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1、第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算第一节第一节 炉内辐射传热的基本概念炉内辐射传热的基本概念一、物体的辐射一、物体的辐射 物体的自身辐射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。对于黑体和灰体发射的各种波长能量的总和。对于黑体和灰体 T、温度和黑度温度和黑度气体辐射透热气体：无发射和吸收辐射能能力的气体空气、H2、O2、N2 等吸收性气体：有发射和吸收辐射能力的气体O3、H2O、CO2、SO2、CO 等YN气体辐射的特点（CO2、H2O）：1.气体辐射
2、对波长有选择性，CO2、H2O各有三个位于红外线光带的区间具有辐射和吸收的本领。气体一般不能做灰体假设；2.气体辐射在整个容积中进行，与气体的在容器中的分子数目和容器的形状和容积有关。第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算二、介质的吸收率和黑度二、介质的吸收率和黑度气体光谱辐射强度的削弱规律贝尔定律辐射能通过吸收性气体层，不断被气体吸收而削弱。削弱的程度取决于辐射强度和气体分子数目。贝尔定律：光谱辐射强度呈指数规律衰减。气体的光谱穿透比气体的光谱反射比气体的光谱发射率xdxs第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算二、介质的吸收率和黑度二、介质的吸收率和黑度介质的吸收率介质的吸收
3、率ka炉内辐射介质的吸收衰减系数，炉内辐射介质的吸收衰减系数，m-1；S炉内辐射层有效厚度，炉内辐射层有效厚度，m。对于灰体，介质的黑度等于其吸收率对于灰体，介质的黑度等于其吸收率第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算二、介质的吸收率和黑度二、介质的吸收率和黑度第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算三、炉内火焰黑度三、炉内火焰黑度 计算火焰黑度或吸收率时，计算火焰黑度或吸收率时，考虑烟气中三原子考虑烟气中三原子气体、灰分颗粒和焦炭颗粒气体、灰分颗粒和焦炭颗粒。物体的入射辐射物体的入射辐射G：半球范围内从各个方向以各种波：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
4、总合，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射辐射后的反射辐射第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算四、入射辐射和有效辐射四、入射辐射和有效辐射 两物体之间辐射热交换热流两物体之间辐射热交换热流T1、T2 高温和低温两个平面的绝对温度；高温和低温两个平面的绝对温度；1、2 两个平面的黑度两个平面的黑度。其中其中 为系统黑度。为系统黑度。第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算五、两平行平面之间的辐射传热五、两平行平面之间的辐射传热一、炉内传热计算的基本任务设计计
5、算：根据合理选定的炉膛出口烟温，确定炉内所需布置的受热面积。校核计算：根据合理布置的受热面积，核算炉膛出口烟气温度是否合理。第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算第二节第二节 炉内辐射传热特点炉内辐射传热特点二、炉内传热计算的复杂性二、炉内传热计算的复杂性在炉内不同地区放热量和吸热量的比例不同，造成各在炉内不同地区放热量和吸热量的比例不同，造成各处烟温高低不一；处烟温高低不一；由于各地区烟气成分不同，各处的辐射介质的浓度不由于各地区烟气成分不同，各处的辐射介质的浓度不同；同；各处高温介质的辐射能力不同；各处高温介质的辐射能力不同；参加辐射的物体有火焰（烟气）、水冷壁、炉墙等，参加辐射的
