第9章 锅炉传热性能计算

第9章 锅炉传热性能计算
1. 说明炉内换热的特点。

答：
1) 炉膛内的传热过程与燃料的燃烧过程同时进行，参与燃烧与传热过程的各因素相互
影响。

2) 炉膛传热以辐射为主，对流所占比例很小。

3) 火焰与烟气温度在其行程上变化剧烈。

4) 火焰在炉膛内的换热是一种容积辐射。

5) 运行因素影响炉内传热过程。

6)
2. 炉内烟气的成分有哪些？请说明它们对炉内换热的作用。

答：
烟气一般由二原子气体（N 2，O 2，CO ）、三原子气体（CO 2，H 2O ，SO 2）以
及悬浮固体粒子（炭黑、飞灰，焦碳粒子）所组成。

氮和氧发射和吸收辐射热的能力很弱，可以认为是透明的，一般情况下，烟气中CO 的浓度很低。

因此，烟气中具有辐射能力的主要是三原子气体和悬浮的固体粒子。

包括：1）三原子气体：CO 2，H 2O ，SO 2在红外线光谱区的某些光带内辐射和吸收能量，在光带外，既不辐射也不吸收，呈现透明性质。

2）炭黑粒子：燃料的烃类化合物在高温下裂解而形成炭黑粒子，其直径约为0. 03μm ，具有很强的辐射能力，使火焰发光。

3）灰粒子：焦碳粒子的可燃成分燃烬后的剩余部分，直径约为10~20μm ，有一定的辐射能力，在高温下发光。

4）焦碳粒子：煤粉颗粒中的水分和挥发分逸出后的剩余部分，其直径稍大，约为30~50μm ，有很强的辐射能力。

3. 炉内传热计算的原理和基础方程式是什么？简述原苏联的炉内换热计算的基本思路，并
与我国层燃炉炉内换热计算方法做比较。

答：1）热平衡方程式：根据能量守恒原理，烟气在炉膛内的换热量可以看成烟气从理
论燃烧温度到炉膛出口温度的焓降，即
()''j l l Q B Q I ϕ=-，其中，ϕ——保温系数；j B ——计算燃烧消耗量；l Q ——
有效放热量。

2）辐射换热方程式：由于炉内传热以辐射为主，对流传热可忽略不计，因此辐射换热量可以认为等于炉内传热量。

（1）由Stephan-Boltzmann 定律直接计算辐射换热量
()4
40xt l hy b Q a F T T σ=-，式中，xt a ——系统黑度；hy T ，b T ——火焰和炉壁的平
均温度；l F ——炉壁面积。

（2）根据有效幅射计算换热量
4
0l l hy
Q F a T ψσ=，式中，ψ——炉壁的热有效系数，12
1
yx yx yx q q q ψ-=，1yx q ——火
焰对炉壁的有效辐射，2yx q ——炉壁对火焰的有效辐射；l a ——炉膛黑度。

4. 何谓炉膛黑度？引出它有何意义？请从有效辐射的定义和Stephan-Boltzmann 定律导出
室燃炉的炉膛黑度表达式。

答：炉膛黑度是对应于火焰有效辐射的一个假想的黑度。

对于室燃炉，由传热方程()
440xt l hy b Q a F T T σ=-和4
0l l hy Q F a T ψσ=，令二者相等，则有
火焰的有效辐射
炉壁对火焰的有效辐射
而
代入后，整理得
4
41xt b l hy
a T a T ψ⎛⎫=- ⎪ ⎪⎝⎭441
1111b hy
hy b T T a a ψ⎛⎫=- ⎪
⎪⎛⎫⎝⎭
+- ⎪ ⎪⎝⎭
410yx l hy
q a T σ=()44
2001yx b b b l hy
q a T a a T σσ=+-12
1
yx yx yx q q q ψ-=
4
1b l hy b T a T a ψ⎛⎫⎛⎫=- ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
5. 辐射受热面的有效角系数x 、热有效系数ψ和污染系数ς的定义如何？三者之间的关系
怎样？
答：有效角系数x ：x =
投射到受热面的热量
投射到炉壁的热量
热有效系数ψ：=
ψ受热面吸收的热量
投射到炉壁的热量
污染系数ς：=
ς受热面吸收的热量
投射到受热面的热量
三者的关系为：=x ψς
6. 计算火焰中炭黑粒子的辐射减弱系数的公式为
()''
''10.32 1.60.51000ar th l
ar
C T K H α⎛⎫=-- ⎪
⎝⎭ 说明炉膛出口过量空气系数、炉膛出口烟温及燃料中碳氢比的影响。

