第11章 半辐射和对流受热面的传热计算=锅炉原理 =华中科技大学
第11章 锅炉水动力学及过内传热基础(西交大 锅炉原理 考研复试)
第11章锅炉水动力学及过内传热基础1.锅炉的水循环方式有哪些，是如何区分的，各种循环方式的特点是什么？答：根据工质流经蒸发受热面的流动动力和循环方式及特点，锅炉的水循环方式可分为：（1）自然循环锅炉自然循环锅炉蒸发受热面中工质的流动动力是不受热的下降管与受热的上升管之间的密度差。
自然循环锅炉特征是有一个锅筒，是蒸发受热面和过热器之间的固定分界点。
主要特点是流动方式简单，水动力特性稳定，运行可靠，以往在亚临界压力以下的锅炉中得到广泛使用。
（2）多次强制循环锅炉多次强制循环锅炉蒸发受热面中，工质的流动动力除了依靠汽水混合物与水的密度差之外，主要依靠锅炉循环回路的下降管上装加的循环泵的压头。
下降管上的循环泵是其与自然循环的主要区别。
多次强制循环锅炉主要用于亚临界压力锅炉。
（3）直流锅炉直流锅炉蒸发受热面中工质的流动动力是锅炉给水泵的压头。
直流锅炉没有锅筒，蒸发受热面中的工质为一次性通过的强迫流动，这是与自然循环锅炉的主要区别。
适用的压力范围很广，尤其是超临界参数的锅炉。
(4)复合循环锅炉复合循环锅炉的基本特点是在中间也装了一台循环泵，循环泵只在低负荷时工作，使一部分水经过再循环管路在蒸发受热面中进行再循环，以充分冷却蒸发受热面，而在高负荷时停止工作，自动切换成直流锅炉运行状态。
复合循环锅炉主要用于超临界参数的锅炉。
2.受热管垂直向上流动有哪几种主要流型？水平流动的流动结构有什么特点？答：受热垂直上升管内汽液两相流动的主要流型有：泡状流型、弹状流型、环状流型、液滴环状流型及雾状流型。
汽液两相流体在水平管中流动时的特点是：由于受到浮升力的影响，蒸汽多聚集在管子的上部，形成不对称的流动结构。
随着汽水混合物流速减小或管子直径增大，这种不对称性特别明显。
3.何谓均相流动模型及分相流动模型？答：均相流动模型：这种模型假定两相流体流动时非常均匀，看作是具有平均流体特性的均质单相流体，汽液两相之间没有相对速度且处于热力学平衡状态。
★Chapter10-11对流换热-辐射换热-邱
速度边界层
温度边界层
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北 京 科 技 大 学
10-1 概述
一、牛顿冷却公式
牛顿冷却公式
= A h( tw－tf )
q = h( tw－tf )
其中：
h—整个固体表面的平均表面传热系数;
tw—固体表面的平均温度; tf —流体温度，对于外部绕流，tf 取远离壁面的流体主流温度；对 于内部流动，tf 取流体的平均温度。
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11-1 热辐射的基本概念
一、吸收、反射与投射
镜反射与漫反射： 物体表面对辐射的反射有两种：镜反射与漫反射
(a)镜反射
反射角=入射角
(b)漫反射
被反射的辐射能在各个 方向均匀分布 产生何种反射决于 物体表面的粗糙程度 和 投射辐射能的波长 。 当粗糙程度尺度小于投射辐射能的波长时，就会产生镜反射， 反之就会产生漫反射。绝大多数工程材料的热辐射的反射都 近似于漫反射。
一些表面传热系数的数值范围 对流换热类型
空气自然对流换热
空气强迫对流换热 水自然对流换热 水强迫对流换热 水沸腾
1～10
10～100 100～1000 1000～15000 2500～35000
水蒸气凝结
Байду номын сангаас
5000～25000
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第十章小结
重点掌握以下内容： （1）牛顿冷却公式 （2）对流换热的影响因素 （3）对流换热系数的数值概念
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10-1 概述
二、对流换热的影响因素
(1) 流动的起因 流动的起因，影响流体的速度分布与温度分布。 强迫对流换热 自然对流换热 一般说来，自然对流的流速较低，因此自然对流换 热通常要比强迫对流换热弱，表面传热系数要小。 例如：气体自然对流h在1~10W/m2· K，而气体强迫 对流h在10~100W/m2· K。
传热学第十一章
11. 传热过程分析与换热器计算11.1 知识结构1． 传热系数k （平壁，圆桶壁，肋壁）； 2． 热绝缘临界直径；3． 肋壁传热（肋化系数β，肋效率ηf ，肋面总效率ηo ）； 4． 平均温压Δt m ；5． 换热器计算（设计、校核）（平均温压法、ε-NTU 法）； 6． 污垢热阻，传热过程分热阻的威尔逊图解法； 7． 换热器的型式与特点； 8． 传热的强化与削弱。
11.2 重点内容剖析11.2.1 传热过程分析与计算 一. 传热计算公式与传热系数传热量计算公式： ()k f f f f f f R t t kAt t t t kA 2121211-=-=-=Φ (11-1) 式中：k(传热系数)——传热强弱的度量参数，数值上等于单位传热温差作用下的热流密度。
