02炉膛传热计算02
炉膛热力计算
炉膛热力计算炉内换热的计算方法是用来计算单炉膛和半开式炉膛的换热。
其本质是以能量方程和辐射能传递方程导出的准则为基础，用相似理论方法整理实验数据，建立出炉膛出口烟温的直接计算式。
1.1 计算流程控制1.2 相关的公式炉膛计算的重点就是炉膛出口烟温的准则方程：6.003.06.00~B B M B T T u a T T+=''=''θ 300)(aCT CP CP P T F VC B B ψσϕ=根据准则方程得到的炉膛出口烟温计算式是：0.630.30273 1()aTCP CT a up CP T F T MBB Vc ϑσψϕ''=-⎡⎤+⎢⎥⎢⎥⎣⎦℃ 炉膛计算的进行都是基于这个计算式进行。
其中110 5.6710σ-=⨯ 1.2.1 Ta --是绝热燃烧温度，℃根据1kg 燃料送入炉内的热量T Q 来决定，计算出T Q 后由烟气性质计算（即手工计算的温焓表）计算出响应的烟气温度。
3464100100T q q q Q QrQ q B ---=+-，如果有再循环烟气，要考虑再循环烟气带入炉膛的热量。
r Q 是固体（液体）燃料工作基低位发热量，/kJ kg ,气体燃料的干燥基低位发热量，3/kJ m 。
3q -- 化学未完全燃烧热损失，来自热平衡计算； 4q -- 机械未完全燃烧热损失，来自热平衡计算； 6q -- 排渣和冷却水热损失，来自热平衡计算Q B -- 空气带入炉内的热量，/kJ kg ，''((1))()T T zhf rec T ky T zhf l Q r I I ααααααB =-∆-∆--+∆+∆其中，T α-- 炉膛出口过量空气系数； T α∆-- 炉膛漏风系数；zhf α∆-- 制粉系统漏风系数；rec α -- 再循环烟气抽取点处过量空气系数；T r -- 再循环系数。
一般情况下没有烟气再循环的时候不考虑最后一项。
炉膛热力计算
axtFb 0 (Th4y Tb4 ) Bj (Ql Il") kW
？ ？ ？ 试验测定困难，无法工程应用
炉膛传热计算的实现
通常在工程应用上： 采用相似理论原理,建立各物理量之间的
关系 依据试验结果,引进修正系数 用半经验公式计算 有多种计算方法 我国常用前苏联的热力计算方法（1973）
7.1 炉膛传热原理 –辐射传热方程
炉膛传热计算基本方程式
Qf axtFb0 (Th4y Tb4 ) kW
火焰和炉壁间的系统黑度，其值与 火焰黑度及炉壁黑度的大小有关
axt
1
1 1 1
ahy ab
7.1 炉膛传热原理 – 烟气放热方程
热平衡方程
炉膛出口温度下的烟气焓，kJ/kg
发光火焰（在可见光和红外光谱中连续辐射，
三倍于三原子气体）
7.1 炉膛传热原理 – 火焰辐射
影响火焰辐射因素
成分：组成不同，火焰的辐射能力不同。火焰有效辐射成 分（三原子，焦碳，灰粒，碳黑），举例气体、重油、煤 粉火焰。
分布：炉膛内分布，有效辐射成分浓度场
燃烧方式和燃烧工况：不同结构火焰
对流<5%，忽略不计（循环流化床锅炉不同） 炉内物理量取平均值，认为均匀以简化计算，如Cp，黑度，
温度
以与水冷壁相切的表面为火焰辐射表面 炉壁表面温度Tb，黑度b，同侧炉墙面积 简化为两个互相平行的无限大平面
火焰辐射表面
辐射温度=火焰 平均温度Thy
黑度=火焰对炉 壁的黑度hy
火焰中具有辐射能力的成分(4种)
三原子气体：CO2, H2O, SO2 不发光火焰(红外区域内) N2,O2 辐射与吸收能力微弱,可忽略
锅炉炉膛换热计算详解
4、炉膛受热面及火焰面均按灰体来处理
