传热系数计算方法.docx
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传热系数计算方法
第四章循环流化床锅炉炉内传热计算
循环流化床锅炉炉膛中的传热是一个复杂的过程,传热系数的计算精度直接影响了受热面设计时的布置数量,从而影响锅炉的实际出力、蒸汽参数和燃烧温度。
正确计算燃烧室受热面传热系数是循环流化床锅炉设计的关键之一,也是区别于煤粉炉的重要方面。
随着循环流化床燃烧技术的日益成熟,有关循环流化床锅炉的炉膛传热计算思想和方法的研究也在迅速发展。
许多着名的循环流化床制造公司和研究部门在此方面也做了大量的工作,有的已经形成商业化产品使用的设计导则。
但由于技术保密的原因,目前国内外还没有公开的可以用于工程使用的循环流化床锅炉炉
膛传热计算方法,因此对它的研究具有重要的学术价值和实践意义。
清华大学对CFB锅炉炉膛传热作了深入的研究,长江动力公司、华中理工大学、浙江大学等单位也对CFB锅炉炉膛中的传热过程进行了有益的探索。
根据已公开发表的文献报导,考虑工程上的方便和可行,本章根椐清华大学提出的方法,进一步分析整理,作为我们研究的基础。
为了了解CFB锅炉传热计算发展过程,也参看了巴苏的传热理论和计算方法,浙江大学和华中理工大学的传热计算与巴苏的相近似。
清华的传热理论及计算方法
循环流化床传热分析
CFB锅炉与煤粉锅炉的显着不同是CFB锅炉中的物料(包括煤灰、脱硫添加剂等)浓度Cp大
大高于煤粉炉,而且炉内各处的浓度也不一样,它对炉内传热起着重要作用。
为此首先需要计算出炉膛出口处的物料浓度Cp,此处浓度可由外循环倍率求出。
而炉膛不同高度的物料浓度
则由内循环流率决定,它沿炉膛高度是逐渐变化的,底部高、上部低。
近壁区贴壁下降流的温度比中心区温度低的趋势,使边壁下降流减少了辐射换热系数;水平截面方向上的横向搅混形成良好的近壁区物料与中心区物料的质交换,同时近壁区与中心区的对流和辐射的热交换使截面方向的温度趋于一致,综合作用的结果近壁区物料向壁面的辐射加强,总辐射换热系数明显提高。
在计算水冷壁、双面水冷壁、屏式过热器和屏式再热器时需采用不同的计算式。
物料浓度Cp对辐射传热和对流传热都有显着影响。
燃烧室的平均温度是床对受热面换热系数的另一个重要影响因素。
床温的升高增加了烟气辐射换热并提高烟气的导热系数。
虽然粒径的减小会提高颗粒对受热面的对流换热系数,在循环流化床锅炉条件下,燃烧室内部的物料颗粒粒径变化较小,在较小范围内的粒径变化时换热系数的变化不大,在进行满负荷传热计算时可以忽略,但在低负荷传热计算时,应该考虑小的颗粒有提高传热系数的能力。
炉内受热面的结构尺寸,如鳍片的净宽度、厚度等,对平均换热系数的影响也是非常明显的。
鳍片宽度对物料颗粒的团聚产生影响;另一方面,宽度与扩展受热面的利用系数有关。
根
据实验研究,可以归纳出循环流化床锅炉燃烧室受热面传热系数的计算方法。
CFB锅炉炉膛受热面的吸热量按下式计算:
(4-1)式中Q――传热量,W;
K——基于烟气侧总面积的传热系数,W/m2K;
T――温差,K;
H――烟气侧总面积,m2o
1
-;工质侧热阻和受
受热面结构尺寸对传热的影响
传热系数K按式(4-2)计算,其中分母包括四部分热阻:
烟气侧热阻
1H
aso
热面本身热阻;」;以及附加热阻
fHf
1
as
(4-2)
式中b――烟气侧向壁面总表面的名义换热系数,W/m2K;
f——工质侧换热系数,W/m2K,可按苏1973年热力计算标准求取;
Ht――烟气侧总面积,
Hf——工质侧总面积,m2;
as――附加热阻,m2K/W;
1——管子厚度,m;
