1、第四章第四章 对流受热面的传热计算对流受热面的传热计算 4-1 基本方程式基本方程式一、对流受热面一、对流受热面是指炉膛出口后烟气行程中所有用来交换烟气热是指炉膛出口后烟气行程中所有用来交换烟气热量的受热面。量的受热面。特点：特点：（1）对流传热方式为主）对流传热方式为主（2）由于烟气中含有三原子气体及飞灰，）由于烟气中含有三原子气体及飞灰，受热受热面还接受烟气的辐射放热。为一复合传热过程。面还接受烟气的辐射放热。为一复合传热过程。（3 3）布置在炉膛出口处的对流受热面还直接受来）布置在炉膛出口处的对流受热面还直接受来自炉膛的辐射热自炉膛的辐射热。一、传热基本方程式 传热方程：jcrBtKHQ
2、 除以jB表示以每 kg 计算燃料为基础。热平衡方程：烟气侧 0 lfrpIIIQ 工质侧 fjrpQBiiDQ 4-2 传热过程和传热系数传热过程和传热系数传热过程：传热过程：三个串联环节三个串联环节（1）从热流体（烟气）到壁面高温侧的热量）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。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。）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）从壁面低温侧向冷流体的热量传递。由于有结垢，实际上是垢层由表面对冷流体的于有结垢
3、，实际上是垢层由表面对冷流体的放热。放热。即，辐射对流热烟气外壁导热内壁对流工质 烟气对灰层外表面的对流传热量 110bddttldQ即牛顿冷却公式 我们知道，辐射传热量与两物体温度四次方之差成正比。为了方便，把高温烟气对灰层外表面的辐射放热也写或牛顿冷却公式的形式，即 010ttldQff 总放热量 110bfdfdttldQQQ 1101bttld 0d灰层外表面直径 1t烟气平均温度 1bt灰层外表层温度 ldttQb0111ldttQbbhh121ldttQbbmm232ldttQbbgg323ldttQb4222说明各符号的意义，注意：说明各符号的意义，注意：d1,d2,d3,为平均
4、直径，整理得：为平均直径，整理得：402302010102111ddddddddldQttggmmhh以灰层外表作为计算基础的圆管传热系数以灰层外表作为计算基础的圆管传热系数K为为 4023020101111ddddddddKggmmhh同样可得到按垢层内表面为计算基础的传热系数 K 2342414041111ddddddddKggmmhh分析与说明：分析与说明：（1）KK 即理论上传热系数的数值与计算面积有关。于是传热量的数值也计算面积有关。所以在传热计算时必须搞清二者的关系。（2）由于一般锅炉的工质经过严格水处理及运行的煮炉情况，水垢较少或无水垢，即 0，nddd43（管内径）（3）由于金
5、属的导热系数较大，金属的热阻可忽略不计，即 0mm。（4）管外壁虽有积灰，但一般灰层较薄，即 ddd10（管外径）。（5）计算表明，无论何种情况，采用平壁传热系数的计算公式来代替上面的计算公式，即认为 1ndd，所引起的计算误差不大。但是，传热量的数值受计算传热面积的影响仍很大。实际中，任何情况可以认为：21111KKhh以平壁代圆管(a)当管壁两侧的放热系数相差很大时，以放热系数小的当管壁两侧的放热系数相差很大时，以放热系数小的侧面积作为计算传热面积。侧面积作为计算传热面积。(b)b)当两侧的放热系数相当时，以内、外壁的表面积的算当两侧的放热系数相当时，以内、外壁的表面积的算术平均值作为计算
