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1、中国工程热物理学会 传热传质学学术会议论文 编号：113048增压强化辐射传热机理及其计算分析孙宝芝，雷雨，李彦军，宋福元(哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，哈尔滨 150001)(Tel：13804561507，Email：)摘 要 增压锅炉装置因其容积热负荷高、体积小等优点广泛应用于大中型船舶主动力装置。利用原子分子辐射理论，分析增压对三原子气体辐射光带宽度、黑度及碳黑生成的影响机理，并利用方法，计算不同条件下炉膛出口烟温、黑度等参数并进行对比。经分析可知压力提高对碳黑生成有重要影响，同时气体辐射光带增宽、黑度增加、受热面热负荷提高辐射传热得到强化。计算还表明同一负荷下随着烟气压力升高排
2、烟损失减小，锅炉效率得到提升。关键词 增压锅炉；辐射传热；强化传热；炉膛计算 基金项目：中国博士后科学基金面上资助(20100471017)，黑龙江省博士后科学基金(LBHZ09233)0 前言增压锅炉与常压锅炉相比，炉膛压力提升使锅炉结构布置紧凑、燃料燃烧及热量传递得到大幅强化，各项指标发生根本性的革新，是船用蒸汽锅炉未来发展的必然方向1。对增压锅炉的研究国外起步较早技术成熟。从上世纪五十年代起前苏联对船用主增压锅炉进行了自动化实验，并随着运行和制造经验的逐步积累改进了多种型号的增压锅炉及其细部结构。时至今日，俄罗斯舰用增压锅炉已完全取代常压锅炉。目前我国在此方面的研究处于不断发展完善中，尚
3、未形成完整的船用增压锅炉计算方法，且辐射传热本身是一复杂的能量传递过程，受各种特性因素影响，因此对增压强化炉内辐射传热的机理研究仍处于初始阶段。刘刚等人2在来流空气压力12MPa、工作压力0.30.88MPa的条件下对装有空气雾化喷嘴的燃烧室研究了压力对烟粒浓度和火焰辐射的影响。结果表明主燃区烟粒浓度和火焰辐射随压力增加呈急剧增加趋势，且烟粒辐射在火焰总辐射中所占比例也急剧增加。周怀春等人3模拟了不同炉膛尺寸下对流换热和辐射传热在着火热源中所占比重，指出炉膛火焰黑度加大时辐射传热所占比例明显上升。文献4根据燃烧传热基本原理对船用增压锅炉炉内燃烧与传热进行了理论分析，指出炉内燃烧系统压力的提高，
4、使燃烧增强、炉膛容积热负荷提高。同时提高炉内燃烧压力，加快了化学反应速度有利于炉内燃烧的稳定，强化了炉内换热。王敏等人5在锅炉结构不变的情况下，得到了随炉膛压强升高炉内吸热量约为原来的2倍，对流管束与烟气的传热系数约为原来的3倍且炉膛内的烟气流速增加不大的结论。文献6利用前苏联锅炉机组标准计算方法从数学公式出发，推导了炉膛黑度同压力的关系，即炉膛黑度是压力的单增函数。通过以上分析可以看出，目前我国有关增压强化辐射传热方面的研究尚处于定性分析及探讨工程应用阶段，针对增压锅炉强化辐射传热机理方面的研究未见报道。本文以增压锅炉炉膛为研究对象，从碳黑生成和辐射能传递的角度揭示增压锅炉强化辐射传热的机理
5、，采用前苏联中央锅炉透平研究所()船用蒸汽锅炉计算方法分析了炉膛压力变化对锅炉热力参数的影响，并对计算结果进行对比分析，为炉内增压强化辐射传热机理揭示及增压锅炉计算方法研究提供一定参考。1 增压强化炉内过程机理分析增压锅炉炉膛内，重油在较高压力下燃烧，烟气中除包含二氧化碳、水蒸气等气体外，还包括大量尺寸很小的碳黑粒子形成了火炬的固体弥散项。这些三原子气体和碳黑粒子的生成机理及其辐射光谱性质直接影响炉膛内辐射能量的传递7。压力的提升使燃烧和辐射传热环境发生改变，进而影响整个炉内换热过程。1.1 增压对碳黑生成的影响重油经蒸汽雾化后喷入增压炉膛内燃烧，对已蒸发液体燃料的燃烧，在空气不足的高温条件下