受热面金属导热系数,W/m2K;
(4-3)
b[P
(1)1]1
式中P――鳍片面积系数,P旦如
Ht
Ht——受热面外部面积,m2o
式中
pHfm
Hts1
s,d管子节距、外径,
鳍片利用系数,
th(h)h
与受热面受热情况、
关,可表示为
(4-6)
(4-4)
(21)d
m,见图4-1。
(4-5)
膜式壁鳍片结构尺寸和材料等有
)(1sb)
JNb(h
■J:
:
:
边壁流-
式中N受热情况,单面受热N=1,双面受热N=2;
(4-7)
鳍片厚度,m;
s――受热面污染系数,取为;
h'—^折算高度,m:
(4-8)
h”一-效高度,m:
(4-9)
根据实验和运行数据,可得到鳍片宽度系数与结构尺寸的关系:
2
ss
(4-10)
0.1659—+0.3032—+0.8608
dd
a——烟气侧换热系数,见式(4-15):
as――附加热阻,在计算耐火材料涂层受热面时考虑:
aa
a——受热面耐火层厚度,m;
(4-13)
Ta(TbTw)/2
式中fb烟气侧温度,K;
受热面外内面积比为
(4-14)
(2)11
d21
式中1管壁厚度,m;
s管节距,m;
CFB锅炉烟气侧换热系数b
按两者的线性叠加,则有
炉膛烟气物料两相混合物向壁面的换热包括对流和辐射两部分,
(4-15)
fw――水冷壁管壁温度,按式(4-17)计算:
水冷壁管壁内外侧温差
Tf――受热面内工质温度,K;
N——受热情况,1或2;
w导热影响系数,
壁面与烟气侧的系统黑度可写作式(4-20)的形式:
(4-20)
在气固两相中,烟气侧黑度包括颗粒黑度和烟气黑度两部分:
Pgpgb
P
s
(1sP)B
物料表面平均黑度,与固体颗粒的浓度有关,可表示为
(4-23)
s1expCCpB
Cp――物料空间浓度,kg/m3。
(4-24)
g1expkgSg
烟气辐射减弱系数k可按下式简单计算:
kg
0.552rH2o
0.11
(4-25)
式中,rH2o——烟气中水蒸气份额;
r——烟气中三原子气体份额;
sg――烟气辐射厚度,近似为下降流厚度,
对流换热系数由烟气对流和颗粒对流两部分组成,即
(4-26)
式中
C――烟气对流换热系数,W/m2K,计算见式(4-27);
p――颗粒对流换热系数,计算见式(4-28)。
(4-27)
gegVf07
置有天;
Ce――颗粒对流系数,按式(4-29)计算:
Cp――炉膛局部物料浓度,kg/m3;
ni常数,~。
特征物料浓度,kg/m3;该数值可以根据图4-2选定,并根据经验予以修正。
Hlt——炉膛总高度,m;
Hpz——双面水冷壁屏再或屏过总高度,
结果见表4-1-表4-4。
100%负荷全炉膛传热量计算结果的校核
在上节中已经求出水冷壁、双面水冷壁、屏过、屏再四部分受热面所吸收的热量。
其和应
等于锅炉热平衡计算中在炉内的传热量。
Qi:
以新乡440t/h锅炉主循环回路作为对象,热平衡炉内传热量
其中
QkBnIrk
2060.6815.82076.5kJ/kg
lyx――主循环回路出口(分离器出口)烟气焓,烟温883C查温焓表,当过量空气系数
时,lyx2665.044.181611144.2kJ/kg。
|fh――离开主循环回路(分离器出口)的飞灰带走的热焓,kJ/kg
式中afh飞灰份额,%;
Aar――燃料中灰份,%;
Ash加石灰石产生的灰份;
Cfh――飞灰可燃物含量,%;
将具体数据代入式(3-34)后得:
18.464.2100100
Ifh0.5—1^1)0扁歸780592.17kJ/kg
炉膛传热计算中炉内四种受热面总的吸热量为:
