锅炉受热面金属壁温计算

qw,max kr qo
qo





2 1
p tpj

1 2


1 1

0.25 qd
103
23
思考题
1. 影响管壁温度的因素有哪些？如何影响？ 2. 试述鳍片形状对壁温的影响。
24
12
壁温计算基本公式的推导
这样问题就归结为寻求一个确定热量分流系数的简单方法。
上式中， r f q , Bi,
●均匀加热， μ (r)＝1 ●非均匀加热，μ (r)＜1 ●μ (r)是r处剩余热量的份额，
1-μ (r) 是分流热量的份额。 ●μ (r)值大，分流作用小，壁温高，对管壁不利。

tgz

t2

tnw

tgz


qw
2

qw

2
1
由此可见：管壁温度和工质温度、热流密度、管内壁放热 系数、管材导热系数、管壁厚度及内外径比等因素有关。
7
壁温计算基本公式的推导
2. 圆管沿圆周不均匀受热时的管壁温度
求解圆管中各点温度可以用传热学中的导热方程来
解。忽略沿管子长度的导热，问题简化为二维的拉 普拉斯方程：
td

tg

qh

A
其中，A为形状系数：A
1h
2 bg
a ln a 1 a
a 1 a2
0.375 bd h

16
鳍片形状系数
a＝bd/bg • a一定，有一h/bg的最
佳比值，使Amin，则 tdmin。 • h/bg＞Amin对应的h/bg 时，a↑，使A↓，则 td↓。最好采用矩形 鳍片。 • h/bg＜Amin对应的h/bg 时，a↓，使A↓，则 td↓。最好采用梯形 鳍片。
13
壁温计算基本公式的推导
Bi

2 rn
rn / 1/2
固体内导热热阻（内阻） 内表面换热热阻（外阻）
Bi小，内阻小，外阻大，μ小（分流作用大）； Bi大，内阻大，外阻小，μ大（分流作用小）。
14
壁温计算基本公式的推导
3. 膜式水冷壁的管壁温度
鳍片管温度场的分布规律也可用拉普拉斯导热方程进行理论求解。 这里只介绍最简单的矩形结构鳍片温度场的求解方法：
ix ipj 1 ix C 1 ix,qi
其中，C为进口混合不完全系数，考虑了 前一级管组对计算管组的影响。
22
壁温校核点的最大热强度
计算方法 受热面类型
计算公式
水冷壁受热面（炉膛分区 计算时）
qw,max rkrqqm
qm

g r ,max
ql
屏和对流受热面
2t 1 t 1 2t 0
r 2 r r r 2 2
边界条件为：
r

dw 2
,
t r

q


r

dn 2
, t r

2
t tgz
8
壁温计算基本公式的推导
利用分离变量方法解之得：
t

tgz

G 2
Gdw ln 2r dnGn 2 dn n1 2n
锅炉受热面金属壁温计算
教师：刘银河 日期：2008-5
1
主要内容
1. 进行壁温计算的必要性 2. 壁温计算基本公式的推导 3. 壁温校核点工质温度的计算 4. 壁温校核点最大热负荷计算
2
一、管壁温度
所有受热管壁温度必须低于安全极限。
（1）高温持久强度：反映了金属材料在高温下长期 使用直至断裂时的强度和塑性性能，有一个极限允许 温度。平均tb应满足钢材的高温持久强度要求。 （2）抗氧化温度：氧化速度主要取决于温度， tw小 于快速氧化温度（强度计算中用附加壁厚考虑）。 （3）热应力和热疲劳：限制壁温波动。
ijx rk
Qqdrq Bj
Dgz
• 当炉膛不分区计算时，计算区段的吸热量为：
Qqd
rg ql H qd , f
Bj
20
屏和对流受热面管组中工质平均焓增计算
• 从计算管组进口到计算截面区段中工质的平均焓增
计算式为：
ijx rk
Qqd Bj Dqd
计算管段吸热量
17
壁温计算基本公式的推导
• 鳍根温度也是圆管上相应位置的温度，根据前 述圆管外壁温度计算方法确定，即：
tg

tgz

g qmax
1
2

2
(

1)

