锅炉本体的热力计算

只受到炉墙的反射辐射，所以不能完全利用。
设火焰向炉墙总的投射热量为 Qt，而一次投落到管 子壁面上的热量为 Q′， 则能量投射到管壁的份额 （即 传热学中的辐射角系数）为：
ϕ=
投落到管壁的一次热量 Q ′ = Qt 投射到炉墙的热量
从传热学中已经知道，角系数纯粹是一几何因子，仅取决于两辐射物体的 相对位置和表面形状，可用几何方法计算求得。 因水冷壁并非一连续平面，当投射热投来时，会有一部分热量 (1 − ϕ )Qt 穿过 管间，这部分热量碰到作为绝热体的炉墙，又会反射回来而第二次落到管子的背 面，但落到管子背面的热量仅是反射热的一部分，即
时，确定需布置多少辐射受热面积；或在布置好了炉 内受热面后，校核炉膛出口烟温是否合理。 炉膛传热计算主要是计算炉内高温火焰和水冷壁 之间的辐射换热量。由于炉内烟气流速较小，对流传 热较弱，所占炉膛换热份额很少，故计算时流传热量 可以忽略。
一、炉膛传热的基本方程
根据斯蒂芬—波尔茨曼定律，炉膛内火焰与被包围着的水冷壁之间的辐射换 热量为：
Q f = ϕB ′j (Ql − I l′′)
kW （7-2）
式中 Ql——燃料在炉膛内的有效放热量，kJ/kg； I l′′ ——炉膛出口处烟气的焓，kJ/kg； ϕ——保热系数；
B ′j ——计算燃料耗量，kg/s， （ B ′j = B j / 3600 ） 。
由于
″ Ql − I l = V y c pj (Tll − Tl′′ )
何关系？
由式 Hf= χ Fb 可写成
Hf =
ψ Fb ζ
∴
ζH f = ψFb
（7-14）
当整个炉膛中，所布置的水冷壁结构特性 不同，或沾污情况不一时，例如部分水冷壁 被涂料覆盖，则应分别求得各部分的热有效 系数。整个炉膛的平均热有效系数为：
ψl
ψ ∑ =
i
Fbi
（7-15）
Fbz
式中 Fbi—布有水冷壁的炉墙面积，它为水 冷壁两端管子间距 b 与管子曝光长度 的乘积，m2。 对未设水冷壁的区域，ψi=0。 三、炉膛黑度 炉膛火焰与炉壁之间辐射换热的简化模 型见下图。所谓炉膛炉壁是指水冷壁及其背 后的炉墙。计算假定：1）水冷壁分布均匀， 2）整个炉膛看作一个整体；3）火焰和炉壁
量，kJ/kg.K，即
V y c pj =
Ql − I l Tll − Tl
″ ″
以上（7-1） 、 （7-2）两式是炉膛传热的基本方程式；方程式中各个组成成分 将在后面分别介绍。
二、炉膛几何特性 以层燃炉为例，炉膛几何特性包括炉膛容积，炉膛 周围面积，有效辐射面积等的计算方法。 （一） 层燃炉炉膛容积 V1 是由炉子火床表面至炉 膛烟窗之间的容积 炉膛容积的周界：底部为火床表面；四周及顶部为 水冷壁中心线所在的表面，若水冷壁覆盖有耐火涂料 层或耐火砖，则周界为涂层或火砖的向火表面，在未 布置水冷壁的炉墙处，则为墙的内表面；炉膛出口截 面为出口烟窗第一排水管中心线的所在表面。 在计算火床表面时， 炉排上的燃料层厚度一般取为 150mm； 有挡渣器的链条炉排， 火床长度计算到挡渣器 与炉排接触点的垂直平面为止； 对未装挡渣器的炉排，
Qbf = Qb + (1 − χα b )Qh 1 − (1 − α h )(1 − χα b )
Qh Qf =
将以上二式代入（7-18）后，
χα b Qh − α h Qb = 1 − (1 − α h )( χ1 − α b ) α h − Qb χα
b
1
χα b + 1α − 1 h
(7-19)
往往参照同类锅炉的结构预先布置好受热面，然后进 行校核计算；在改造锅炉时如需受热面发生变更，也 常常需要进行设计计算。
热力计算方法主要有炉膛热力计算和对流受热面 热力计算Baidu Nhomakorabea部分。
第一节 炉膛传热过程及计算
炉膛传热计算的目的是要确定炉膛辐射受热面 （水 冷壁）的吸热量、炉膛出口烟气温度和炉膛热流密度 的分布。炉膛设计的任务是：在选定了炉膛出口烟温
∑H
度，即
f
= ∑ xi Fbi
m2
（7-9）
整个炉膛的平均有效角系数也称为炉膛水冷程
x=