(水冷壁)+(水冷屏)+(屏过)+(屏再)=,该数值与炉内热平衡计算的传热量MW相差小于%,
故可以结束计算。
低负荷传热计算
一般的,煤粉炉当处于低负荷运行时,相对于正常负荷时,炉膛中的水冷壁受热面显得过大,导致炉内温度水平大大降低,炉膛出口温度也下降。
为了维持低负荷时汽温仍保持在额定范围内,在设计锅炉时,除了额定工况的计算外,还必须进行70%、50%负荷的计算,这时一
般要大大增加过热器及再热器受热面,以保证低负荷时温压大大降低的情况下仍能达到汽温的
要求。
但对于循环流化床锅炉,低负荷时,烟气流速减小,烟气携带固体的能力下降,可使理论
燃烧温度上升(参照下一节),从而可以弥补由于在低负荷时相对于正常负荷时过大的水冷壁受热面而造成的烟气过度冷却。
同时,也可以降低水冷壁的传热系数,使炉膛出口温度较少变化,
从而维持过热汽温达到额定值。
低负荷传热计算一般进行75%和50%额定负荷计算。
下面讨论几个工况参数的变化情况。
(1)床层温度cc和炉膛出口温度It
100%负荷时由于内外物料循环流量较高,炉膛上下乃至于整个主循环回路的温度基本一
致。
但低负荷时炉内,物料循环流率显着降低,趋向于鼓泡床,故床层温度显着高于炉膛出口
温度。
这时为了求得床层温度,就得进行分段计算,进行密相区传热计算。
而为了求得炉膛出
口温度仍可以进行全炉膛计算。
(2)密相区燃烧率
(3)上升与下降循环物料的温差
至于下降和上升的循环物料量比m也只能通过校核计算求得。
从50%负荷实际计算看出密相区燃烧率变化对物料浓度影响不大,而改变下降与上升的物
料量比m值则对物料浓度影响很敏感。
m减少,则物料浓度Cp减小很多。
G
Cp2.83旦
(4-35)
U0
(6)分离器分离效率n
低负荷时由于烟气量减少,则分离器进口烟气速度降低,因而使分离器效率降低,从而导
致循环量Glc和物料浓度Cp减少。
(7)烟气辐射层厚度s
烟气辐射层厚度Sg随着负荷的下降而下降,可参照资料计算,但它对传热影响不是很大。
以440t/h锅炉为例所进行的50%负荷全炉膛计算结果见表4-1-表4-4。
其中4种受热面总计
传热量为+++=MW;而根据热平衡计算炉内传热量为MW,误差为6%。
表4-5为相关的440t/h
锅炉50%负荷性能参数计算结果。
由于床层温度是可控制量,因此计算中通常假定某个低于满负荷的温度作为计算依据。
此为基础,进行炉膛传热计算,得到炉膛出口烟气温度。
为便于计算,在积累了大量经验的基础上,低负荷计算可以根据经验确定床底温度,第五章表5-11给出了经验总结结果,是可以用于设计计算的。
表4-1某440t/hCFB锅炉100%、50%负荷全炉膛水冷壁传热计算
项目
符号
单位
100%负荷
50%负荷
烟气速度
Vf
m/s
床侧温度
Tb
K
1185
1012
受热面内工质温度
Tf
K
613
613
管节距
S
m
管外径
d
m
鳍片厚度
5
m
管壁厚
51
m
物料浓度
Cpp
kg/m3
炉膛总高度
Hit
m
炉膛下部计算高度
Hpg
m
梯形段上直段耐火层高度
Hnh
m
局部物料空间浓度
Cp
kg/m3
颗粒对流理论换热系数
0
cp
W/m2K
100
100
烟气中水蒸汽份额
rH2O
%
烟气中三原子气体份额
r工
%
烟气侧水冷壁总面积
Ht
m2
1203
1203
工质侧换热系数
af
W/m2K
15000
15000
实际设计运行系数*
Xiu
1±
1
1
受热面受热情况
N
单面1、双面2
1
1
烟气辐射厚度
S
m
壁面黑度
£w
受热面金属导热系数
入
W/m2K
受热面壁面污染系数
£s
m2K/W
受热面耐火层厚度
5a
m
100
