炉膛传热计算的其它方法简介

9.2.6　炉膛传热计算的其它方法简介

1.美国燃烧工程公司计算方法

炉膛内的高温气体在发出辐射能的同时，也在吸收一部分来自炉壁的辐射及其它部分气体的辐射。由于气体辐射具有选择性，不能将它视为灰体，而且在气体与炉壁有换热的情况下，也不处于热平衡状态，所以气体吸收比α_g不等于发射率ε_g。在气体发射率和吸收比确定后，气体和黑体炉壁之间的辐射换热计算十分简单。这时，只要把气体的自身辐射ε_gE_b，g（气体温度为T_g）减去气体的吸收辐射α_gE_b，w（炉壁温度为T_w），即可得到气体与炉壁间换热的热流密度q^［2］，即

美国燃烧工程（CE）公司认为，大型锅炉炉膛中的换热95%以上是通过辐射来完成的。进行换热量计算时，如果认为燃料和空气完全瞬时转变成为H₂O和CO₂并采用Hottel辐射率ε_H计算方法来计算炉内辐射换热量，会显著低估炉内换热量的大小。这是因为火焰中存在着OH、C、CO、CN、HCN、N、NO、HCO、H、C₂、CH等中间产物，这些中间产物具有辐射能力并受它们的尺寸大小、分布、密度等的影响。由于这些中间产物对辐射换热的贡献，火焰的黑度增大。计算中应予以修正^［9］。

美国燃烧工程（CE）公司将炉膛分为下炉膛和上炉膛两部分，使用分段计算法。下炉膛仍按斯蒂芬－波耳兹曼公式计算辐射传热，但加上公司积累的试验数据，主要考虑烟气实际黑度修正、火焰中心（最高火焰温度）所处高度方向上的相对位置、炉膛截面热负荷、过量空气系数和水冷壁污染程度等。上炉膛作为冷却室进行计算，确定沿炉膛高度的吸热负荷分布曲线。

炉膛换热公式为

式中：q为炉膛换热量，W；σ₀为斯蒂芬－波尔兹曼常数，5.67×10^－8W/（m²·K⁴）；A_s为火焰外围的有效表面积，当该面积等于吸热面积时，代表吸热表面积，m²；ε_s为用表面辐射率来表示的、计及多次反射和再辐射的水冷壁有效辐射系数；ε_g为燃烧产物的辐射率；α_w→g为包围面积辐射中被烟气所吸收的份额；T_g为烟气温度，K；T_w为冷面温度，K。

水冷壁的有效辐射系数，亦即水冷壁受热面的黑度，受燃料和炉膛沾污程度的影响。通常清洁炉膛时为ε_s＝0.75，而100%沾污的炉膛，ε_s＝0.65。炉膛水冷壁的清洁程度不同时，其值在0.75至0.65间。

在计算燃烧产物的辐射率ε_g时，只计算CO₂和H2O的Hottel辐射率ε_H，而采用所谓的F_E算子对ε_H进行修正，即

图9.11　燃烧产物发射率与F_E的关系

通常燃烧产物为灰体辐射。FE取值范围为1.0与∞之间，它取决于炉膛的有效辐射层厚度、燃烧产物的压力和温度。

同样可以计算α_w→g值：

式中：α_H为Hottel给出的燃烧产物CO₂和H₂O的吸收率。

F_E物理意义上代表了取决于气体有效辐射层厚度、温度和压力等有关的Hottel辐射（F_E＝1）与黑体（F_E→∞）之间的某个区域的气体发射率或吸收率。如果工业炉膛中火焰的Hottel发射率的典型数值分别取为0.2、0.3和0.4，则ε_g和F_E的关系可用图9.11示出。

2.Sulzer公司的炉膛传热计算方法

Sulzer公司采用下式计算炉膛出口烟温

式中：Bo为波耳兹曼特征数；h_ll、h″_l为燃料燃烧产物的理论焓值和炉膛出口处焓（kJ/kg）；ε₀为炉膛的系统黑度；ε_W为可视为炉膛有效辐射受热面与炉膛总表面积的比值，计算中引入考虑炉膛中结渣、积灰影响的结渣系数，结渣系数的参考值：烟煤0.8～0.9，褐煤0.75～0.85，油0.9～1.0，气1.0；ε_h为炉膛的火焰黑度，分别由CO₂、H₂O的气体辐射率、炭黑粒子的辐射和灰粒辐射来进行计算；K为修正系数，系由考虑燃烧器倾角的修正系数k₁、k₂，修正火焰充满程度和燃烧器位置的系数k₃，以及炉内温度场的修正系数k₄组成；α为燃烧器的倾角；β_0B为投入运行的燃烧器的平均高度以上受热面与炉膛总受热面的比值；系数k₁、k₂、k₃、k₄的取值如下：k₁＝0.21；k₂＝－0.003，燃烧器向上倾时；k₃＝－0.001667，燃烧器向下倾时；k₃＝0.29；k₄＝s₀/160，s₀为有效辐射层厚度。