锅炉设计与计算

Φ A t1 t2
t1
t2
Φ A t2 t1
Φ A dt
t t1
dx
λ：导热系数，Thermal conductivity，表征材
t2
料导热性能优劣的物性参数，单位：W/(m·K)，0 数值通过实验测定，一般，金属>液体>空气
δ
x
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二.对流(convection, thermal convection) 1.定义：流体各部分之间发生相对位移时，冷热流 体相互掺混所引起的热量传递过程。
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1.定义 辐射：物体通过电磁波来传递热量的方式
热辐射：物体由于热的原因向外发出的辐射 辐射换热：物体之间以辐射的形式交换热量。
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2.特点 ①不需要冷热物体的直接接触。即：不需要介质 的存在，在真空中就可以传递能量，而且最有效。
耗）
hw构成——沿程损失+局部损失
锅炉设计上的应用——水动力计算、空气动力（烟 风）阻力计算、热力计算
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第五章 锅炉结构设计
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对锅炉的结构,《蒸汽锅炉安全技术监察规程》 第四章提出了基本要求：
第四章 结 构
第34条 锅炉结构应符合下列基本要求： 1. 各部分在运行时应能按设计预定方向自由膨胀； 2. 保证各循环回路的水循环正常，所有受热面都应得到可靠的冷却； 3. 各受压部件应有足够的强度； 4. 受压元、部件结构的形式、开孔和焊缝的布置应量避免或减少复合 应力和应力集中； 5. 水冷壁炉膛的结构应有足够的承载能力； 6. 炉墙应具有良好的密封性； 7. 承重结构在承受设计载荷时应具有足够的强度、刚度、稳定性及防 腐蚀性； 8. 便于安装、运行操作、检修和清洗内外部； 9.燃煤粉的锅炉，其炉膛和燃烧器的结构及布置应与所设计的煤种相 适应，并防止炉膛结渣或结焦。
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锅炉检验研究中心
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第一章 绪论
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• 锅炉设计的几个主要方面
• 锅炉结构初步设计 • 锅炉燃烧系统设计 • 锅炉热力计算（确定结构、受热面材料、管径
及壁厚等） • 锅炉强度计算和管壁温度计算 • 锅炉水动力计算（核算水循环是否安全可靠） • 锅炉空气动力计算（核算烟风道阻力是否合理) • 根据锅炉结构初步设计和上述计算结果进行最
2、两种流动状态的影响因素 • 流体粘性系数、密度、当量直径、平均流速 • 判别流动形态的无量纲准则数，雷诺数Re
Re vd vd
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3、Re>2000,紊流；Re2000，层流 4、伯努利方程
1v
2
1
2g
z1
p1
g
2v22
2g
z2
p2
g
hw
能量守恒：动能、位能、压强能之间的相互转化 hw——水利损失（流体粘性造成的流体机械能的损
• 校核的目的是为了估计锅炉在非设计工况下运行的经 济指标，寻求改进锅炉结构的必要措施，以及为选择 辅助设备和进行管壁温度计算、锅炉水动力计算、锅 炉空气动力计算、锅炉强度计算和其他可靠性计算提 供数据及资料。
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• 由于锅炉设计牵涉传热学、流 体力学、工程热力学、燃烧学、 材料力学、金属材料等多个基 础学科，所以我们首先回顾一 下一些学科的基本概念和基础 知识。
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3、燃烧所需空气量与烟气量计算： 根据燃料成分分析数据，应用化学原理计算。 （1）理论空气量V0 （1Kg燃料完全燃烧所需空气量）
V 0 1 1.866 w(Car ) 5.55 w(H ar ) 0.7 w(Sar ) 0.7 w(O)ar
0.21
10000－20000Kj／Ｋｇ），着火及燃尽容易。
在我国电站锅炉用煤中贫煤与烟煤约占90%。
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2、燃料（煤）成分： 碳（C）－－主要可燃元素。 氢（H）－－含量少 氧（0）及氮（N）－－可燃，氮为有害元素 硫（S）－－可燃，有害元素 灰分－－不可燃。结渣、积灰、磨损。 水分－－降低炉内温度，低温腐蚀及堵灰。
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2.特点
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①仅能发生在流体中 t f
tw
Φ
②流体宏观运动+流体导热(流体中各部分温度不 同，必然拌有分子不规则热运动而传递的热量)
③对流换热：流体流过温度不同的固体壁面时的 热量传递过程（工程上感兴趣）
④对流换热机理与通过紧靠换热面上薄膜层的热 传导有关
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第二章 传热学基础知识
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一.热传导（简称导热，Heat Conduction） 1.定义：温度不同的物体各部分或温度不同的两物 体间直接接触时，依靠分子、原子及自由电子等 微观粒子热运动而进行的热量传递现象。
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3.分类 对流换热按照不同的原因可分为多种类型 流动起因，分为：强迫对流换热和自然对流换热。 是否相变，分为：相变对流换热和无相变对流换热。
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4.基本计算式—(Newton’s Law of Cooling)
q Φ A h(tw t f ) W m2 q Φ A h(t f tw) W m2
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3、水蒸汽图表 • 温度、压力、焓、熵、比容之间的关系图标。 • 已知任意状态下的二个独立参数，查出其余参数。 • 分析和计算水、蒸汽、水蒸汽的热力过程。 • 饱和状态下可压力、温度互查。
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4、蒸汽动力循环主要包括四个过程： • 加压过程－－水泵来完成 • 吸热过程－－锅炉来完成 • 做功过程－－汽轮机来完成 • 放热过程－－冷凝器来完成
100
100
100
100
（2）理论烟气量Vy0 （1Kg燃料完全燃烧所产生的烟 气量）
Vy0由Vco20 、 Vso20 、 VH2O0 、 VN20 组成。
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4、过量空气系数： 为了保证燃料与空气成分混合燃烧，送入炉膛的空气
量均大于理论空气量，其比值称为过量空气系数。 煤粉炉一般取1.2左右，根据燃料特性选取。 过量空气系数与机械不完全燃烧热损失、化学不完全 燃烧热损失，排烟热损失之间密切相关，应取合理 值。
终设计。