100
涂层水冷壁面积
m2
常数
B
1/2〜2/3
23
2/3
Boltzmann常数
(7
W/m2K4
烟气对流系数*
C%
5
5
鳍片宽度系数*
卩
耐火材料系数A
a0
耐火材料系数B
ai
续表4-1某440t/hCFB锅炉100%、50%负荷全炉膛水冷壁传热计算
项目
符号
单位
100%负荷
50%负荷
颗粒对流系数
Cc
颗粒对流理论换热系数
P
c
W/m2K
烟气对流换热系数
g
c
W/m2K
对流换热系数
a
W/m2K
烟气辐射减弱系数
k
物料表面平均黑度
p
s
固体物料黑度
烟气黑度
g
床层黑度
系统黑度
£
受热面管壁温差
Tw
K
管外壁温度
Tw
K
辐射换热系数
a
W/m2K
换热系数
a
W/m2K
鳍片高度
h
m
折算高度*
h'
m
有效高度*
h”
m
鳍片厚度系数*
v
折算厚度*
s'
参数
3
鳍片利用系数
n
鳍片面积比(P)
Hfin/Ht
名义床侧换热系数
b
W/m2K
受热面内外面积比
Ht/Hf
壁面平均温度*
Tw
K
受热面内外温差*
T
K
受热面耐火层平均温度*
Ta
K
受热面耐火层导热系数*
b
W/m2K
附加热阻
%s
传热系数
K
W/m2K
光管水冷壁受热面吸热量
Qgg
MW
涂层水冷壁传热系数
K
W/m2K
涂层水冷壁吸热量
Qtc
MW
水冷壁受热面总吸热量
Q
MW
表4-2某440t/hCFB锅炉100%、50%负荷双面水冷壁全炉膛传热计算
项目
单位
符号
100%负荷
50%负荷
烟气速度
Vf
m/s
床侧温度
Tb
K
1185
1058
受热面内工质温度
Tf
K
613
613
管节距
S
m
管外径
d
m
鳍片厚度
5
m
管壁厚
51
m
物料浓度
Cpp
kg/m3
炉膛总高度
Hlt
m
双面水冷壁总高度
Hss
m
27
27
局部物料空间浓度
Cp
kg/m3
颗粒对流理论换热系数
0
cp
W/m2K
100
100
烟气中水蒸汽份额
rH2O
%
烟气中三原子气体份额
rs
%
烟气侧水冷壁总面积
Ht
m2
260
260
工质侧换热系数
af
W/m2K
15000
15000
实际设计运行系数*
Xu
1±
1
1
受热面受热情况
N
单面1、双面2
2
2
烟气辐射厚度
S
m
壁面黑度
£w
受热面金属导热系数
入
W/m2K
受热面壁面污染系数
£s
m2K/W
受热面耐火层厚度
5a
m
100
100
涂层水冷壁面积
m2
常数
B
1/2〜2/3
Boltzmann常数
(7
W/m2K4
鳍片宽度系数*
耐火材料系数A
a0
耐火材料系数B
a1
烟气对流系数*
Ccg
W/m2K,4~5
5
5
续表4-2某440t/hCFB锅炉100%、50%负荷双面水冷壁全炉膛传热计算
项目
单位
符号
100%负荷
50%负荷
颗粒对流系数
CP
颗粒对流理论换热系数
P
c
W/m2K
烟气对流换热系数
g
c
W/m2K
对流换热系数
a
W/m2K
烟气辐射减弱系数
k
物料表面平均黑度
p
s
固体物料黑度
£P
烟气黑度
床层黑度
系统黑度
£
受热面管壁温差
Tw
K
管外壁温度
Tw
K
辐射换热系数
a
W/m2K
换热系数
a
W/m2K
鳍片高度
h
m
折算高度*
h'
m
有效高度*
h”
m
鳍片厚度系数*
v
折算厚度*
s'
参数
3
鳍片利用系数
n
鳍片面积比(P)
Hfin/Ht
名义床侧换热系数
b
W/m2K
受热面内外面积比
Ht/Hf
壁面平均温度*
Tw
K
受热面内外温差*
T
K
受热面耐火层平均温度*
Ta
K
受热面耐火层导热系数*