由于采用了灰体的假设，能够直接应用传热学的有效辐射概念，从 而可以大大简化了计算，以便于工程应用。炉膛受热面作为固体表面具 有固体的连续辐射光谱，被处理成灰体是完全合理的。
将与壁面进行换热的火焰面作为灰体处理带有一定程度的近似，燃 煤烟气中固体颗粒（飞灰、焦炭颗粒等）具有固体的连续辐射光谱，可 以作为灰体处理；而烟气成分中的N2，O2是辐射透明体，对辐射没有影 响，当然与波长没有关系；三原子气体CO2（14%—16%），SO2（很 少），H2O（较少）对辐射具有选择性，其吸收与辐射与波长有关。但 是，炉膛内的火焰温度均低于2000K，热辐射的波长位于红外线范围内 （0.76—20μm），在这一范围内，吸收系数α随波长λ的变化较小。因此， 燃煤烟气按灰体处理并不会带来很大的误差，但需要用试验数据加以修 正。
由于影响因素众多且关系过于复杂，基于纯数学方法描述物理化学过程的 炉膛热计算方法尚未进入工程实用阶段，因此，依赖大量经验数据的计算方法 在工程实际中仍起着不可替代的作用。
为了合理、有效地进行炉膛换热计算，至今为止，世界各国的锅炉制 造商，在经过长期的工程实践和经验总结的基础上，各自开发了行之有效 的工程计算方法。尽管各种计算方法的差别很大，但所遵循的基本思路是 一致的：
• 简化的炉膛换热物理模型 • 依赖于先进测试技术所得到的大量测试数据及其总结的经验参数 • 辅助以先进的数值计算技术等
值得指出的是，现有的各种计算方法均处于不断的改进与完善之中。 本章将主要讲述我国电站锅炉行业的教育、科研、设计制造和电厂运行、 调试等部门长期、广泛采用的常规煤粉炉炉膛工程计算方法。本章重点讲 述其基本原理、计算过程和主要的计算规定，计算的细节需要参考有关的技 术手册或计算标准。
锅炉炉膛换热计算
锅炉炉膛换热计算（锅炉原理）锅炉热力计算的目的是确定锅炉受热面与燃烧产物和工质参数间的关系，计算的基础是燃料的燃烧计算和锅炉的热平衡计算。
根据锅炉各种受热面的不同性质，将锅炉热力计算分为炉膛换热计算和炉膛出口后对流受热面的换热计算两大部分。
从热力计算方法上分为受热面的设计计算和校核计算，在工程实际中，校核计算应用的更多，譬如，当燃料发生较大的变更、锅炉受热面改造、改变运行方式等情况下均需要进行校核计算。
第一节锅炉炉膛内传热的特点一、炉膛换热的主要特点在锅炉炉膛中进行着燃料的燃烧过程，送入炉膛的燃料放出近乎全部的热量，将燃烧产物（主要为燃烧而生成的烟气）迅速加热升高至很高的温度（常规煤粉炉的炉膛火焰最高温度约为1500~1600℃）；同时，燃烧产物又以辐射为主、对流为辅的传热方式将热量传递给炉膛受热面中的工质，燃烧产物的温度沿流程逐渐降低。
二、炉膛换热计算的主要任务从传热的角度，炉膛内必须布置足够的受热面，以在炉膛的出口处将高温烟气冷却到合适的温度，使烟气进入炉膛后的密集对流管束时温度已经低于灰的熔融温度，避免受热面结渣。
炉膛换热计算均以计算炉膛出口截面上的平均烟气温度为核心。
设计计算是在已知炉膛出口温度的条件下，计算所需受热面的数量，校核计算是在已知炉膛内布置的受热面的条件下，计算炉膛出口的烟气温度。
三、炉膛换热计算的主要困难炉膛换热计算是一个受多种因素影响的复杂课题，炉膛的换热过程是伴随燃料的燃烧过程同时进行的，它不仅取决于炉膛的结构型式、几何尺寸，而且与燃料的种类、燃料性质、燃烧器的布置和型式以及运行方式等都有紧密且复杂的关系。
炉膛换热计算的主要困难来自炉内过程的复杂性。
炉膛本身结构复杂，火焰温度分布不均匀，火焰的辐射特性不易确定，尤其是燃料燃烧后对受热面产生的积灰或结渣程度难以准确计算，其对传热的影响程度也极难定量估计。