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设计要求
• 确定锅炉型式； • 决定各部件的构造及尺寸； • 在保证安全可靠的基础上力求技术先进、节约
金属、制造安装简便、高效率、低燃料消耗
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锅炉设计计算
• 锅炉设计计算是在锅炉额定负荷下进行的，也 就是锅炉各部件的结构尺寸是按额定负荷设计 的。
AT 4 W
,黑体辐射常数,5.6710-8 W (m2 K4)
③实际物体向外辐射热流量计算式
AT 4
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W m2
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四. 传热过程定义(heat transfer process) 热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体
中的过程称为传热过程。
五. 传热方程式
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2.特点 ①直接接触 ②物体各部分之间不发生宏观位移
③依靠微观粒子（分子、原子、电子等）的无规 则热运动
④物体的固有本质（只要存在温差，在固体、液 体、气体中均会发生导热现象）
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3.热量传递方程（Fourier Law of Conduction）
1、煤： 无烟煤－－含碳量高，挥发份低，灰分低，水分低，热值高
（25000－32000Kj／Ｋｇ），着火困难，燃尽不容易。 贫煤－－含碳量较高，挥发份较低，灰分较高，水分较少，较
难着火与燃尽。 烟煤－－含碳量较高，挥发份较高，灰分不大，水分较高，热
值高（约20000Kj／Ｋｇ），较易着火与燃尽，有的易结焦。 褐煤－－含碳量较高，挥发份高，灰分和水分大，热值低（约
Φ kA(tf1-tf2 ) h1, tf1
k —传热系数(overall heat transfer coefficient)，表示整 个传热过程的强弱，单位是
W (m2 K)
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h2, tf2
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k
1
1
1
h1 h2
热阻 • 热量传递路径上的阻力称为热阻。 • 1/K • 一个传热过程的总热阻等于组成该过程各串联
②在辐射换热过程中伴随着能量的转移和能量形 式的转换，物体热力学能 电磁波能 物体热力 学能。 ③动态平衡
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3.计算式
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①黑体：能吸收投入到其表面上的所有热辐射能的 物体。
黑体是一种理想物体，它的辐射能力只与温度有关
②黑体向外辐射热流量计算式(Stefan-Boltzmann)
①A:与流体接触的壁面面积
tw t f t f tw
②约定对流换热量永远取正值
③h：对流换热系数，是表征对流换热过程强弱的 物理量。过程量，与很多因素有关(流体种类，表 面形状，流体速度大小等)
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典型条件下对流换热系数h的大致范围【W/m2·℃】
空气自然对流
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5、根据温－－熵图，考虑到循环效率、蒸汽参 数以及汽机工作条件等影响因素，大中型电站 锅炉均是在朗肯循环的基础上改进的，典型的 为蒸汽再热和回热循环
锅炉再热器 锅炉
汽轮机
发电机
水泵 高压加 热器
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低压加 水泵 热器
冷凝器
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第四章 流体力学基础知识
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• 《蒸规》第35-63条都是对结构的要求，在锅炉 设计时需要满足。（详见规程）
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第六章 锅炉物质平衡及 热平衡（燃烧计算）
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§6—1 燃料燃烧
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• 锅炉设计工作的特点之一是按指定的燃料设计 的，锅炉对燃料的适应性差，燃料的通用范围 小。如果燃用非设计燃料将使燃烧特性与锅炉 的热力特性发生变化，甚至发生故障。
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锅炉校核计算
• 锅炉校核计算是根据已有的锅炉结构数据，对改变负 荷、燃料、运行工况或改变某些部件结构的情况下确 定各受热面交界处的水温、汽温、空气温度烟气温度、 锅炉效率、燃料耗量、及空气烟气流量、流速。
段。 • 五种状态：未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、
干饱和蒸汽、过热蒸汽。
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2、临界点c： • 压力:22.115MPa • 温度：374.12 ℃ • 焓：2095.2 KJ/Kg • 熵：4.4237 KJ/(Kg·K ) • 比容：0.003147 m3/Kg
3-10
Fra Baidu bibliotek
气体强制对流
20-100
水自然对流
200-1000
水强制对流
1000-15000
水沸腾
2500-25000
高压水蒸气强制对流 500-3500
水蒸汽凝结
5000-15000
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三.辐射(radiation, thermal radiation)
万物生长靠太阳
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特点：应用广泛，但机理复杂
“紊流是科学家的坟墓” ——著名科学家周培源语录
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1、流体流动状态： • 层流——流速很小，流体质点运动轨迹为直线，不
与周围流体混杂 • 紊流——流速大，流体质点不断相互混杂，流场内
的运动要素发生不规则的脉动
环节的热阻之和。 • 1/K ＝ δ / λ＋ 1 / αγ ＋ 1 / α
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第三章 工程热力学基础知识
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工程热力学的研究对象主要是热能转化为机械能 的规律和方法，以及提高转化效率的途径。
1、定压加热下水的发生过程 • 三个阶段：液体加热阶段、汽化阶段、过热阶
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通常所指的过量空气系数是炉膛出口处的值 ，l'' 它是
一个影响锅炉燃烧工况及运行经济性的非常重要的指 标。