6、传热面积。术平均值作为计算传热面积。（6）理论 上，1为 烟气 对灰层 外 表面 的放 热系 数，即 应以h1代 替1。综 合 上 述，传 热 系 数 可 一 般 性 地 表 示 为 21111hhK 尽 管 如 此，实 际 中，上 式 直 接 由 于 确 定 传 热 系 数 仍 有 困 难。须 由 实 验 确 定 K 的 大 小。实用的传热系数计算式实用的传热系数计算式 燃用固体燃料，管束错列布置时 21111K 污染系数 1对流式过热器对流式过热器燃用固体燃料，管束顺列布置，以及燃用气体和液体燃料时 21111K 热有效系数 2省煤器，真流锅炉的过渡区，蒸发受热面等，燃用固体燃料，管束错列
7、布置时 111K 燃用固体燃料，管束顺列布置及燃用气体和液体燃料时 1K 对于凝渣管和小型锅炉的锅炉管束，燃用固体燃料时，不论布置型式如何，1K 3 半辐射式屏式过热器 211111dfQQK 式中：dfQQ1考虑屏式过热器吸收炉膛辐射热影响的系数 fQ屏吸收炉膛的辐射热量 dQ屏吸收屏间烟气的辐射和对流的热量 因为：屏的受热面按平壁计算，烟气侧的放热系数 fpdxsd212 屏的利用系数，s2屏的管子纵向管节距，xp屏的辐射角系数 4管式空预器 2121K 利用系数 5回转式空预器 2111kyxxCK yx，kx烟气侧受热面，空气侧受热面各点总受热面积的份额 4-3 对流放热系数对流放热系
8、数由传热学，受迫流动下由传热学，受迫流动下 PrRe,fNupdCvwdfd,对于锅炉对流受热面，影响的因素有物性，流对于锅炉对流受热面，影响的因素有物性，流速，温度。管束中管子布置方式及结构特性，速，温度。管束中管子布置方式及结构特性，受热的冲刷方式等。受热的冲刷方式等。放热系数的值多是在专门试验台上用试验方法放热系数的值多是在专门试验台上用试验方法确定，用相似理论方法加以整理，得出各种实确定，用相似理论方法加以整理，得出各种实用的计算公式。用的计算公式。一、横向冲刷管束时的对流放热系数一、横向冲刷管束时的对流放热系数错列布置时错列布置时 33.06.0rensdPRdCCsC节距修正系数
9、nC考虑沿气流方向管子排数以及横向相对节距的修正系数 2.顺列布置 33.065.0rensdPRdCC(4)管束的入口、出口流动都是不稳定，只有当排数相当多，一般 n10 时才能不考虑其影响。3.讨论：讨论：(1)Re的影响较大的影响较大(2)相同的 Re，错列时，一般d较大（虽然6.065.0，但修正系数sC相差较大）(3)d,d,小 d 有强化传热之效果 二、纵向冲刷受热面的d ltredldCCPRd4.08.0023.0 Dittus-Boelter correlation dld当量直径，非圆形时 VFddl4 布置管束的矩形通道dnbadnabddl2442 tC考虑管壁温度对流
10、体特性影响的温度修正系数，当管内为烟气且被冷却以及管内为水蒸汽和水且被加热时1rC，管内为空气且被加热时 5.0btTTC T，Tb分别为流体（空气）和管壁内表面的温度 lC管长修正系数 50dl，1lC，否则 1lC 三、转式空预器 其结构特性不同性单纯的管内纵向冲刷，其d也主要通过试验决定。4.0RmlalltdPRdCAC A 与传热元件型式有关 m考虑无件型式的指数，强化传热型 m=0.83,其它 m=0.8 4-4 辐射放热系数辐射放热系数一、计算公式一、计算公式管间烟气中含有三原子气体及飞灰，具管间烟气中含有三原子气体及飞灰，具有辐射能力，与对流受热面有辐射换热，有辐射能力，与对流