由于影响因素众多且关系过于复杂，基于纯数学方法描述物理化学过程的炉膛换热计算方法尚未进入工程实用阶段，因此，依赖大量经验数据的计算方法在工程实际中仍起着不可替代的作用。
第七章锅炉本体的热力计算
1.炉膛容积Vl
炉子火床表面到炉膛出口烟窗之间 的容积。 底部是火床表面；四周以及顶部为 水冷壁中心线表面（如水冷壁覆盖 耐火材料，则为耐火材料向火表 面） ；没有布置水冷壁的部分为炉 墙内表面 ；炉膛出口界面为出口烟 窗第一排管子中心线界面。 炉排上的燃料层厚度一般取 为150毫米。 如果装有老鹰铁，则炉排长 度计算到两者的接触点的垂 直平面，如没老鹰铁，则到 炉排末端。
Vy—对应αl''的每kg燃料燃烧后的烟气容积，Nm3/kg cpj—烟气从0到ll温度范围内的平均容积比热，kJ/Nm3· ℃。
五、火焰平均温度及水冷壁管外积灰层表面温度
事实上，燃烧是一个动态过程， 烟气温度的变化取决于燃烧放热 与辐射换热之间的平衡。
Q f 0 al H f Th4 Tb4
（7-21）
或查图
h
Aar a fh 100G y
* * k kq k g kq rq kh h C
ah 1 e
kp
2. 燃用气体或液体燃料时
分发光部分和不发光部分的黑度合成.
四、炉膛有效放热量与理论燃烧温度
炉膛有效放热量,也称入炉热量，是相应于1kg真正参与燃烧的 燃料所进入炉膛的热量，它计及了随它一起加进炉膛的其他 热量，即
解决关键
K
1 1
1
1
K
1
2
h 1 1 h 2
1
1
h 1 1 1 h 2
工业试验解决缺Βιβλιοθήκη 灰污系数值另外方法:有效系数
燃用固体燃料的错列管束，在烟气横向冲刷时，其灰污 系数与烟气的流速、管子的节距和直径以及烟气中灰粒 的分散度等因素有关。
讲解燃气锅炉传热计算方式
讲解燃气锅炉传热计算方式
燃气锅炉传热计算是指燃料燃烧计算及热平衡计算之后进行的结果，即锅炉热力计算的核心部分。
按照锅炉传热的特点，可分为炉膛传热计算、半辐射和对流受热面传热计算。
按传热计算任务的不同，又可分为设计计算和校核计算。
而设计计算的概念：设计锅炉时，根据给定活选定的炉膛出口烟气温度Ø，确定炉膛内所需布置的辐射受热面积H。
校核计算的概念：由于许多计算与炉膛结构有关，所以设计新锅炉也通常采用校核计算方式，即预先布置好炉膛结构和辐射受热面，校核炉膛出口烟气温度Ø，是否在合理的范围内。
如布置不适合，则修改后进行计算。
现有锅炉在非设计工作条件下(如燃料、负荷、运行工况活某些部件机构改变情况下)的校核计算，是根据已知的炉膛结构，校核炉膛出口烟气温度Ø，看其是否在合理范围内，若Ø值过高，则应增加辐射受热面.相反，则应减少辐射受热面。
燃气锅炉炉膛传热过程是炉内燃烧过程和燃气流动过程同时进行的，炉内既有燃烧反应的化学过程，
又有物质交换和热量传递的物理过程。
烟气的温度和成分在其行程上变化很大，呈不均匀状态，炉膛内流场、温度场、成分场(燃尽率分布)和炉壁热流分布比较复杂。
由于影响炉膛传热过程因素很多，所以到目前为止，直接用理论分析来进行炉燃气锅炉膛传热计算是不可能的，必须进行不同程度的简化，提出简化的传热模型。
锅炉炉膛传热计算
计算公式见 课本
M 与火焰中心有关的量 B0 波尔兹曼准则
B jVc pj B0 0 pj FlTa3
Ql I l" Vc pj Ta Tl "
！！！想知道推导过程 可以看看冯俊凯那本书
1
1
3.传热系数
至于对流换热系数等等见课本
q yx1 q yx2 q yx1
q yx1 火焰对炉壁的有效辐射 热负荷 q yx2 炉壁对火焰的有效反辐 射热负荷