6、，通常伴随有气相析出型碳黑粒子的生成，其直径很小，据试验研究表明，当燃料为重油和空气时，碳黑直径约为2030nm8。碳黑的出现形成发光火焰，使火焰辐射能力大大加强。其连续的辐射光谱，包括可见光和红外区。在发光火焰中，碳黑发射的辐射能一般是三原子气体的23倍，是火焰中的主要辐射成分。因此碳黑粒子的生成量对炉内辐射传热有重要影响。碳黑生成机理复杂，燃烧温度、炉内压力都对碳黑的生成有很大影响。目前尚未形成统一结论，许多研究者研究了压力对碳黑生成的影响。图1 压力对碳黑生成量的影响8图1给出了正庚烷液滴在空气中燃烧压力对碳黑生成量的影响。从图中可以看出，当燃烧室压力很低时，碳黑量很低，在压力维持1MP
7、a以下时，随着压力的升高，碳黑生成量几乎呈线性上升，压力升到约1MPa时，出现转折区，超过此值后，压力再升高时碳黑的生成量增加很少。增压锅炉炉膛最高压力约为0.3MPa，通过上述分析可知在锅炉整个负荷范围内碳黑的生成与压力成正比关系，压力对碳黑生成量有重要作用。同时碳黑粒子的存在会强化辐射传热，因而增压条件明显强化了辐射能的传递进而提高换热效率。1.2 增压对辐射介质黑度的影响辐射传热是炉膛内换热的主要方式，通常情况燃用液体燃料时炉内的辐射介质包括气态燃烧产物以及悬浮在这些气流中的碳黑粒子，这些三原子气体和粒子在整个光谱区的某些振动旋转光带内辐射能量进而决定了整个炉膛内辐射能量的传递。黑度是气
8、体固有的物理性质，与气体分压力、辐射层厚度、温度和全压力有关。实验数据表明全压对气体黑度影响很大。当CO2气体温度T=1600K、总压由0.1MPa升至1MPa，在=110-3MPam时将使黑度提高65%7。由理论和实验数据可知，当辐射气体的容积成分不变时，随着压力的升高气体黑度由于光谱吸收带的增宽而增大。图2表示T=2400K、L=0.2m时，气体单色黑度及光带分布随全压变化的情况。由曲线可见，压力增加导致CO2和H2O的单色黑度增大且吸收光带加宽，即向长波光谱区方向吸收加宽，特别是在光带两侧尤为明显。同时随着压力的升高，光带中辐射光谱趋于连续。早期工程计算和时通常简化成两个函数的乘积形式：
9、 (1) (2)、为气体常压时的黑度；为在全压高于大气压时引入的修正系数，用以表征高压对黑度的影响。其物理本质决定于全压对CO2、H2O吸收光带展宽的影响。图2 压力对CO2单色黑度的影响7图3 压力对H2O单色黑度的影响7随着对光谱研究的不断深入，逐渐通过辐射现象的本质以原子分子辐射理论为基础，来研究气体黑度以及各因素对光带宽度的影响。谱线具有一定宽度，因此在一定条件下会加宽。通常在工程上仅考虑其压力增宽，即与气体压力有很大关系的分子碰撞所引起的碰撞增宽。压力增宽的线型函数可由光谱学推出，具有洛伦兹函数形式9： (3)压力增宽半宽度与压强的关系为： (4)有效加宽压强： (5)式中：、分别为
10、波数和谱线中心波数；、分别为全压和气体分压；为自加宽系数；0代表标准状态。从公式中可明显看出，随着压力的提高谱线宽度也随之增加，气体辐射能力增强。综上可知，对于船用增压锅炉来说其辐射传热之所以得到强化，正是因为烟气压力提高后，炉膛内三原子气体辐射光带宽度增加，气体黑度得到提高。同时压力对碳黑生成有重要影响。所以火炬的辐射能力增强，增压锅炉辐射换热能力提高。2 增压炉膛热力参数计算分析锅炉机组设计计算中，有关常压锅炉炉膛的换热计算一直沿用原苏联热力计算标准方法且主要针对燃煤锅炉10，由于船用增压锅炉具有其独特的工作方式与换热特点，故其计算方法与常压锅炉有很大不同。本文采用前苏联中央锅炉透平研究所
