传热面积和流速

9.3.5　传热面积和流速

1.对流传热面积的确定

锅炉对流受热面大多采用圆管。由于管径和管壁厚度不同，管子内外表面积的比值也不一样。尤其是现代亚临界和超临界参数大型电站锅炉，受热面管子长，管壁厚，管子内外表面积的差值问题就要引起注意。所以在传热性能计算中合理地规定受热面的传热面积对准确计算传热量有很大的影响。

通常采用的计算对流受热面传热面积的原则与传热系数计算方法有关。当采用平壁传热系数计算公式时，如果壁面两侧的放热系数相差很大，则以放热系数小的一侧的湿润面积作为传热面积；如果壁面两侧的放热系数相近，则以管子内外表面积的算术平均值作为传热面积。

具体来说，锅炉的凝渣管束、锅炉管束、省煤器、过热器和再热器等受热面，都以管子外侧（烟气侧）的全部表面积作为计算传热面积。

屏式过热器为半辐射式受热面，故计算传热面积按平壁表面积，即等于通过屏受热面各管子的中心线并由屏最外圈管子的外廓线所围成的平面面积F_p的2倍（双面），再乘以角系数x_p：

布置在炉膛出口的顺列管束与屏的区别在于其纵向相对节距σ₂和横向相对节距σ₁不同。当σ₂≤1.5且σ₁＞4时，其传热面积即可按屏来计算。

管式空气预热器的传热面积是按烟气侧和空气侧的平均表面积计算。回转式空气预热器的传热面积是按蓄热板两侧表面积之和计算。

2.工质和烟气流速计算和选取

在设计锅炉时，对流受热面中的工质流速和烟气流速是根据安全可靠和技术经济方面的要求进行确定的。具体有以下一些考虑：

（1）对流受热面中选择烟气流速时，考虑的因素有对流受热面的传热强度，烟气流动阻力，含尘气流对受热面的磨损，受热面的积灰等。

（2）为了防止受热面积灰堵塞，在额定负荷时，烟气横向冲刷管束的最小流速应大于6m/s，烟气纵向冲刷管式和回转式空气预热器的最小流速应大于8m/s。

（3）增大烟气流速对减少受热面积灰和增强传热有利，可用相对较少的受热面积达到要求的传热量，从而节省钢材；但烟道阻力同时增大，受热面磨损严重，引风机能量消耗增加。权衡这两个相互制约的因素，可得出一个最经济的烟气流速，在该流速下锅炉对流受热面的初投资与运行费用之和最为节省。按这个要求计算得到的最经济烟气流速如表9.7所示。应指出的是随钢材价格和煤、电价格的变动，经济烟气流速也会有所改变。若钢材价格比煤、电价格上涨很多，则采用高的经济烟气流速，偏向于节省受热面，反之则降低经济烟气流速以减少运行费用。

表9.7　经济烟气流速

（4）对于顺列管束，经济烟速比表9.7中的数值要高40%。

（5）对燃油及气体燃料锅炉，不考虑受热面的磨损问题，应按经济烟速来选择烟气流速。

（6）对燃用固体燃料锅炉，对流受热面受到烟气中飞灰的磨损，其磨损量与烟气流速的三次方成正比，故而要从防止受热面受飞灰磨损的要求对烟气流速加以限制。通常，过热器的允许流速为10～14m/s，省煤器错列布置时的允许流速为9～11m/s，顺列布置时则为10～13m/s。液态排渣炉中，烟气含灰量大为降低，减轻了对受热面的磨损，故其烟气流速可提高到接近经济烟速。相反，流化床燃烧锅炉燃用劣质燃料，飞灰浓度大，飞灰颗粒未经熔融而带棱角，为防止磨损而应采用较低的烟气流速，仅为经济流速的一半左右。

空气预热器两侧分别为空气和烟气，两者的放热系数较为接近，则在考虑受热面的初投资与运行费用时，要同时选择合适的烟气流速和空气流速。因此除了确定经济流速外，还应计算最经济的空气和烟气流速比。对管式空气预热器，最经济烟气流速为9～13m/s，最经济流速比w_k/w_y＝0.45～0.55。对回转式空气预热器，最经济烟气流速为9～11m/s，最经济流速比w_k/w_y＝0.7～0.8，即w_k＝6～8m/s。

流过各受热面的流体的流速在不同的地点都不相同，这是因为：①截面积发生变化；②流体温度发生变化。传热计算中所涉及的流速是指定性温度下所规定的流通截面上平均流速。

定性温度一般取进出口截面上的温度的算术平均值。规定的流通截面视流体的冲刷方式而定，参阅有关手册。

烟气流速按计算式为

式中：B_j为计算燃料消耗量；V_y为1kg燃料燃烧后，按0.1MPa和0℃状态下及烟道中平均过量空气系数下计算的烟气体积；F为流通断面的面积。空气的计算速度为

式中：V⁰为燃烧所需的理论空气量；β_ky为空气预热器中空气侧过量空气系数，即

式中：β″_ky为空气预热器出口处的空气量与理论空气量之比，β_yz为在空气预热器中进行再循环的空气的份额，Δα_ky为空气预热器的漏风量，即等于空气侧漏走的风量。

如果部分被加热的空气从空气预热器引出，即存在空气旁路，则β^″_ky值应扣除流经旁路的那部分空气量。而不论在空气侧或在烟气侧有旁路的空气预热器中，漏风量Δα_ky仍保持不变。

蒸汽和水的流速为

式中：D为蒸汽或水的流量，kg/s；v_pj为蒸汽或水的平均比容，m³/kg；f为蒸汽或水的流通断面的面积，m²。

在布置有被烟气或空气横向及斜向冲刷的管束的烟道中，烟气或空气的流通截面按管子中心线的平面来确定，等于烟道内截面积与管子所占面积之差。这样确定的流通截面与其他平行截面相比是最小的。凡是要确定气流速度都应采用这种最小截面积的原则。具体在各种受热面中计算流通截面积的公式如下：

当介质横向流过光滑管束时：

式中：a、b为所求截面烟道的尺寸，m；z₁为每排管子的根数；d、l为管子的直径（外径）和长度，m；如系弯管，则取其投影长度作为管长。

当介质纵向冲刷受热面时：

若介质在管内流动，有

式中：z₂为平行并列的管子数；d_n为管子内径，m。

若介质在管间流动，有

式中：z为管束中的管子数。

当所求烟道的各部分截面积不同而求其平均流通截面积时，可按照速度平均的条件，也就是按1/F值平均的方法来求出。

若所计算的几段烟道，受热面的结构特性及冲刷特性是同样的，只是流通截面积不等，则平均流通截面可按下式计算：

式中：H₁，H₂…为对应于流通截面各为F₁，F₂…的受热面积，m²。

若烟道流通截面系平滑渐变，其进口和出口截面积分别为F′和F″，则平均流通截面为：

若通道截面积相差不超过25%，可按算术平均法求其平均截面积。