治
W/m2K
附加热阻
%s
传热系数
K
W/m2K
受热面吸热量
Qgg
MW
涂层双面水冷壁传热系数
K
W/m2K
涂层双面水冷壁吸热量
Qtc
MW
双面水冷壁总吸热量
Q
MW
表4-3某440t/hCFB锅炉100%、50%负荷屏过全炉膛传热计算
项目
单位
符号
100%负荷
50%负荷
烟气速度
Vf
m/s
床侧温度
Tb
K
1165
1058
受热面内工质温度
Tf
K
719
721
管节距
S
m
管外径
d
m
鳍片厚度
S
m
管壁厚
81
m
物料浓度
Cpp
kg/m3
炉膛总高度
Hit
m
双面水冷壁总高度
Hss
m
22
22
局部物料空间浓度
cp
kg/m3
颗粒对流理论换热系数
0
cp
W/m2K
100
100
烟气中水蒸汽份额
rH2O
%
烟气中三原子气体份额
r刀
%
烟气侧总面积
Ht
m2
工质侧换热系数
a
W/m2K
3850
2555
实际设计运行系数*
Xu
1±
1
1
受热面受热情况
N
单面1、双面2
2
2
烟气辐射厚度
S
m
壁面黑度
Sw
〜
受热面金属导热系数
入
W/m2K
32
32
受热面壁面污染系数
S
m2K/W
受热面耐火层厚度
&
m
100
100
涂层水冷壁面积
m2
耐火材料系数A
a0
耐火材料系数B
a1
常数
B
1/2〜2/3
Boltzmann常数
a
W/m2K4
鳍片宽度系数*
桟
烟气对流系数*
CCg
W/m2K,4~5
5
5
续表4-3某440t/hCFB锅炉100%、50%负荷屏过全炉膛传热计算
项目
单位
符号
100%负荷
50%负荷
颗粒对流系数
CP
颗粒对流理论换热系数
P
c
W/m2K
烟气对流换热系数
gc
W/m2K
对流换热系数
ac
W/m2K
烟气辐射减弱系数
k
物料表面平均黑度
p
s
固体物料黑度
烟气黑度
g
床层黑度
系统黑度
£
受热面管壁温差
Tw
K
管外壁温度
Tw
K
辐射换热系数
ar
W/m2K
换热系数
a
W/m2K
鳍片高度
h
m
折算高度*
h'
m
有效高度*
h”
m
鳍片厚度系数*
v
折算厚度*
s'
参数
3
鳍片利用系数
n
鳍片面积比(P)
Hfin/Ht
名义床侧换热系数
b
W/m2K
受热面内外面积比
Ht/Hf
壁面平均温度*
TW
K
受热面内外温差*
T
K
受热面耐火层平均温度*
Ta_
K
受热面耐火层导热系数*
W/m2K
附加热阻
◎s
传热系数
K
W/m2K
光管受热面吸热量
Qgg
MW
炉膛涂层屏过传热系数
K
W/m2K
涂层屏过吸热量
Qtc
MW
屏过总吸热量
Q
MW
表4-4某440t/hCFB锅炉100%、50%负荷屏再全炉膛传热计算
项目
单位
符号
100%负荷
50%负荷
烟气速度
Vf
m/s
床侧温度
Tb
K
1165
1058
受热面内工质温度
Tf
K
748
738
管节距
S
m
管外径
d
m
鳍片厚度
S
m
管壁厚
&
m
物料浓度
Cop
kg/m3
炉膛总高度
Hlt
m
屏再总高度
Hpz
m
22
22
局部物料空间浓度
Cp
kg/m3
颗粒对流理论换热系数
0
cp
W/m2K
100
100
烟气中水蒸汽份额
rH2O
%
烟气中三原子气体份额
r刀
%
烟气侧总面积
Ht
m2
工质侧换热系数
a
W/m2K
1303
895
实际设计运行系数*
Xu
1±
1
1
受热面受热情况
N
单面1、双面2
2
2
烟气辐射厚度
S
m
壁面黑度
◎w
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