11、受热面有辐射换热，由于烟气及鉴定壁都不是黑体，辐射能由于烟气及鉴定壁都不是黑体，辐射能要经历多次吸收和反射的过程才能被空要经历多次吸收和反射的过程才能被空气吸收，数学上严格处理较困难，只能气吸收，数学上严格处理较困难，只能近似处理。近似处理。由于管壁黑度较大，在 0.80.9 之间，烟气与管壁之间的辐射可仅考虑一次吸收的部分，而用增加管壁表面黑度的方法来考虑多次吸收与辐射的因素，用管束黑度 gsa来代替管壁黑度 ba，且取 21bgsaa 假定固体燃料所生成的含灰烟气与管束均假定固体燃料所生成的含灰烟气与管束均为灰体，因此是两个灰体之间的辐射换热。为灰体，因此是两个灰体之间的辐射换热。4404
12、040hbygsyyhbgsgsyyfTTaaaTaaTaq而 hbyffTTq N ew ton 冷 却 公 式 yhbhbygsyhbyhbygsyfTTyTTaaTTTTa4304401 当燃用气体和液体燃料时，烟气为不含灰气流，当燃用气体和液体燃料时，烟气为不含灰气流，有效辐射成分仅是三原子气体，此时，烟气的吸有效辐射成分仅是三原子气体，此时，烟气的吸收率不等于黑度，即烟气不能作为灰体来处理。收率不等于黑度，即烟气不能作为灰体来处理。设 烟 气 的 吸 收 率 为 Ay，则yyaA 进行修正 4.0hbyyyTTaA 则yhbgsgsyyfATaaTaq4040 最后最后 6.3306
13、.34.04011yhbyhbygsyhbyhbyygsgfTTTTTaaTTTTTaa二、烟气黑度，灰壁温度等的计算二、烟气黑度，灰壁温度等的计算烟气黑度 kpsyea1 其中 hhggkrkK 对不含灰气流，0h（燃油及气）对层燃炉，也可取0h 烟气的有效辐射层厚度 管束 149.0221dssdS 屏 CBAS1118.1 A、B、C相邻两片屏间烟气的高、宽、深 管内冲刷的管式空预器 ndS9.0 灰壁温度的计算：灰壁温度的计算：屏式受热面，对流过热器及包墙管过热器，可按阻叠加原理计算屏式受热面，对流过热器及包墙管过热器，可按阻叠加原理计算 即21ttqhb 一般管壁热阻 0 HQBtq
14、ttjhb2211 污染系数（顺列，固体燃料时，取=4.3m2/kw，液体时=2.6 而不取；其它按的规定。）其 它 受 热 面ttthb 度取空气和烟气的平均温平均值受热面燃用气体燃料时的所有的单级双级布置的小型锅炉的锅炉管束直流锅炉的过渡区双级布置的的单凝渣管kysmCsmCsmsmCCCt400,25,4006080三、对流烟道中气室辐射的影响三、对流烟道中气室辐射的影响对流烟道中往往有空的气室存在，如转弯气室，各级受热面对流烟道中往往有空的气室存在，如转弯气室，各级受热面之前或级间的气室，这些气室中的烟气具有辐射能力。之前或级间的气室，这些气室中的烟气具有辐射能力。气室对四周的辐射热量
15、气室对四周的辐射热量 jfhbpjffBHtQ/f气室的辐射放热系数 fH气室四周受热面的辐射受热面积 气室辐射对下游受热面辐射的影响，一般用增大计算管束的辐射放热系数的办法来考虑。07.025.010001gsqsqsffllTc qsT计算管束前气室中的烟气温度 qsl气室在烟气流动方向上的深度 gsl管束在烟气流动方向上的深度 C系数，与燃料种类有关 f计算管束的辐射放热系数 气室辐对上游的影响可不计。4-5 对流受热面污染及冲刷不对流受热面污染及冲刷不完全对传热的影响完全对传热的影响受热面上的积灰及冲刷不完全壁免不了一般用，及来考虑影响的大小流场不均匀烟气含灰 一、污染系数一、污染系数
