通风阻力计算

    17.1.3　通风阻力计算

    1.基本方程及计算

    气体（烟气或空气）流动阻力Δh_lz中的沿程摩擦阻力Δh_mc、横向冲刷管束阻力Δh_hx和局部阻力Δh_jb均可用下列通式表示

    

    式中：ζ为各类流动阻力系数。

    其它参数及计算时的一般规定如下：

    （1）锅炉通风计算时所需的原始数据，包括流程中各处的气体流量（流速）、温度、通道及受热面的结构参数均取自额定负荷下热力计算的结果。所有对流受热面中气流速度和状态参数，均按该区段的算术平均值进行计算。

    （2）气体的计算温度，除通道阻力集中在计算区段始端或终端的局部区段外，均按通道及受热面进、出口截面上的算术平均温度确定。

    （3）气体密度为

    

    式中：ρ⁰为标准大气压0℃时的气体密度，kg/m³。一般干空气可取1.293kg/m³，烟气可取1.34kg/m³；t为气体计算温度，℃。

    （4）气体流速为

    

    式中：V为计算温度t下气体的实际体积流量，m³/s；F为气体通道的有效流通截面积，m²。

    如果热力计算中对冲刷特性相同的受热面分段计算，则各区段的计算流速不同，整个受热面的平均流速可按各流速所流经的排数或长度加权平均，即

    

    式中：a₁，a₂分别为各区段中气体以流速w₁，w₂横向冲刷管束的管排数（或纵向冲刷管束的管子长度）。

    （5）通道有效流通截面积计算原则

    ①气体管内流动的有效流通截面积

    

    式中：n为并联管子根数；d_n为管子内径，m。

    ②气体管外纵向冲刷管束的有效流通截面积

    

    式中：a，b为通道流通截面的长度和宽度，m²；d_w为管子外径，m。

    回转式、板式空气预热器通道的有效流通截面积等于各气体换热元件流通截面积的总和。

    ③气体横向冲刷光管管束的有效流通截面积

    

    式中：n₁为垂直于气流方向最多的一排管子根数；l为每根管子在流通截面上的长度，m。

    

    

    图17.3　气体斜向冲刷光管管束的有效流通截面积F

    对于气体斜向冲刷光管管束的有效流通截面积F，其计算尺寸a、b应取用管子轴线平面上的通道截面尺寸，如图17.3所示。

    ④气体横向冲刷肋片管束的有效流通截面积

    

    式中：s₁为管束的横向节距，m；d_w为肋片管外径，m；h_lp、s_lp及δ分别为肋片的高度、间距及平均厚度，m。

    ⑤几个冲刷特性相同、而有效流通截面积不同的计算区段，气体通道的有效平均流通截面积按各计算区段流速所流经的排数或长度加权平均，即

    

    式中：F₁、F₂分别为各区段中气体横向冲刷管束的管排数（或纵向冲刷管束的管子长度）为a₁、a₂的有效流通截面积，m²。

    2.沿程摩擦阻力

    沿程摩擦阻力指气体在流通截面不变的直通道中的流动阻力，包括纵向冲刷管束，如烟气在管内流动的管式空气预热器和管壳式锅炉的烟管，某些管外冲刷的锅炉管束等，以及烟、风道内的流动阻力。等温气体流动时计算式为

    

    锅炉受热面常伴随有热交换过程，为非等温气流。对于一般锅炉，按上式计算误差不大。但管式空气预热器管内气体流速不高，其阻力属于“过渡区”范围，传热对介质密度和粘度有明显影响，故需进行传热修正，即

    

    表17.1　常用各种管道壁面的绝对粗糙度k

    

    

    式中：l为管子长度，m；T、T_b分别为气体及管壁的平均温度，K。气体密度ρ和流速w按式（17.8）和（17.9）确定；d_dl为纵向冲刷管束时的当量直径，确定方法见第9章；摩擦阻力系数λ与雷诺数Re及管壁的粗糙度有关，可按以下方法确定。

    （1）管道摩擦阻力系数

    

    式中：k为管道壁面绝对粗糙度，m，按表17.1查取。

    （2）回转式空气预热器摩擦阻力系数

    

    式中：k为假想无因次粗糙度，常用板型按图17.4所示板型结构从表17.2查取，或按k＝（a＋b）/s计算；λ₀为光滑管道的摩擦阻力系数，按下式计算

    

    

    

    图17.4　回转式空气预热器板结构特性

    （a）波形板与波形定位板；（b）波形板与平定位板；（c）平板与平定位板

    

    表17.2　回转式空气预热器板型结构尺寸^＊及

    值mm

    

    

    ＊板型结构尺寸值已计入波纹高度的平均公差。

    对于回转式空气预热器冷段采用的平板结构，其摩擦阻力系数按下式确定

    

    式中：C₁为冷段修正系数，按图17.5查取。如果冷段采用陶瓷板时，计算后的λ值再增加10%。

    （3）管外纵向冲刷管束的摩擦阻力系数

    管外纵向冲刷管束的λ值除了与Re、Pr以及管子的粗糙度有关外，还和管子的相对节距有关。由于纵向管束阻力的数值不大，其λ值可按管束的当量直径ddl从图17.6查取。

    

    

    17.5　空气预热器冷段修正系数C₁

    

    

    图17.6　管外纵向冲刷管束的摩擦阻力系数λ

    

    表17.3　烟风通道摩擦阻力系数λ的近似值

    