6、物体有火焰（烟气）、水冷壁、炉墙等，且炉墙对外散热；且炉墙对外散热；燃烧和传热两个过程是同时进行的，且燃烧是一个复燃烧和传热两个过程是同时进行的，且燃烧是一个复杂的物理化学过程；杂的物理化学过程；同时存在着对流传热。同时存在着对流传热。第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算三、炉内传热计算的简化和假设三、炉内传热计算的简化和假设把火焰当作把火焰当作灰体灰体；假设火焰黑度是均匀的；假设火焰黑度是均匀的；将燃烧和辐射两个过程分开：将燃烧和辐射两个过程分开：只有燃烧无传热，燃烧产生的热量全部用来加热烟气，烟气所只有燃烧无传热，燃烧产生的热量全部用来加热烟气，烟气所能达到的温度，称为能达到的温
7、度，称为理论燃烧温度理论燃烧温度；只有传热无燃烧，完全服从只有传热无燃烧，完全服从辐射传热辐射传热的规律。的规律。采用火焰的平均温度代替火焰的真实温度；采用火焰的平均温度代替火焰的真实温度；用炉膛出口烟温作为定性温度；用炉膛出口烟温作为定性温度；略去对流传热的影响；略去对流传热的影响；炉墙对辐射传热的影响放到角系数中一并考虑，略去炉墙对辐射传热的影响放到角系数中一并考虑，略去炉墙散热的影响（用保热系数表示）。炉墙散热的影响（用保热系数表示）。第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算炉内辐射换热就近似为两个灰体之间的辐射换热炉内辐射换热就近似为两个灰体之间的辐射换热包围炉膛有效容积的炉墙面
8、，以水冷壁中心线所包围包围炉膛有效容积的炉墙面，以水冷壁中心线所包围的平面；的平面；与水冷壁相切的假想平面，即火焰的辐射面，也就是与水冷壁相切的假想平面，即火焰的辐射面，也就是水冷壁接受火焰辐射的面积。水冷壁接受火焰辐射的面积。第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算考虑火焰辐射强度沿炉膛截面方向的减弱（考虑火焰辐射强度沿炉膛截面方向的减弱（介质吸收和散射介质吸收和散射），两物体之间的辐射热交换热流两物体之间的辐射热交换热流 k总辐射减弱系数，总辐射减弱系数，k=(1.25 1.30)ka，近似取，近似取k=1.28ka；R炉膛的当量半径炉膛的当量半径；第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内
9、辐射传热计算一、炉内辐射传热公式一、炉内辐射传热公式炉内火焰和水冷壁之间的炉内火焰和水冷壁之间的辐射传热量辐射传热量（1kg计算燃料计算燃料计计的炉内辐射传热量）的炉内辐射传热量）F炉内水冷壁的吸收表面积，炉内水冷壁的吸收表面积，m2；Bcal锅炉的计算燃料消耗量，锅炉的计算燃料消耗量，kg/s；定义定义 syn为为火焰综合黑度火焰综合黑度。第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算第四节第四节 煤粉锅炉炉内传热计算方法煤粉锅炉炉内传热计算方法炉内火焰和水冷壁之间的炉内火焰和水冷壁之间的辐射传热量辐射传热量（按（按计算燃料量计计算燃料量计）第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算二、
10、二、火焰平均温度火焰平均温度T1 炉内火焰平均温度和炉膛出口烟温用与理论燃烧温度之间比值的无炉内火焰平均温度和炉膛出口烟温用与理论燃烧温度之间比值的无量刚温度表示量刚温度表示伯劳赫的理论近似公式伯劳赫的理论近似公式 第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算三、三、理论燃烧温度理论燃烧温度Tth 理论燃烧温度理论燃烧温度是在绝热条件下燃料燃烧所产生的热量可将燃烧产物加是在绝热条件下燃料燃烧所产生的热量可将燃烧产物加热达到的温度。热达到的温度。1kg燃料的炉内有效热（包括燃料的有效放热和随空气燃料的炉内有效热（包括燃料的有效放热和随空气带入的热量）带入的热量）引入引入烟气平均热容烟气平均热容
11、的概念计算理论燃烧温度：炉内烟气在理论燃烧的概念计算理论燃烧温度：炉内烟气在理论燃烧温度至炉膛出口温度区间内的平均热容。温度至炉膛出口温度区间内的平均热容。第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算18四、四、吸收减弱系数与火焰黑度吸收减弱系数与火焰黑度 计算炉内辐射传热量时，煤粉燃烧火焰的吸收减弱系计算炉内辐射传热量时，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（组成，对于炉膛在常压（p0.1MPa）下工作的煤粉炉，其）下工作的煤粉炉，其计算式为计算式为 第九章第九章 炉内辐射传热计