∑H
Fbz
f
=
∑x F
i
bi
Fbz
2
（7-10）
式中，Fbz 为炉膛壁面总面积，m ，包括未布置水冷壁的炉壁。对层燃炉来讲， Fbz=Fl-R，其中 Fl 是炉膛周界总面积，R 是炉排面积。
在锅炉实际运行中，由于水冷壁被灰粒沾污，使管 壁积灰层的表面温度升高及黑度减少，以致不能忽略 管壁本身的辐射，也就是导致水冷壁受热面吸热量的 减少。因此，在计算中引入水冷壁管壁的沾污系数ζ， 即:
Q f = a xt σ 0 T 4 − Tb4 H f
(
)
kW
（7-1）
式中 σ 0 ——绝对黑体辐射常数， σ 0 =5.67×10-11kW/m2.K4； Hf——有效辐射受热面面积，m ； T ——火焰的平均温度，K； Tb——水冷壁表面温度，K；
2
α xt ——炉膛系统黑度。
此外，根据烟气侧热平衡方程，即烟气在炉膛内放出的热量应等于燃料在 炉膛内有效放热量与烟气从炉膛出口流出时带走的热量之差，即
通常用辐射热流计测得投射到炉膛的热流密度 qt
和炉壁反射辐射热流密度 qff。 这样炉壁受热面的吸收 能力，即热有效系数 ψ 为：
ψ=
qt − q ff qt
=
qf qt
=
qf F qt F
=
Qf Qt
（7-13）
2）如何求ζ值？
沾污系数ζ是通过辐射热流计测得ψ后， 借计算所得有效系数 χ ，根据ψ/ χ = ζ来求 得。 3）沾污系数ζ、炉壁面积 Fb、ψ及 Hf 有
是物性均匀的灰体；4）炉墙为绝热体。
从图 7-3 中可见，火焰的有效辐射 Qhy 投 射到炉壁上，其中 χ Qhy 投射到水冷壁受热面 上，而被水冷壁吸收的热量为 χ ab Qhy，其余 (1- χ ab)Qhy 又返回给火焰。 炉壁的有效辐射 Qby：从水冷壁返回的热 量再加上水冷壁的本身辐射；火焰的有效辐 射是火焰的本身辐射 Qh 再加上由炉壁有效 辐射被火焰吸收后余下的热量(1-ah)Qby。即
它计及了火焰辐射与炉墙反射作用，x 的数值与管子的相对节距 S/d 及管子 中心线离开炉墙的相对距离 e/d 有关（见图 7-2） 。在一定的 S/d 下，增加 e/d， 则被炉墙反射后再落到水冷壁管子上的辐射热量也增加，即增大了有效角系数； 但当 e/d≥1.4 后，被炉墙反射后落到水冷壁管子上的辐射份额不再变化。在一
Q ′′ = ϕ (1 − ϕ )Qt
因此，投射到管子的总热量为一次、二次热量的总和：
Q = Q ′ + Q ′′ = ϕQt + ϕ (1 − ϕ )Qt = (2ϕ − ϕ 2 )Qt
称火焰投射到管壁受热面的总热量与投射到炉墙的热量之比为有效角系数， 即：
x = Q / Qt = ( 2ϕ − ϕ 2 )
(1 − x) x (1 − x 2 ) x
{1 − [ x + (1 − x) x]} = (1 − x) 2 {1 − [ x + (1 − x) x + (1 − x 2 ) x]} = (1 − x) 3
第四排
(1 − x 3 ) x
(1 − x) 4
因此，炉膛火焰对此四排管子总的有效系数为四排能量投射份额之和：
第七章 锅炉本体的热力计算 热力计算的目的：1）确定各部位受热面 的尺寸大小、形状、相对位置等条件，设计 出经济可行的锅炉；2）使锅炉本体各部位 受热面处的烟气和工质保持一定的参数（温 度、压力、流速等） ；以保证锅炉运行的安 全性和经济性。
按计算目的， 热力计算可分为设计计算与校核计算 两种方法。前者是根据确定的燃料、蒸发量和蒸汽参 数等条件来设计新锅炉；后者则是由于燃料、蒸发量 和蒸汽参数等的改变，而对原有的锅炉进行改造。这 两种方法在本质上并没有什么区别。 在设计新锅炉时，
ζ =
受热面吸收的热量 投射到受热面的热量
综合考虑沾污系数和有效角系数对传热的影响→ 热有效系数ψ ：
受热面吸收的热量 Q f ψ= = 投射到炉壁的热量 Qt
关系为：
（7-11）
这样热有效系数、沾污系数和有效角系数三者的
ψ = ζx
（7-12）
ψ 值↑，表示受热面吸收的热量愈多。 讨论：1）如何求ψ 值？
所以