16、设 干 净 气 流 的 清 洁 管 壁 下 的 对 流 传 热 的 总 热 阻 为 01k 含灰气流和污染管壁在同样的传热温压，传热面积及结构参数条件下的传热阻为k1 则定义 011kk 一般 210111k2111hhhbk则 211hhhb所以，不仅与灰层外表面放热系数hb和灰层热阻 hh有关，而且还与同样条件下的清洁管壁的放热系数 1有关。hh一般由实验室或实际锅炉受热面上测定hhhb1总值，再获得11来获得。根据试验 0kldCC 0基准污染系数，实验条件 38dmm，%7.3330R dC管径修正系数，显然 38dmm 时，1dC klC灰分颗粒组成的修正系数，即偏离%7.3330R
17、的情况 7.3330lg18.11RCkl 一般情况可取1klC 附加修正飞值，与燃料种类和受热面型式有关。用于考虑燃用固体燃料时对横向冲刷错列管束的污染的影响。对于屏式过热器也是采用污染系数来考虑积灰污染对传热的影响，其值取决于燃料种类手烟气的平均温度。二、热有效系数二、热有效系数 定义 0kk 由试验确定其值的大小。由试验确定其值的大小。用于考虑当锅炉燃用固体燃料时，顺利布置的管束以及燃用液体用于考虑当锅炉燃用固体燃料时，顺利布置的管束以及燃用液体燃料和气体燃料的各种布置的管束因积灰污染对传热的影响。燃料和气体燃料的各种布置的管束因积灰污染对传热的影响。例如：例如：油页炭褐煤和洗中煤烟煤无
18、烟煤贫煤固体燃料顺利布置的5.0/65.0/6.0其它其它 查阅有关手册查阅有关手册 三、利用系数 屏式过热器的是考虑烟气对屏冲刷不完全的修正系数，其值与烟速有关。当 4yw m/s 85.0 4yw 时 85.0 对对于于管管式式 ky，主主要要是是考考虑虑空空气气侧侧（管管外外横横向向冲冲刷刷）的的气气流流由由于于利利用用管管板板折折流流转转向向时时，不不能能均均匀匀冲冲刷刷管管束束，造造成成对对传传热热的的影影响响。包包括括污污染染的的影影响响在在内内，与与燃燃料料种种类类，管管板板数数等等有有关关。特特殊殊情情况况：对对于于纵纵向向冲冲刷刷的的和和，可可由由烟烟速速采采取取相相应应的的
19、横横向向冲冲刷刷受受热热面面的的值值。当当受受热热面面为为纵纵向向和和横横向向混混合合冲冲刷刷时时，可可按按各各该该段段的的平平均均烟烟速速求求出出，然然后后，按按受受热热面面积积比比例例加加以以平平均均。当当燃燃用用混混合合燃燃料料时时，按按污污染染严严重重的的燃燃料料计计算算，当当燃燃用用重重油油后后燃燃用用气气体体燃燃料料时时，取取用用两两者者的的平平均均值值。当当燃燃用用固固体体燃燃料料之之后后，燃燃用用气气体体燃燃料料时时，按按固固体体燃燃料料计计算算。4-6 传热温压传热温压 所谓温压t，就是参与换热的两种流体在整个受热面中的平均温差，由传热学，对单纯的顺流或逆流 ddxdtttt
20、tln锅炉受热面，有时布置较复杂，既非纯顺流也锅炉受热面，有时布置较复杂，既非纯顺流也非纯逆流，但由传热学，我们已知，逆流布置非纯逆流，但由传热学，我们已知，逆流布置时，温压最大，顺流时最小，其它情况的温压时，温压最大，顺流时最小，其它情况的温压均介于这两者之间。均介于这两者之间。nltttnlt按逆流计算的平均温压 t考虑非逆流布置的修正系数，称温压修正系数 t值可根据具体布置，进行理论求导，参见（如）“锅炉手册”，手工计算时节制成线算图 冷热流体的布置系统分平行流和交叉流两种。冷热流体的布置系统分平行流和交叉流两种。1平行流又分串联和并联混流两种平行流又分串联和并联混流两种串联混流串联混流