R k ——传热过程总热阻。
1. 平壁传热热阻和传热系数A h A A h R k 2111++=λδ (11-2) 211111h h AR k k ++==λ (11-3)2. 圆筒壁传热热阻和传热系数ld h d d l l d h A h d d l A h R o o i o i i o o i o i i k ππλππλ1ln 2111ln 211++=++= (11-4)传热系数：（1）以外表面积为基准(l d A o o π=)oi o o i o i ok h d d d d d h A R k 1ln 2111++==λ (11-5)（2）以内表面积为基准(l d A i i π=)oi o i o i i ok d d h d d d h A R k 1ln 2111++==λ (11-6) 热绝缘临界直径：由圆筒壁传热热阻公式可见，对于圆管外保温，随着保温层厚度的增加，导热热阻增加，而外层换热热阻减小，总热阻的极值点外径为临界直径。
令：011212=⋅-=∂∂o o o o k d l h d l d R ππλ ocr o o h d d h λλ20121=⇒=-⇒ (11-7) 由于保温材料的导热系数较小，临界直径一般很小，对于热力工程保温一般无须考虑。
《锅炉原理精品课件》第9章炉内辐射传热计算
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第六节 炉膛水冷壁结构特征
h4
• 炉膛有效容积的边界
a D
• 水冷壁中心线所在的平面； h1
• 炉膛出口（烟窗）的平 面；
• 冷灰斗高度中心点的平面。
h h2
h3 0.5h5 ß
h5
h4
D
h1
h
h2 h3
h5
hr.4 hr.1
w
(a)
w
(b)
24
第六节 炉膛水冷壁结构特征
• 水冷壁面积、炉膛有效容积和辐射层有效厚度
(9 55) (9 53)
1
syn
0.32ka R
1
1
烟气放热量 Q
re f
Bcal (Qef f
I
f
)
BcalVC
avTth
(1
T f Tth
)
kW
(9 55)
热平衡：炉14 内 辐Bsfyon 射(1传 f 热) 量(9 = 5炉5a内) 烟气放热量
Bo BcalVC av F 0Tth3
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和物体接受入射辐射后
的反射辐射
J Eb (1 )G, kW / m2
(9 6)
11
两平行平面之间的辐射传热
五、两个无限大平行平面（灰体）之间的辐射传热 第一个物体的有效辐射是第二个物体的入射辐射
J1 G2 , J2 G1
• 烟气放热量
炉膛黑度 f
1
1 (1 1)
(9 65)
Q rfe
Bcal (Qef f
I
f
)
BcalVC
avTth
(1
第6章 锅炉受热面及工作特点=锅炉原理 =华中科技大学
受热面不同程度的污染
燃烧器负荷不一致，火焰中心偏斜；炉膛上部或过热器局部地区发生 煤粉再燃烧 炉膛出口烟气流的残余扭转
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工质侧水力不均（流量不均）
大节距的前屏可对炉膛出口烟气起阻尼和分割导流作用
改善受热面工作条件的措施
布置在远离火焰中心的炉膛上部； 作为低温级受热面； 采用较高的质量流速
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运行中影响汽温的因素（一）
锅炉负荷
蒸汽温度与锅炉负荷之间的关系称之为汽温特性，采用不同传热 方式的过热器与再热器，汽温变化特性不同
辐射受热面 锅炉负荷D增加，工质流量和煤耗量B相应增加，炉内 辐射热 Qf 并不按比例增多， Qf /D 减少，辐射受热面中蒸汽的焓增减 少，出口蒸汽的温度下降，图中曲线1，炉水冷壁 工质在管内流动时产生强烈的扰动。把液体压向
壁面，强迫汽泡脱离管壁被水带走，破坏膜态汽层。可有效防止膜态 沸腾产生，避免管壁超温。用于炉内高热负荷区域的膜式水冷壁，确 保水冷壁安全可靠。
3
自然循环锅炉水循环系统
大容量锅炉沿炉膛周界热负荷分布不
均，水冷壁中间部位较两边高，燃烧器区 域附近热负荷最大，炉膛四角和下部受热
G =
Gp G pj
=
K pj pj p K p p pj
6 7） （
各并列管圈进、出口压降△p 取决于进、出口联箱中压力的变 化，而后者又取决于受热面的连接方式， Z形连接方式各并列管圈 的△p 偏差最大，多管连接方式最小 △p大的管圈，蒸汽流量大， △p 的偏差造成各管流量的不均
第九章 炉内辐射传热计算
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Q ef VC avTth f
能源与环境学院 Energy & Environment