假想黑度，对应于有效辐射热量
4 q yx1 al 0Thy ,
炉壁总换热量 Q (q yx1 q yx2 ) Fb q yx1Fb
4 Fbal 0Thy
m n
2.对流受热面的传热计算
水蒸气
' qm 2 c p 2 , t 2
烟气 qm1c p1 , t1'
" t2
t1"
Qf
烟气放热量=水蒸气吸热量？？？
烟气放热量+辐射放热量=水蒸气吸热量
2.对流受热面的传热计算
" ' Q kAt m qm1c p1 (t1' t1" ) qm 2 c p 2 (t 2 t 2 )
Q"f
Q 'f (1 a) x"p
5.67 1011 aFp"Tp4 r Bj
Q
' f
g ql Fl"
Bj
g 炉膛受热面热负荷沿高 度分布不均匀系数 考虑屏间烟气向炉膛反 辐射影响的修正系数
第一节 炉膛传热计算
4 hy
（kW）
2．辐射传热公式
4 b
4 Flal 0Thy
（kW）
3. 炉膛传热的计算 根据炉内温度场分布引入经验公式
Thy f (Tll .Tl )
对以上三个公式进行整理得炉膛出口烟气温度 的计算公式： T 273 T 273
水冷壁污染系数系数ζ： 水冷壁热有效系数 ：
x=Q管/Qhy
ζ=Q吸/Q管
= Q吸/Qhy=（ Q管/Qhy ）×（Q吸/Q管）=X ζ
（五）系数M
1.意义： 表征炉内温度分布特性，其数值取决于 炉内最高火焰温度的相对位置 X max 以及燃料和 燃烧方式。 2.计算
M A B X max x
一、炉内传热计算的计算式 炉膛内工作过程的简化：分别考虑燃烧和传热；炉内以辐射换热 为主，忽略5%对流热；炉膛水冷壁及火焰面按灰体处理；用 炉内平均温度表示炉内火焰辐射特性参数；以炉膛出口烟温为
定性温度；
1．烟气在炉膛内的放热公式
Q B j Ql H l B jVC pj Tll Tl
2.计算：
100 q3 q4 q6 Ql Qr Qk Qwr 100 q4
（kJ/kg）
0 0 Qk l l zf I rk l zf I lk （kJ/kg）
由计算所得的Ql查烟气温焓表得Tll。 （二）烟气平均热容量：
q fp q fg
（kW/m2）
ll l l
a F T M l 0 l B VC j pj
3 ll
0.6
（℃）
1
或者
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未知
未知
一个方程，三个未知数，如何求？？？利用相似原理来求求解
2.炉膛传热计算方法
一、前苏联“热力计算标准方法” 1.单室炉及半开式炉膛中的换热计算
0.6 Tl " B0 0.6 Ta Mal0.6 B0 " l
计算公式见 课本
M 与火焰中心有关的量 B0 波尔兹曼准则
Ql Qr 100 q3 q4 q6 o o Qk， Qk al" al azf I rk (al azf ) I lk 100 q4
理论燃烧温度：假定燃料燃烧时放出的热量未向外界传热而使烟气所能达到的 最高温度，它与有效放热量Ql相关。烟气各个气体成分的比热是温度的函数， 不能直接计算，只能用试算迭代法计算。
保热系数
Ql I l" Vc pj (Ta Tl " ) Q B jVc pj (Ta Tl" ) Vc pj ——每kg燃料烟气的平均比热容 Ta ——绝热燃烧温度
1.炉膛传热原理
炉内有效放热量：包括修正后的1公斤燃料的有效放热量、1公斤燃烧用空气带 进炉膛的热量。
1.炉膛传热原理
从火焰和烟气的放热过程计算炉膛换热 原始的燃烧放热+烟气再循环热量-炉膛出口的烟气焓=炉膛换热