12、算炉内辐射传热计算五、五、水冷壁灰污表面的壁温水冷壁灰污表面的壁温T2和黑度和黑度 2 考虑水冷壁管子外表面的灰污，与炉内火焰辐射热交换考虑水冷壁管子外表面的灰污，与炉内火焰辐射热交换的壁面温度的壁面温度T2 可以通过灰污表面温度可以通过灰污表面温度T2和黑度和黑度 2，利用式计算辐射传，利用式计算辐射传热量。也可以热量。也可以采用经验方法简化计算采用经验方法简化计算。第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算一、热有效系数和炉膛黑度一、热有效系数和炉膛黑度 定义：定义：水冷壁的热有效系数水冷壁的热有效系数 表示火焰假象平面与水冷壁平面之间表示火焰假象平面与水冷壁平面之间辐射热交换热流辐射
13、热交换热流qR占火焰有效辐射热流的份额，则占火焰有效辐射热流的份额，则 炉膛黑度和火焰综合黑度的关系炉膛黑度和火焰综合黑度的关系 热有效系数热有效系数第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算第五节第五节 炉内辐射传热计算的有效系数法炉内辐射传热计算的有效系数法二、炉内传热计算公式二、炉内传热计算公式辐射传热量辐射传热量烟气放热量烟气放热量热平衡：炉内辐射传热量热平衡：炉内辐射传热量=炉内烟气放热量炉内烟气放热量第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算三、炉膛出口温度三、炉膛出口温度利用伯劳赫的近似公式表示无量纲火焰温度和炉膛出口温度之间的关系，利用伯劳赫的近似公式表示无量纲火焰温度
14、和炉膛出口温度之间的关系，得到得到炉膛出口温度计算公式炉膛出口温度计算公式方法一方法一影响炉膛出口烟温的因素影响炉膛出口烟温的因素锅炉负荷（燃料量）锅炉负荷（燃料量）燃料特性燃料特性过量空气系数过量空气系数炉膛结构（水冷壁面积）炉膛结构（水冷壁面积）受热面的灰污受热面的灰污燃烧器及其布置燃烧器及其布置第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算炉膛有效容积的边界炉膛有效容积的边界水冷壁中心线所在的平面；水冷壁中心线所在的平面；炉膛出口（烟窗）的平面炉膛出口（烟窗）的平面 ；冷灰斗高度中心点的平面。冷灰斗高度中心点的平面。第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算第六节第六节 炉膛水冷壁结
15、构特征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水冷壁面积、炉膛有效容积和辐射层有效厚度第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算煤粉炉水冷壁热有效系数煤粉炉水冷壁热有效系数（表（表9-3）炉膛水冷壁面积的平均热有效系数炉膛水冷壁面积的平均热有效系数 如果水冷壁各部分污染程度不同（如有卫燃带）（见表如果水冷壁各部分污染程度不同（如有卫燃带）（见表9-3）或或水冷壁的角系数水冷壁的角系数不同不同炉膛出口烟窗炉膛出口烟窗考虑屏的辐射吸收考虑屏的辐射吸收平均热有效系数平均热有效系数第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算第七节第七节 水冷壁热有效系数水冷壁热有效系数 炉内水
16、冷壁的总吸热量炉内水冷壁的总吸热量 炉内水冷壁单位面积的平均吸热量炉内水冷壁单位面积的平均吸热量（即（即热负荷热负荷或热流密度）或热流密度）炉内热负荷炉内热负荷沿炉膛高度、宽度、深度方向是不均匀的沿炉膛高度、宽度、深度方向是不均匀的。炉内某一区。炉内某一区段受热面的吸热量段受热面的吸热量1、根据试验值或经验数据，确定该区域的热负荷不均匀系数、根据试验值或经验数据，确定该区域的热负荷不均匀系数i2、计算该区局部热负荷、计算该区局部热负荷3、计算该区域的吸热量、计算该区域的吸热量第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算第八节第八节 炉内热负荷的分布规律炉内热负荷的分布规律水冷壁热负荷分布水冷
17、壁热负荷分布图图9-8 沿炉膛高度的热负荷分布曲线沿炉膛高度的热负荷分布曲线实线无烟煤、贫煤和烟煤；虚线褐煤实线无烟煤、贫煤和烟煤；虚线褐煤 一、苏联一、苏联1973年炉膛传热计算方法年炉膛传热计算方法方法二方法二不考虑炉内火焰的辐射能在向水冷壁面传递过程中辐射强度因介质不考虑炉内火焰的辐射能在向水冷壁面传递过程中辐射强度因介质的吸收和散射性能导致的减弱。的吸收和散射性能导致的减弱。采用炉膛黑度（由火焰黑度采用炉膛黑度（由火焰黑度 1计算）和热有效系数计算）和热有效系数作为计算参数作为计算参数 不单独计算炉膛火焰的平均温度，认为火焰平均温度（以无量纲温不单独计算炉膛火焰的平均温度，认为火焰平均