″ Q f = ϕB jV y c pj (Tll − Tl )
烧温度，K；
（7-3）
式中 Tll——炉膛有效放热量 Ql 在绝热条件下所具有的燃烧温度，也称为理论燃
″ Tl ——炉膛出口烟气温度，K； ″ V y c pj ——在 Tll 和 Tl 的温度区间内，每公斤燃料燃烧所产生烟气的平均热容
定的 e/d 下，增加 S/d，火焰落到水冷壁管子的份额减少，即 x 值下降。 对膜式水冷壁，犹如管靠管（S/d=1） ，火焰辐射热量全部落到水冷壁上，有
效角系数为 1。 此外，S 的增大使炉墙上布置的管子数目减少，减少了炉膛辐射受热面，并 使炉墙内表面温度增高，e 的距离过大也会失去水冷壁保护炉墙的作用。如果 S 过小， 使单位受热面积的吸热量减少， 金属利用率差， 而炉墙结构可减薄。 当然， 炉膛辐射受热面的多少，还得保证一定的炉膛出口温度，以使燃料在炉内燃烧完 全。 对层燃的供热锅炉通常水冷壁的 S/d=2.5；e/d=0.5～1.5；对燃用煤粉的炉 膛， 炉膛温度较高， 应防止喷燃器对面水冷壁的结渣， 宜采用较小的 S/d 值 （1.2～ 1.3） ，其它几面水冷壁的 S/d 约为 1.5～1.6。 炉膛出口烟窗对炉膛而言，可取 x=1，这是因为炉膛火焰投射在出口烟窗的 辐射热，陆续通过烟窗后各排管子，不再有反射，全部吸收。 对炉膛出口处布置的管排而言，x 不能认为等于 1，如当出口的排管为四排 时，各排的能量投射的份额为： 能量投射份额 第一排 第二排 第三排 x 透过份额 （1-x）
2
（7-4）
如炉膛内布置有双面水冷壁时， 其所占面积也是炉 膛周界面的组成部分，应作为炉壁面积计算，它按双 面水冷壁所在面积的两倍计算，即 F=2bl m2 (7-5) 炉膛周界总面积为上述面积的总和，即 F =R+F
l
bz
m
2
（7-6）
式中 Fbz -- 除火床面积以外的其余炉膛周界总面 积。 (三)有效辐射受热面 炉内吸热是靠炉膛内布置的辐射受热面 — 水冷壁 管来完成的。但水冷壁的辐射受热面面积不等于所有 管子的表面积，因为水冷壁管一般都是靠炉墙布置， 只有曝光的一面受到炉内火焰的直接辐射，而其背面
Qby = Qb + (1 − χα b )Qhy
Qhy = Qh + (1 − χα h )Qby
(7-16) (7-17)
由此，火焰与炉壁之间的辐射换热 Qf 为
Q f = Qh y − Qby
(7-18)
式中的 χ 是炉膛平均有效角系数，也是炉膛 水冷壁程度( χ = Hf/Hbz) ab--水冷壁的表面黑度，可取 ab =0.8; ahy--火焰黑度。 由式（7-16）和式（7-17）联立求解，可 得 Qh + (1 − ab )Qb Qhy = 1 − (1 − a hy )(1 − xab )
4 4 Q = σ a H T = σ a xF T 水冷壁本身辐射： b 0 b f b 0 b bz b
火焰的本身辐射是 Q b = σ 0 a h H bz T
4
将 Qb 和 Qh 的关系式代入式（7-19） ，得
Qf =
σ 0 Fbz (T 4 − Tb4 )
计算到炉排末端的垂直。 （二） 炉膛周界面积 F1 是包围上述炉膛容积的所有 周界封闭面积的总和，它包含火床面积 R、全部水冷 壁面积、炉墙面积和出口烟窗面积。 对于靠墙敷设的水冷壁， 其所占的面积为水冷壁管 中心线所在的面积，它等于水冷壁边界管中心线的间 距 b 和水冷壁管受热长度 l 的乘积，即 F=bl m
xz = [1 + (1 − x) + (1 − x 2 ) + (1 − x 3 )]x = 1 − (1 − x ) 4
各排管的 x 值可由图 7-2 中曲线 5 查得。 有效角系数与炉壁面积的乘积称为有效角辐射受热面：
（7-7）
H f = xFb
（7-8）
式中 Fb——布置有水冷壁的炉墙壁面积，m2。 如果某一区域的炉墙壁面积为 Fbi，有效角系数为 xi；则该区域的有效受热面 为 Hfi=xiFbi；由于各区域布置水冷壁有效角系数不尽一样，炉膛总的有效辐射受 热面为：