Q B j Ql I l" , KW q5 q5
1
Ql 炉膛有效放热量（每kg燃料计算的锅炉输入热量 加上烟气再循环的热量） B j 锅炉计算燃料量，kg / s
水垢表面对流
高温烟气对流 和辐射放热的热阻 1 d f
灰层热阻
管壁导热热阻
换热系数
h m g 1 R 1 h m g 2
1 K
h h
m m
水垢热阻
2
m m
h m g 1 1 h m g 2
1
1
B jVc pj B0 0 pj FlTa3
Ql I l" Vc pj Ta Tl "
！！！想知道推导过程 可以看看冯俊凯那本书
最终计算公式
Tl" ——炉膛出口温度 Ta ——绝热火焰温度 M ——火焰中心位置修正系数
Ta Tl 0Fl alTa3 0.6 M( ) 1 B jVc pj
Ql VC p 0
该如何求绝热燃烧温度呢？根据Ql查炉膛处烟气焓温表，找出温度对应值。 示例！ ((F10-24195.29)*100)/‘烟气焓温表（炉膛、 屏式过热器、高温过热器）’!F36:F37+1900）
1.炉膛传热原理
热平衡方程： 未知
4 xt Fb0 (Thy Tb4 ) BjVc pj (Ta Tl" )
炉膛传热计算
主要内容
炉膛传热原理 炉膛传热计算方法 炉膛黑度计算 炉膛受热面的辐射特性
1.炉膛传热原理
一、炉膛传热过程 复杂问题。燃烧和传热同时存在，燃烧问题比较 复杂，如何处理是个比较难的问题 传热分析，化学热 燃烧放热 炉膛水冷壁 水 烟气 火焰温度分布曲线（先升高，后下降） 炉膛内温度高，传热以辐射为主 任务：按照选定的炉膛出口温度布置辐射受热面 积，或者布置了炉内辐射受热面积，校核炉膛出 口烟温是否合适。
1.炉膛传热原理
三、炉膛辐射传热公式 方法：利用假设来建立物理模型和数学模型，用经验公式和半经验公式方法 假设： 传热与燃烧模型分开，引入经验系数考虑燃烧工况 忽略对流换热 各物理量均匀分布 火焰与炉膛的处理辐射换热等效为两块大平板 两块大平板的物理量为
b , Tb , hy , Thy
Q"f
Q 'f (1 a) x"p
5.67 1011 aFp"Tp4 r Bj
g ql Fl"
Bj
g 炉膛受热面热负荷沿高 度分布不均匀系数 考虑屏间烟气向炉膛反 辐射影响的修正系数
ql 炉膛辐射受热面的平均 热负荷 Fl" 炉膛出口烟窗的截面积
3.传热系数
要想知道炉膛黑度必须 知道火焰黑度和热有效 系数
3.炉膛黑度计算
二、火焰黑度 将火焰当做灰体处理，固体燃料火焰黑度求法
k k q r k h h k j x1 x2 k q 三原子气体的辐射减弱 系数 0.78 1.6 H 2O Tl" k q 10.2 （ 0.1 ） (1 0.37 ) 1000 10.2 pq s r rH 2O rCO2 VH 2O VCO2 Vy
4.炉膛受热面的辐射特性
一、热有效系数（火焰投射到炉壁）
=
受热面吸收的热量 投射到炉壁的热量
二、角系数（几何参数，物理量？） 求解方法见传热学课本第？章辐射换热计算，对于课程设计，查表，也可采 用公式计算
x= 投射到受热面上的热量 投射到炉壁的热量
三、污染系数（针对水冷壁污染来讲的） 可以查表，课本以及课程设计书中表3-4有
ahy 1 e s 3.6 Vl Fl
kps
k 火焰辐射减弱系数 p 炉膛压力 s 炉膛的有效辐射层厚度 Vl 炉膛容积 Fl 炉壁面积
关键是求k
k h 火焰中悬浮灰粒辐射减 弱系数 kh 55900
3 2 Tl"d h
h 飞灰浓度
k j 火焰中焦炭颗粒的辐射 减弱系数 x1 , x2 影响系数
假想黑度，对应于有效辐射热量