Q ef f VC av
第四节 煤粉锅炉炉内传热计算方法 四、吸收减弱系数与火焰黑度
中国 南京
计算炉内辐射传热量（式9-34）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，其计算式为
• 三原子气体：CO2和H2O • 固体颗粒：灰分颗粒和焦炭或炭黑颗粒 计算火焰黑度或吸收率时，其减弱系数ka或光学密度τ由三原子气体、灰 分颗粒和焦炭颗粒三部分组成。
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和物体接受入射辐 射后的反射辐射
（书p.169）
两平行平面之间的辐射传热 一、物体的辐射
中国 南京
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 kW / m 2 kW / m 2 (9 1) E 0T 4 Eb
– T、 温度和黑度；
对于灰体，介质的黑度等于其吸收率
a 1 e k S 1 e ka S
a
(9 5)
能源与环境学院 Energy & Environment
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两平行平面之间的辐射传热
中国 南京
三、炉内火焰黑度1 炉内火焰的辐射介质：由烟气中的三原子气体和固体颗粒构 成：
华科热力学第11章蒸汽动力装置循环资料.
由于水几乎不可压缩，垂直线段3-4几乎重合成为一点
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8
4——给水（未饱和水）状态(P1) ； T
P1
1
t1
4-5——给水在锅炉省煤器中定压 加热成饱和水 (P1' ts) ；
56
5-6——水在锅炉水冷壁中定压加热 4
成为饱和汽 (P1' ts)；
3
2
6-1——饱和汽在过热器中定压加热 成为新蒸汽 (P1' t1)。
PHale Waihona Puke '平均吸热温度 T1 明显提高
5
6
4
3
2 2
t,R会有较显著的提高 对机器的强度要求提高
s 提高初压力的影响
乏汽干度x2会降低
乏汽干度x2不得小于0.86
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热效率与初压的关系
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② P1、P2不变，将初温 t1提高 t1' 提高初温的结果相当于在原循环
P1 1 t1
平均吸热温度 T1 平均放热温度 T2 朗肯循环1234561的热效率
P1
T 4
1
t1
6
T1
5
ηt
1
T2 T1
同温限的卡诺循环12341
T2 4 3
2
s
q41>q41
12341>1234561
定温吸热过程41难于实现 过热蒸汽不采用卡诺循环
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若以饱和汽为工质实行卡诺循环62356
1234561基础上附加循环11221
T
平均吸热温度 T1 明显提高
BOILER
qin
锅炉原理-第七章锅炉传热计算
炉膛传热计算 ❖ 炉膛传热原理 ❖ 炉膛黑度计算 ❖ 炉膛受热面的辐 射特性 ❖ 炉膛传热计算方 法 ❖ 炉膛结构和热负 荷分布
对流受热面计算 ❖ 传热特点 ❖ 传热计算 ❖ 传热系数 ❖ 积灰污染对传热的 影响 ❖ 温压计算 ❖ 受热面布置和计算
炉膛传热原理
炉膛辐射传热特点
炉膛传热过程 ➢ 燃烧与传热—动态过程
炉膛热负荷分布
沿炉高某段的平均热负荷：qfi＝ηgqf kw/m2 炉膛各侧壁的平均热负荷：qfb＝ηbqf kw/m2 当炉膛出口为屏式受热面时，考虑屏间烟气向炉 膛的反辐射，炉膛出口截面的热负荷为：qfp＝βqfi kw/m2
对流受热面传热特点
对流受热面中同时存在对流和辐射传热，但对 流传热的份额大，故采用对流传热的计算公式， 在传热系数中同时计及辐射传热因素。
炉膛结构和热负荷分布
炉膛结构
➢ 燃料对炉膛尺寸的影响。 燃料不同炉膛尺寸由小到大依次为：天然气、油、
煤粉。 煤种不同：烟煤挥发分高，易于着火和燃烧，炉
膛尺寸相对小些； 褐煤水分多，烟气容积大，炉膛容积要求较大； 无烟煤挥发分少，着火和燃尽困难，除了燃烧器
采用稳焰措施，还要延长在炉膛的停留时间。
炉膛结构和热负荷分布
➢ 炉壁的表面温度为Tb，黑度为ab，面积为同侧炉 墙的面积
炉膛传热原理
炉膛辐射传热公式
物理、数学模型
➢ 通过以上假定，炉膛传热计算就简化为两个互 相平行的无限大平面间的辐射传热。根据斯蒂 芬—波尔兹曼定律，可得：
辐射传热方程式： BjQf asFb0 Th4y Tb4
系统黑度：
as
污染系数
ψ、x、ζ关系 ψ＝xζ （该式只在当水冷壁管的s/d〉1、水冷壁管表 面受到污染、管壁为非黑体时才成立。）
第十一章 强制流动锅炉及其水动力特性.
