炉膛受热面的辐射特性

9.2.3　炉膛受热面的辐射特性

1.角系数及有效角系数

炉内吸热是借炉膛内布置了辐射受热面——水冷壁来达到的，见图9.4。水冷壁的辐射受热面面积并不等于所有管子的表面积，这是因为水冷壁管一般都是靠炉墙布置，只有曝光的一面受到炉内火焰的辐射，而其背面只受到炉墙的反射辐射，所以不能完全利用。

图9.4　水冷壁管辐射受热示意图

设火焰向炉壁总的投射热量为Q_t，而一次投落到管子壁面上的热量为Q′，则φ＝Q′/Q_t为传热学的角系数定义，它纯粹是一个几何因子，角系数可以运用传热学中辐射面之间辐射换热的完整性和互换性推导出来。它仅与受热面的几何形状及相对位置有关，而与受热面的外壁温度、黑度等因素无关，可用几何方法求得。

锅炉的水冷壁由于它与炉墙的相对位置，使得未直接投射到水冷壁管上的辐射热，到达炉墙后，会被反射回来或因再辐射而部分落到水冷壁管子上，最终被水冷壁所吸收。对于水冷壁中的工质而言，不论辐射热来自何方，只要落到水冷壁管子上并最终被水冷壁所吸收就是有效的。因此给出有效角系数x的定义为

它计及了火焰辐射与炉墙反射的作用。即x＝f（），具体数值可查阅有关手册。

x的数值与管子的相对节距s/d及管子中心线离开炉墙的相对距离e/d有关（见图9.5）。在一定s/d的下，增加e/d，则被炉墙反射后再落到水冷壁管子上的辐射热量也增加，即增大了有效角系数，但当e/d≥1.4后，被炉墙反射后落到水冷壁管上的辐射分额不再变化。在一定的e/d下，增加s/d，火焰落到水冷壁管上的分额减少，即x值下降。

图9.5　单排光管水冷壁的有效角系数

1—考虑炉墙辐射，e/d≥1.4；2—考虑炉墙辐射，e/d＝0.8；3—考虑炉墙辐射，e/d＝0.5；4—考虑炉墙辐射，e/d＝0；5—不考虑炉墙辐射

对膜式水冷壁，犹如管靠管（s/d＝1），火焰辐射热量全部落到水冷壁上，有效角系数为1。

此外，s的增大使炉墙上布置的管子数目减少，减少了炉膛辐射受热面，并使炉墙内表面温度增高，e的距离过大也会失去水冷壁保护炉墙的作用。如果s太小，使单位受热面积的吸热量减少，金属利用率差，但炉墙结构可减薄。当然，炉膛辐射受热面的多少，还得保证一定的炉膛出口温度，以使燃料在炉内燃烧完全。

炉膛出口烟窗对炉膛而言，可取x＝1，这是因为炉膛火焰投射在出口烟窗上的辐射热，陆续通过烟窗后各排管子，不再有反射，全部被吸收。但对炉膛出口处布置的管排而言，x不能视为1。

有效角系数与炉壁面积的乘积称为有效辐射受热面。

H_f＝xF_b

若某区域的炉壁面积为F_bi，有效角系数为x_i，则该区域的有效辐射受热面为

H_fi＝x_iF_bi

由于各区域布置水冷壁有效角系数不尽相同，则炉膛总的效辐射受热面为

H＝∑H_fi＝∑x_iF_bi

整个炉膛的平均角系数为

式中：F_bz为炉膛壁面总面积。对层燃炉，F_bz＝F_l－R；F_l为炉膛包覆面积；R为炉排面积。

也称作炉膛的水冷程度，现代锅炉炉膛的水冷程度都很高，一般可达0.9以上。有关角系数更为详细的数据可参见有关手册。

2.热有效系数

炉膛水冷壁管的热有效系数表示火焰与炉壁间的换热量与火焰有效辐射之比。

如果火焰对炉壁的有效辐射为q_yx1，炉壁对火焰的有效辐射为q_yx2，则单位面积上火焰和炉壁间的换热量为q_yx1－q_yx2。该热量与火焰对炉壁的有效辐射之比就是炉壁的热有效系数ψ，即

ψ值越大，表示炉壁的吸热能力越高，ψ值的大小取决于q_yx2，若q_yx2＝0，ψ＝1；若q_yx2＝q_yx1，ψ＝0。

q_yx2是自身辐射及反辐射所组成。显然，若炉壁温度很低，则其自身辐射部相对地就很小；若炉壁黑度增大，则炉壁的反辐射就减小。所以，炉壁的有效辐射决定于炉壁温度T_b及黑度a_b。

如果水冷壁管表面十分干净，则外壁温度接近管内工质温度，一般情况下不会高于400℃，管壁的自身辐射相对于火焰的有效辐射可以忽略。

若水冷壁管外壁结了一层垢，即使很簿，管子最外层灰垢的表面温度也会很高，如900℃，这时自身辐射就不能忽略了。此外，水冷壁越脏，炉壁黑度就越小，使炉壁的反辐射增加。

整个炉膛中，所布置的水冷壁结构特性不同，或污染情况不同时，名部分的热有效系数不等。则整个炉膛的平均热有效系数为

3.污染系数

水冷壁管的污染系数ζ表示水冷壁管由于结积灰垢导致管壁温度升高和黑度减小而水冷壁管吸热能力减小的一个系数。

显然，气体燃料的ζ＞液体燃料的ζ＞固体燃料的ζ。表9.1给出了不同条件下水冷壁的污染系数。

表9.1　水冷壁污染系数ζ

对液态排渣炉中覆盖了耐火涂料的带销钉的水冷壁，其污染系数计算式为

式中：t_zy为灰渣的熔点，可取比灰熔点FT低50℃；b为经验系数，对单室炉及双室炉b＝1.0，对半开式炉膛，b＝1.2。

对包含在炉子有效容积内的双面曝光水冷壁及屏（边壁屏除外），其污染系数ζ值应比贴墙水冷壁的该值降低0.1，而膜式双面曝光水冷壁及屏则降低0.05。

当炉膛出口布置屏式过热器时，考虑屏间烟气向炉膛反辐射的影响，对屏与炉膛的分界面的污染系数要乘以修正系数β，即

系数β可根据炉膛出口烟温及燃料种类由图9.6得到。

有效角系数x，污染系数ζ和热有效系数ψ从不同的角度描述了炉膛受热面的辐射特性。三者的关系为

图9.6　考虑屏间烟气反辐射影响的修正系效

1—煤；2—重油；3—气体燃料