至此，若已知管外最大热流强度和工质温度， 就可以计算出相应位置的管壁温度。
18
壁温校核线处工质的温度
•校核线上工质平均温度tpj的计算方法
非均匀加热，径向、周向传递时，
qr

qrj

rwqw max r
定义热量分流系数μ (r)
(r) qr qr 1
qrj rwqw max / r
导热系数λ 为常数时，热量比也就是温升的比值：
r
tr tgz trj tgz

半径r处的实际温差 沿圆周以qmax均匀加热时r处的温差11


2t
y2
2t x2
0

t x0 tg
t 0
x x=h


t
0
t q

y y-b 2
y y= b 2
15
壁温计算基本公式的推导
采用分离变量法求解得到鳍端温度为：
td

tg

qh
2

h b

0.75
b h

对于梯形鳍片，计算结果为：
1. 圆管沿圆周均匀受热时的管壁温度
考察一个内外径分别为dn和dw
qw
的圆管，数学描述为：

d dr

r
dt dr


0
dt dr

qw

,r

dw 2
解之得，管子外壁温度和内壁温度之差为：
tnw

qwdw ln
2

qwdw 1 2时

2

计算方法 受热面种类 亚临界锅炉蒸发受热面
校核线工质平均温度 tpj的计算方法
取工质平均温度为该压力 下的饱和温度
亚临界锅炉其他受热面和 根据计算截面处的工质平
超临界锅炉所有受热面
均焓和压力确定
19
辐射受热面管组中的工质平均焓增计算
• 从水冷壁计算管组进口到计算截面区段中工质的 平均焓增计算式为：
n1


2n

Bi Bi

n n


2r dn
n


dn 2r
n
Fra Baidu bibliotekBi Bi

n n

cos n

其中，
G

1


0
q

d
Gn

1

q cosn d
0
Bi 2dn 2
9
讨论沿管壁周向热负荷最大处的壁温
3
壁温计算的必要性
壁温计算的必要性
保证锅炉安全工作
热应力计算的前提
“四管爆漏” 严重
壁温测量不准确
问题1
问题2
4
壁温计算基本公式的推导
• 根据传热学的基本知 识，有
tnb tgz t2
twb tgz t2 tgb
tb

tgz

t2

1 2
tgb
5
壁温计算基本公式的推导
qrj, trj
假设热负荷沿管子圆周分布状况如图所示。 假设另外有一热负荷沿圆周均匀分布的情况，其热负荷值等于
qw,max，此时θ=0 处的壁温容易求出。 设法将这两种情况在θ=0 处的壁温联系起来。
10
讨论沿管壁周向热负荷最大处的壁温
Qw,max均匀加热，全部径向传递时， qrj

rwqw,max r
2
1

1


2qw ,
1
dw
dn 6
壁温计算基本公式的推导
又有，管子内壁温度与工质温度之差为：t2

qn
2

qw 2
于是，管子沿厚度方向平均温度为：
tb

tgz

t2

1 2
tnw

tgz


qw
2

qw


1
管子外表面温度为：
twb
Qqd
Qf qd
Qd qd
对流及管间辐射热量
Qqdd

KHqd, jtqd Bj
管段吸收来自炉膛和（或）与之毗邻的烟气空
间（屏）的辐射吸热量
Qqfd

q f Hqd , f Bj
21
壁温校核点处工质的温度
•校核点处工质温度偏差δt的计算方法
－根据热偏差系数计算得到偏差管中的工质最大焓值来确定
壁温计算基本公式的推导
因此，对于实际管子中最大热负荷处（ θ=0 ）的外壁温度 和平均管壁温度分别可以表示为：
twb
tgz

rw
qw,max
2

rw qw,max
2
1
t jb

tgz

r
qw,max
2

r qw,max

1