11、()船用蒸汽锅炉计算方法对锅炉炉膛相关热力参数进行分析研究。对于船用燃油增压锅炉，火焰实际黑度采用下式计算11： (6)式中：为火焰层黑度，对重油取0.75；为辐射减弱系数，1/(mMPa)；为炉膛烟气平均压力，MPa；为烟气辐射层有效厚度，m，采用下式计算： (7)式中：为炉膛容积，m3；为炉墙总面积，m2。炉膛黑度用来说明火焰与炉壁间的辐射传热关系。它既不是火焰黑度，也不是火焰与炉壁间的系统黑度，而是相应于火焰有效辐射的假想黑度，其计算公式如下： (8)式中：为吸收热量表面的假定沾污系数，与燃料种类及其燃烧方式有关，燃用重油选取=0.9；为炉膛水冷度，它等于炉膛辐射受热面与炉膛总面积的比值
12、；为联系辐射体平均有效温度与理论温度的中间乘数，取=0.2。玻尔兹曼准则数按下式计算11： (9)式中：为燃料消耗量，kg/s；为燃烧产物在理论燃烧温度和炉膛出口温度之间的平均比热，kJ/(kgK)；为炉膛辐射受热面积，m2；为炉膛理论燃烧温度，K；为绝对黑体辐射常数，5.6710-11kW/(m2K4)。炉膛出口无因次温度计算公式12： (10)式中：为反映炉膛燃烧特性的参数，与锅炉负荷、燃料种类及燃烧情况等有关；为炉膛出口烟气温度，K。3 计算实例与结果分析表1 某型增压锅炉不同工况下计算参数增压比燃料量/kgs-1炉膛平均压力/MPa11.2430.8180.124521.4251.11
13、20.141732.0210.1730.196342.692.270.254953.1082.5540.2895为进一步说明增压对炉膛辐射传热的影响规律，以某型增压锅炉炉膛（相关参数见表1）为研究对象，分别计算不同负荷下的炉膛黑度、辐射受热面热负荷以及同一负荷下不同烟气平均压力下的炉膛热力参数。相关结果如图46所示。根据增压锅炉工作特性，锅炉负荷与增压比是一一对应关系。从图4可知，随着锅炉负荷的增加即增压比提升，炉膛黑度与辐射受热面热负荷均有明显增加，最大值可分别达到0.147和0.84MW。究其原因，主要是压力增加使炉内三原子气体辐射光带加宽同时碳黑数量明显增加，而辐射传热的强弱可通过炉膛黑
14、度直接体现。随着压力的提升，辐射热量与炉膛水冷壁间能量交换的剧烈程度不断得到强化与提升，进而强化了整个锅炉的传热过程，即在其他条件不变的前提下锅炉能够产出更多的蒸汽供给动力设备使用。由图5可知，在同一负荷下压力增加造成炉膛黑度提高、出口烟温下降，且此种变化趋势随压力数值的增加而逐渐趋缓。炉内压力升高后，炉膛黑度随之升高，导致烟气辐射放热量升高，即炉膛内烟气的辐射放热得到更充分利用，锅炉排烟温度降低。根据前面分析可知，压力提高后炉膛黑度提高、排烟温度下降，导致排烟损失降低，且该损失在增压锅炉运行各项损失中所占比重最大，致使锅炉效率随压力呈现递增趋势，如图6所示。图4 炉膛黑度辐射受热面热负荷随负
15、荷变化图5 同一负荷下炉膛黑度、辐射受热面热负荷、炉膛出口烟温随压力变化图6 同一负荷下锅炉排烟损失、效率随压力变化4 结 论(1)烟气压力的提高使三原子气体辐射光带增宽，并对碳黑的生成有强烈影响，黑度增加、辐射受热面热负荷提高，辐射传热得到强化；(2)不同锅炉负荷下随着压力的提升，炉膛黑度与辐射受热面热负荷分别增加了9.3%和52%；(3)同一负荷下随压力增加炉膛黑度增加、炉膛出口烟温下降、排烟损失减小、锅炉效率可提高0.2个百分点；(4)受锅炉实际运行条件限制，选取的计算压力范围较小，若增大计算范围参数值变化将更为明显。参考文献1 陈起铎, 沈志刚, 王艳滨. 舰船主锅炉选型和提高锅炉效率
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