对流受热面及其传热特点

9.3.1　对流受热面及其传热特点

就某根圆管来说，其传热过程包含如下三个串联环节：1）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；3）从壁面低温侧向冷流体的热量传递。由于有结垢，实际上是垢层由内表面对冷流体的放热。

即

烟气对灰层外表面的对流传热量Q_d可用牛顿冷却公式来表示，即

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成牛顿冷却公式的形式，即

那么，总放热量为

式中：d₀为灰层外表面直径；t₁为烟气平均温度；t_b1为灰层外表层温度；α_d、α_f分别为对流放热系数和辐射放热系数；α_1h为烟气对灰层外表面的放热系数；l为管长。

同样可得到内壁向工质的对流放热量。按热阻叠加的原理可得经由壁面的导热量^［1，2］。

由于现代锅炉的工质经过严格水处理及煮炉等，水垢较少或无水垢，因此：管内工质是对管金属内壁放热；由于金属的导热系数较大，金属的热阻可忽略不计；管外壁虽有积灰，但一般灰层较薄。

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圆管的计算公式，所引起的计算误差在锅炉热工计算中是可以接受的。这样一来，任何情况下都可以认为传热系数与计算面积无关。但是，传热量的数值受计算传热面积的影响仍很大。锅炉热工计算中规定，对于传热量的计算，当管壁两侧的放热系数相差很大时，以放热系数小的一侧面积作为计算传热面积；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传热面积。

对流受热面的传热系数可一般性地表示为

尽管如此，实际中，由上式直接确定传热系数仍有困难。主要是很难测得含灰气流对污垢管壁表面的放热系数α_1h以及灰层厚度δ_h。一般采用不含灰气流冲刷干净的管壁的对流放热系数α₁、α₂以及一个能反映受热面污染程度的系数来计算传热系数的大小。考虑受热面污染的方法的不同导致了不同的计算公式。锅炉热工计算中，采用如下一些实用公式来计算传热系数的大小。

（1）对流式过热器

燃用固体燃料，管束错列布置时

式中：ε为污染系数。

燃用固体燃料，管束顺列布置，以及燃用气体和液体燃料时

式中：ψ为热有效系数。

（2）省煤器

直流锅炉的过渡区，蒸发受热面等，燃用固体燃料，管束错列布置时

燃用固体燃料，管束顺列布置及燃用气体和液体燃料时

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，K＝ψα₁。

（3）半辐射式屏式过热器

式中：为考虑屏式过热器吸收炉膛辐射热影响的系数；Q_f为屏吸收炉膛的辐射热量；

Q_d为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，所以在计算烟气侧放热系数α₁时应进行修正。

式中：ξ为屏的利用系数，它是考虑由于烟气对屏的冲刷不完全而使吸热减少的修正系数；s₂为屏的管子纵向节距；x_p为屏的辐射角系数。

（4）管式空预器

式中：ξ为利用系数，对于管式空气预热器它还包括受热面被污染对传热的影响。

（5）回转式空预器

回转式空气预热器其传热过程不同于其它对流受热面，它是一种不稳定的蓄热式传热过程，其传热系数是以蓄热板两侧的传热面积之和为基准的。

式中：x_y，x_k分别为烟气侧受热面，空气侧受热面各占总受热面积的份额；C为考虑不稳定传热影响的系数。对于厚度为0.6～1.2mm的蓄热板，C的数值与预热器转子的转速n有关，可按表9.6取用。

表9.6　C的数值