21、两段组成，一段顺流，另一段逆流两段组成，一段顺流，另一段逆流这是对流式过热器日常用的布置方案，工质这是对流式过热器日常用的布置方案，工质的低温段布置在烟气的低温部分，高温段布的低温段布置在烟气的低温部分，高温段布置在烟气的高温部分。置在烟气的高温部分。为了确定是t，需要三个无因次参数 2tP ，21R ，HHAsl 21,流体的温度变化 对(a)情形（从烟气流程看先顺后逆）1，2tt 对（b）情形（从烟气流程看先逆后顺）1tt ，2 HHsl,顺流部分及总受热面积 并联混流并联混流指在同一烟气流指在同一烟气流通截面上布置成通截面上布置成并行的几部分，并行的几部分，工质在烟气进口工质在烟气进口截
22、面上要往返几截面上要往返几个行程。个行程。tPx xdR d 烟 气 或 工 质 温 度 变 化 或 tt取 两 者 中 的 大 者 x 取 小 者 2交叉流交叉流此时，温压的大小主要取决于行程曲折次数及气流相互流动的总趋此时，温压的大小主要取决于行程曲折次数及气流相互流动的总趋向（顺流或逆流）。向（顺流或逆流）。当总趋向为逆流时 tPx xdR 当总趋势为顺流时，则用参数1P，代表 P 111111RRPPn n交叉次数 以上线图是按各行程受热面相等的情况作出的，以上线图是按各行程受热面相等的情况作出的，当受热面相差当受热面相差20%20%时，仍可采用，否则应分区时，仍可采用，否则应分区段进
23、行计算温压。段进行计算温压。4-7 传热面积和流速的计算传热面积和流速的计算一、传热面积一、传热面积当管子数很多时，以管内径计算的的面积和以管当管子数很多时，以管内径计算的的面积和以管外径计算的面积相差很大。外径计算的面积相差很大。一般原则：一般原则：若管壁两侧的放热系数相差很大而采用平壁传热若管壁两侧的放热系数相差很大而采用平壁传热系数的计算公式时，以放系数小的一侧的湿润面系数的计算公式时，以放系数小的一侧的湿润面积作为传热面积。如果管壁两侧的热阻相当或放积作为传热面积。如果管壁两侧的热阻相当或放热系数相近而采用平壁传热系数的计算公式是支热系数相近而采用平壁传热系数的计算公式是支管子内外表面
24、积的算术平均值作为传热面积。管子内外表面积的算术平均值作为传热面积。所以：所以：凝渣管，锅炉管束，省煤器，过热器和再凝渣管，锅炉管束，省煤器，过热器和再热器等受热面，传热面积以管外表面积计算。热器等受热面，传热面积以管外表面积计算。管式空预器，以内外表面积的平均值计算。管式空预器，以内外表面积的平均值计算。回转式回转式ky，按蓄热板两侧表面积之和计算。按蓄热板两侧表面积之和计算。屏（半辐射式），按平壁表面积计算。屏（半辐射式），按平壁表面积计算。ppFXH2 PF屏的平面面积 pX角系数 二、流速的确定二、流速的确定流过各受热的流体的流速在不同的地点都不相同，流过各受热的流体的流速在不同的地点
25、都不相同，因为因为截面积发生变化截面积发生变化 流体温度发生变化（传热发流体温度发生变化（传热发生）生）传热计算中所涉及的流速是指定性温度下所规定传热计算中所涉及的流速是指定性温度下所规定的流通截面上平均流速。的流通截面上平均流速。（a）定性温度：一般取进出口截面上的温度的定性温度：一般取进出口截面上的温度的算术平均值。算术平均值。（b）规定的流通截面视流体的冲刷方式而定，规定的流通截面视流体的冲刷方式而定，参阅教材及有关手册。参阅教材及有关手册。4-8 强化受热面的传热计算强化受热面的传热计算 管内扰流横纹管螺旋槽纹管管内强化受热面膜式对流受热面鳍片管螺旋肋片管肋片管扩展受热面管外强化受热面强化受热面总要求：金属耗量小，阻力增加少，强化效果明显，总要求：金属耗量小，阻力增加少，强化效果明显，具体计算参阅有关教材及手册，甚至专著。这是一项具体计算参阅有关教材及手册，甚至专著。这是一项方兴未艾的工作。方兴未艾的工作。