答：从公式中可以看出：炉膛出口过量空气系数越大，th K 就越小，当''l α=2时，th K =0。

炉膛出口烟温越高，炉内温度越高，C H m m 分解的越多，th K 就越大。

燃料中碳氢比越高，炭黑粒子的浓度就越高，th K 就越大。

7. 炉膛负荷的变化怎样影响炉内换热的大小及炉膛出口烟温的大小？
()1
11
hy
l hy hy hy a a a a a ψψψ=
=
-+-+1
1hy
l
a a ψ
ψ-=
-11111hy b l b a a a a ψψ⎛⎫+-=-+ ⎪ ⎪⎝⎭
1
11111l l b hy b a a a a a ψψ⎡⎤⎛⎫=
--
⎢⎥ ⎪⎛⎫⎝
⎭⎣⎦+- ⎪ ⎪⎝⎭
答：运行中锅炉负荷的变化会引起燃料消耗量的变化，炉内温度场随之改变，导致炉内辐射换热量的改变，但是炉内辐射换热量的变化幅度并不等同于燃料量的变化幅度。

当锅炉负荷增加时，火焰平均温度的增加大于辐射换热量的增加，炉膛出口烟焓必然增加，炉膛出口烟温升高。

8.请说明确定炉膛出口烟温的原则，并请给出各锅炉炉膛出口烟温的推荐值。

答：确定炉膛出口烟温的原则：
（1）保证锅炉辐射受热面和对流受热面工作的可靠
T。

燃用液体和气体燃料燃用固体燃料时，以受热面不结渣为为限，一般应小于D
时，无结渣问题，主要受经济性的限制，但炉膛出口烟温不能太低，否则炉内平均温度水平降低，影响着火的稳定和燃尽。

（2）技术经济性的要求
炉膛中辐射传热量与火焰的温度的四次方成正比，在高烟温区中辐射传热的效果优于对流传热，因此，若吸收相同的热量，采用辐射传热可以节省受热面积和金属消耗量。

但过多地增加辐射受热面后，炉膛出口温度降得太低，亦即炉内温度水平较低，这不仅影响燃烧的顺利进行，而且辐射热负荷的减低，节省金属的优越性不能充分体现。

因此，若较高辐射受热较少，对流受热面就须很多，但较低辐射受热较多，对流受热面就也减少不了很多。

故有最佳值使得二者和为最小。

我国热力计算标准方法中推荐，小型锅炉燃用固体燃料时，炉膛出口烟温不宜低于950℃。

对于燃用固体燃料的大中型室燃炉，比较经济合理的炉膛出口烟温约为1200℃，燃用气体燃料时，因其火焰发光性较差黑度较小，辐射传热效果差，而对流受热面没有飞灰磨损的限制，将用较高的烟气流速，以获得较大的对流传热系数，炉膛出口烟温可提高到1400℃左右。

9.一台锅炉运行时，影响炉膛出口烟温的因素有哪些？是怎样影响的？为什么？
答：影响炉膛出口烟温的因素：
（1）燃烧器型式及布置位置。

燃烧器型式及布置位置不同，将会明显地改变炉内火焰中心的位置，当火焰中心提高时，炉膛出口烟温升高。

（2）受热面的多少。

若炉膛辐射受热面增加，将使炉膛出口烟温降低。

（3）炉膛形状系数。

炉膛形状对炉膛传热过程有影响，而且主要反映在对炉内温度场
的影响上。

（4）受热面积结渣和积灰程度的变化。

程度严重时，恶化炉内传热过程，造成炉膛出口烟温升高。

（5）锅炉负荷变化。

当锅炉负荷增加时，火焰平均温度的增加大于辐射换热量的增加，炉膛出口烟焓必然增加，炉膛出口烟温升高。

（6）过量空气系数的变化。

过量空气系数增加，送入炉内的吸热性介质增多，烟气的热容量增大。

如果过量空气系数增加较多，送入炉膛的空气被加热到火焰的温度所吸收的热量大于因炉内烟气平均温度的降低而减少的辐射换热量，炉膛出口烟温下降；如果过量空气系数过小，则炉膛出口烟温上升。

（7）烟气再循环。

部分烟气进入炉膛后可以改变炉膛烟气的平均热容量，降低炉膛烟气的平均热容量，降低炉膛烟气的平均温度，改变炉膛受热面的热负荷，控制炉膛出口烟温。

再循环延期送入的位置不同，再循环烟气量不同，对炉膛出口烟温的影响也不同。

10.说明对流受热面的传热过程。

哪些受热面是锅炉的对流受热面？其传热有何特点？答：对流受热面的传热过程：就一圆管来说，可分为如下三个环节：
（1）从热流体（烟气）到壁面高温侧的热量传递。

由于积灰，管外壁上有灰层，实际上是热流体向灰层外表面放热。

（2）从壁面高温侧向低温侧的热量传递。

（3）从壁面低温侧向冷流体的热量传递。

由于有结垢，实际上是垢层表面对冷流体的放热。

锅炉的对流受热面：对流管束、防渣管束、过热器和再热器的对流部分、省煤器及空气预热器。

布置在炉膛出口的半辐射式过热器。

对流受热面具有以下特点：
（1）对流传热方式为主；
（2）由于烟气中含有三原子气体及飞灰，因此受热面还接受烟气的辐射放热，为一复合传热过程。

（3）布置在炉膛出口处的对流受热面还接受来自炉膛的辐射热。