4 q yx1 al 0Thy ,
炉壁总换热量 Q (q yx1 q yx2 ) Fb q yx1Fb
4 Fbal 0Thy
4 Qf xt Fb0 (Thy Tb4 )
联立求解可以推出
Tb4 al (1 4 ) 1 1 Thy ( 1) ahy ab 1
2.对流受热面的传热计算
针对过热器再热器具体公式为：
Qd KHt Bj
0 Qd ( I I I lf )
保热系数
I 进口烟气焓 I 出口烟气焓
0 I lf 漏风焓
漏风系数 对含有辐射热量的屏式 过热器 Qd D (i i) Q f Bj D (i i) Bj
主要内容
对流换热面的传热特点
对流受热面的传热计算 传热计算
1.对流受热面传热特点
传热特点 对流换热为主，但是还是有辐射。如何考虑？ 传热学中是把这部分计算在那？ 对流换热为主：对流过热器和再热器、是省煤 器、空气预热器。屏式换热器，前屏以辐射为 主，计算在炉膛里。大屏及后屏半辐射式用对 流受热面公式计算 m n 计算公式 Nu C Re Pr ，具体参数选取课本 以及锅炉课程设计一书
1.假设炉膛出口温度 2.某些物理量的定义 其它炉型及公式看看书即可，求解方法大同小异！
3.炉膛黑度计算
一、炉膛黑度计算 说明：炉膛黑度是进行炉膛热力计算时引进对应于火焰有效辐射的 假想黑度。其与火焰黑度和炉壁黑度有一定关系。
q yx1 q yx2 q yx1
q yx1 火焰对炉壁的有效辐射 热负荷 q yx2 炉壁对火焰的有效反辐 射热负荷
" l
Ta
3 o l pj FT l a M B V C j y pj 0.6
273 1
Q (Ql Il" )
计算过程： 1、假定θl’’ 2、计算 M、 、Vcpj、al、Ta 2、用该公式计算θl’’ 3、检验假设
对流换热面计算
其它的 Qd
2.对流受热面的传热计算
来自炉膛的传热 量经过屏吸收后 剩下的
对于空气预热器 " ky o" o ' Qd ky 2 ( I ky I ky ) 屏式过热器的辐射吸热 量为 Q f Q 'f Q"f Q 'f
烟气对屏后受热 面辐射的热量
(i ) A已知，t m？一般只知道四个温度 中两个？
' 假设一个温度， eg：已知t1'，t 2 ，可以假设t1"， " 从而可以求出t 2 , 知道Q
(ii )由烟气流量以蒸汽流量 及换热面布置情况 计算k (iii)Q kAt m Q - Q (iv) 1% Q (v)不满足再假设温度值
1.炉膛传热原理
二、火焰辐射 1辐射成份 三原子气体（CO2,H2O） 焦炭粒子 灰粒 炭黑粒子（缺氧，高温裂解，黄色火焰，PAH，soot） 2辐射影响因素 火焰辐射成份（不同燃料） 有效辐射成分在炉膛中的分布 燃烧方式和燃烧工况（同燃料，不同的燃烧方式） 各辐射成分的相互影响
=
受热面吸收的热量 投射到受热面上的热量
x
5.火焰中心位置修正系数
系数M是用来考虑炉膛高度方向温度最高处的相对位置对炉内换热影响的参数。
M A B( xi x) Hr xi Hl Hr
nB H n B
i j i i
ri
各参数具体含义请见课程设计书28页
炉膛传热计算过程
"
0 ——黑体辐射系数（5.67 10-11）
Fl ——炉墙面积
——水冷壁热有效系数的平均值
Vc pj ——1kg燃料燃烧产物在Ta -Tl"区间内总的平均比热容
已知量？？？？
Ta、0、Fl
——保热系数 B j ——计算燃料消耗量
al ——炉膛黑度
未知量？？？ Tl"、M、 、Vcpj、al
2.对流受热面的传热计算
水蒸气
' qm 2 c p 2 , t 2