污染程度不同（如有卫燃带）（见表9-3） – 或水冷壁的角系数不同
i x
kJ / kg kJ / kg
0 0 Qa ( f f pcs ) I ha ( f pcs ) I ca
引入烟气平均热容的概念计算理论燃烧温度：炉内烟气在理论燃烧 温度至炉膛出口温度区间内的平均热容。
I V (c ), VC av Q ef f I f VC av (Tth T f )
计算式为
ka k g r kash ash kcok cok
1 1 e
ka S
18
第九章 炉内辐射传热计算
五、水冷壁灰污表面的壁温T2和黑度2
考虑水冷壁管子外表面的灰污，与炉内火焰辐射热交换 的壁面温度T2
T2 Tw R f qR
K
可以通过灰污表面温度T2和黑度2，利用式计算辐射传 热量。也可以采用经验方法简化计算。
i i
hB hf
i Bi
hB
n B h
1
n B
i 1
i
i
第九章 炉内辐射传热计算
三、理论燃烧温度Tth
理论燃烧温度是在绝热条件下燃料燃烧所产生的热量可将燃烧产物 加热达到的温度。1kg燃料的炉内有效热（包括燃料的有效放热和随空 气带入的热量）
Q ef f Qf
100 q3 q4 q6 Qa 100 q4
syn f

syn (1 syn )
2 [1
1
syn f
(
T2 4 ) ] T1
第九章 炉内辐射传热计算
二、炉内传热计算公式
• 辐射传热量
F syn T 4 Q R f 0 1
kW
0.32ka R 1

syn f

syn syn (1 syn )