18、温度（以无量纲温度表示）与表征炉膛热负荷的波尔滋曼准则数、炉膛黑度、炉内火度表示）与表征炉膛热负荷的波尔滋曼准则数、炉膛黑度、炉内火焰最高温度位置和无量纲炉膛出口温度等有关。焰最高温度位置和无量纲炉膛出口温度等有关。根据试验数据确定根据试验数据确定炉膛出口温度的计算公式炉膛出口温度的计算公式。第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算第九节第九节 基于苏联基于苏联1973年炉膛传热计算框架的年炉膛传热计算框架的方法方法29辐射传热量辐射传热量烟气放热量烟气放热量热平衡：炉内辐射传热量热平衡：炉内辐射传热量=炉内烟气放热量炉内烟气放热量根据试验数据根据试验数据的整理，得到炉内辐射传热的准则方
19、程式的整理，得到炉内辐射传热的准则方程式第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算30炉内介质温度分布系数炉内介质温度分布系数M考虑炉内火焰最高温度相对位置的参数考虑炉内火焰最高温度相对位置的参数影响因素影响因素燃烧器的位置（及摆动角度）燃烧器的位置（及摆动角度）燃料性质燃料性质燃烧方式燃烧方式计算公式计算公式xb由式（由式（9-38）、（）、（9-39）计算）计算第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算31二、基于前苏联二、基于前苏联1973年炉膛传热计算框架的方法年炉膛传热计算框架的方法方法三方法三通过对炉膛的火焰黑度进行修正通过对炉膛的火焰黑度进行修正，以考虑辐射沿射线行程的，
20、以考虑辐射沿射线行程的减弱减弱炉膛出口温度计算公式仍保持炉膛出口温度计算公式仍保持1973年方法年方法方法二方法二的形式的形式第九章第九章 炉内辐射传热计算炉内辐射传热计算炉膛传热计算的基本步骤炉膛传热计算的基本步骤炉膛传热计算的基本步骤炉膛传热计算的基本步骤已知：炉膛结构尺寸。求：炉膛的出口烟温已知：炉膛结构尺寸。求：炉膛的出口烟温计算过程：计算过程：1.由由燃料计算燃料计算求得烟气特性表和焓温表，由求得烟气特性表和焓温表，由热平衡计算热平衡计算得到得到计算燃料量计算燃料量Bcal和和保热系数保热系数。2.求求炉膛受热面积炉膛受热面积F、炉膛的有效容积炉膛的有效容积Vf、燃烧器的相对高燃烧器
21、的相对高度度xB和和有效辐射层厚度有效辐射层厚度S。3.根据水冷壁的结构、燃料性质、燃烧方式根据水冷壁的结构、燃料性质、燃烧方式求热有效系数求热有效系数av。4.根据燃烧器结构特性根据燃烧器结构特性求求xb方法一方法一，或根据燃料特性和燃，或根据燃料特性和燃烧器结构烧器结构求炉内介质的温度分布系数求炉内介质的温度分布系数M方法二、三方法二、三。炉膛传热计算的基本步骤炉膛传热计算的基本步骤炉膛传热计算的基本步骤炉膛传热计算的基本步骤5.求随同求随同1kg燃料带入炉内的燃料带入炉内的有效热量有效热量Qfef和和理论燃烧温度理论燃烧温度Tth.。6.假设假设炉膛出口烟温炉膛出口烟温Tf，由焓温表查的
22、由焓温表查的烟气焓烟气焓。7.求求平均热容平均热容。8.求三原子气体的辐射减弱系数求三原子气体的辐射减弱系数kgr、灰粒辐射减弱系数、灰粒辐射减弱系数kash ash、焦炭颗粒辐射减弱系数、焦炭颗粒辐射减弱系数kcok cok。9.求炉内介质的求炉内介质的辐射减弱系数辐射减弱系数ka。10.求求火焰黑度火焰黑度 1方法二方法二或或综合综合火焰黑度火焰黑度 1方法一、三方法一、三。11.求求炉膛黑度炉膛黑度 f方法二方法二或或 fsyn方法一、三方法一、三。12.计算计算炉膛出口烟温炉膛出口烟温Tf。13.若若计算与假定值之差小于计算与假定值之差小于100，则计算结果符合要求，则计算结果符合要求，否则从第否则从第6步重新假设计算。步重新假设计算。1.物体的自身辐射和有效辐射物体的自身辐射和有效辐射2.炉膛火焰对水冷壁受热面的传热公式炉膛火焰对水冷壁受热面的传热公式3.理论燃烧温度及其计算理论燃烧温度及其计算。4.煤粉火焰的辐射吸收减弱系数、火焰黑度（火焰综合黑煤粉火焰的辐射吸收减弱系数、火焰黑度（火焰综合黑度）及其计算。度）及其计算。5.炉膛黑度炉膛黑度6.水冷壁热有效系数？水冷壁热有效系数？7.炉膛出口温度的计算方法（三个公式）炉膛出口温度的计算方法（三个公式）本章小结本章小结