5 解决水动力稳定性的方法
（1）减小 i 。 （2）增加热水段阻力—采用节流圈。 （3）提高启动压力 p 。 （4）减小热偏差。 （5）提高质量流速 w 。 （6）控制下辐射区水冷壁出口温度。
流圈阻力特性；3－加节流圈 后的水动力特性
（二）垂直管圈的水动力特性
1 在垂直管圈中，由于重位压差 pzw 的影响，
1．比容
2．比热
二、 超临界压力下水冷壁管内传热
• 类膜态沸腾：由于管子内壁面附近的流体粘度、比热、 导温系数、密度等物性参数发生显著变化引起的。 （流体边界层的层流化；紊流边界层流化） • 传热恶化发生在管子入口处和大比热区 对于直流锅炉，不可能避免传热恶化，只有采取推迟 和抑制。主要方法： 1）使用好材料 2）采用内螺纹管，螺旋式导流器（扰流子）
响大。
4 影响因素
（1）工质进口欠焓。当
i =0 时，
不会出现多值性。因为当没有 热 水段时，蒸发段长度不会发
p 生变化，蒸发量不会变化。
水动力多值性愈明显。水动力
不稳定性发生在同时具有蒸发 段和热水段的管屏上，水动力 多值性不会发生在只有蒸发段 的管屏上。
i 愈大， 随 w增加而单调上升。
第十一章 强制流动锅炉的水动力特性及运行
锅炉按蒸发受热面中汽水混合物流动的工作原理 进行分类可以分为： 自然循环锅炉：只靠汽水密度差推动工质流动。 强制循环锅炉：利用水泵压头和汽水密度差推动 工质流动。
直流锅炉：工质不循环，一次通过个受热面的锅 炉。
第一节 强制循环锅炉和直流锅炉工作原理 及工作过程特点
上联箱
循 环 泵
水 冷 壁
（二） 强制循环锅炉的特点
1. 由于增加了水泵的推动力,工质流量可以人为地控制,水流量 可以小些,即循环倍率K可以小一些, 3 可采用小直径旋风分离器,因而可以减小汽包直径．
华中科技大学传热学课程PPT课件
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随着流动从层流变为紊流，热边界层亦有层流 和紊流热边界层之分。
5
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流动进口段 层流：L 0.06 Re; 紊流 : L 50
d
d
热进口段长度：层流：LTtw 0.055Re Pr;
Lqw t
0.07 Re Pr
d
d
紊流 : L 50 d
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6
Nu
1.86 Re
Pr
d l
1 3
f w
0.14
适用范围 ：Re<2200，Pr>0.6，RePr d/L>10, 用于平直管。特征尺寸、特征流速和定性温度 与管内紊流换热准则关系式相同。
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对于流体在管内（仅限圆管）作层流流动， 其在热充分发展段对流换热的平均Nu数可由 理论计算得
充分发展区：边界层汇合于管子中心线以后的 区域，即进入定型流动的区域。
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入口段热边界层较薄，局部表面传热系数比 充分发展段高，且沿主流方向逐渐降低。
如果边界层在管中心 处汇合时流体流动仍 然保持层流，那么进 入充分发展区后也就 继续保持层流流动状 态，从而构成流体管 内层流流动过程。
[解] 查出20℃时空气的运动粘度为=15.0610-6
m2/s 假设进入过渡区的距离为L1，
由雷诺数Re1=uL1/ =2105, 计算出L1=0.30m；
假设进入紊流区的距离为L2,
由雷诺数Re2= uL2/ =5105, 计算出L2=0.75m。
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