    （4）烟风道的摩擦阻力系数

    锅炉的烟道包括连接各受热面，空气预热器到除尘器，以及除尘器到烟囱的各种烟气通道，风道包括输送空气的热风道和冷风道。如锅炉烟风道摩擦阻力占管道总压降的份额较小时，一般假定λ为常数，其值按表17.3查取。

    3.横向冲刷管束的阻力

    横向冲刷管束的阻力包括气体横掠光管管束、鳍片管及肋片管等管束时的流动阻力，可按下式计算

    

    式中：ζ为管束的阻力系数；气体密度ρ和流速w按式（17.8）和（17.9）确定。

    管束的阻力系数ζ包含了气体进入和流出管束时的局部阻力系数，与Re数、管束的结构型式和管子的排数等因素有关，可按以下方法确定。

    （1）气流横向冲刷光管管束的阻力系数

    ①光管管束错列布置时的阻力系数

    

    式中：n₂为沿气体流动方向的管排数；ζ₀为单排管子的阻力系数，其值与Re数、相对节距σ₁＝s₁/d以及系数φ＝（s₁－d）/（s′₂－d）有关。其中斜向节距s′₂＝，s₁、s₂分别为管束横向和纵向节距，d为管外径。不同参数的ζ₀计算如下：

    若是φ＞1.7且3.0≤σ₁≤10，即对于宽节距管束有

    

    对于非宽节距管束，ζ₀值均可表示为

    

    式中C_s为错列管束结构系数，按系数φ范围分为

    a.若是1.7＜φ≤6.5的密布管束，有

    

    b.若是0.1＜φ≤1.7的窄管束，有

    

    

    

    图17.7　斜向节距修正系数C_σ′2

    对于采用斜向节距很小的管束，如管式空气预热器，由于制造公差而引起的节距偏差对整个管束阻力有很大影响，当σ′₂＝s′₂/d≤1.23时，ζ₀应乘以图17.7中的修正系数C_σ′2。

    ②光管管束顺列布置时的阻力系数

    

    式中的参数说明见式（17.23）。其中，单排管子的阻力系数ζ₀值与Re数、相对节距σ₁＝s₁/d和σ₂＝s₂/d以及系数φ＝（s₁－d）/（s₂－d）有关。

    若σ₁＞σ₂：

    

    若σ₁≤σ₂且0.06≤φ≤1：

    

    ③气流斜向冲刷光管管束以及在管束内部转弯时的阻力系数

    当气流斜向冲刷光管管束时，其阻力计算中的流速应根据斜向截面来确定。如果冲刷角θ＜75°，如图17.3所示，此时无论是错列还是顺列布置管束，其阻力系数按横向冲刷管束的计算值再乘以系数1.1。

    如果气流在管束内部转弯时，管束的流动阻力应再另外增加转弯时引起的局部阻力，该局部阻力仍可按式（17.22）的形式计算，但式中的ζ取用管束内部烟气转弯局部阻力系数ζ_jb，该值由气流转弯的角度β确定。β＝45°时，ζ_jb＝0.5；β＝90°时，ζ_jb＝1.0；β＝180°时，ζ_jb＝2.0。

    当β≤90°时，计算流速w取转弯前、后烟气流速的算术平均值；当β＝180°时，w取转弯前、后和中间三个位置的烟气流速平均值。计算管束流动阻力时，不再考虑转弯的影响。

    上述式中Re数的定性尺寸均为管子的外径d，m。

    （2）气流横向冲刷错列布置鳍片管束时的阻力系数

    横向冲刷错列布置鳍片管束，如图17.8所示，其阻力仍按式（17.22）计算，式中ζ取鳍片管束阻力系数

    

    式中：ζ_hx为横向冲刷错列布置光管管束的阻力系数。

    

    

    图17.8　鳍片结构特性及横向冲刷示意图

    （a）鳍片管束；（b）膜式管束

    在计算图17.8（a）所示鳍片管束的阻力Δh时，如果沿烟气流程两相邻鳍片端距a值小于鳍片顶部厚度δ值的5倍时，就必须考虑气体流通截面被鳍片阻塞的程度，此时有效流通截面积为

    

    式中：w、b为通道横截面的宽度和深度，m；n₁为垂直于烟气流方向的管子排数；l为通道内管子长度，m；δ′为流通截面被鳍片阻塞的程度。

    

    式中：k为鳍片端部厚度修正系数。当2＜a/δ＜5

    时，k＝；当a/δ≤2时，k＝1。

    在计算ζ_hx时，系数φ也要考虑堵塞程度的影响，即横向节距取s′₁＝s₁－δ′。

    在计算图17.8（b）所示由钢板焊接的错列膜式管束，其阻力系数为

    

    （3）气流横向冲刷肋片管束的阻力系数

    

    

    图17.9　肋片管结构型式

    中小容量锅炉尾部受热面常采用铸铁式肋片管省煤器，其结构特性如图17.9所示。横向冲刷肋片管束的阻力也按式（17.22）计算，式中ζ值取肋片管束阻力系数ζ_lp。ζ_lp的计算与横向冲刷光管管束的形式相同，其值与肋片的高度h_lp与管外径d的比值h_lp/d，肋片的节距s_lp与管外径的比值s_lp/d，管子的横向节距s₁和纵向节距s₂，以及纵向排数n₂和Re数等有关。

    ①肋片管束错列布置时的阻力系数

    式中：C_c为错列布置肋片管束的修正系数。

    对于错列布置圆形肋片管束：

    

    式（17.38）中Re数的定性尺寸为肋片管外径d，m；w为烟气在管束最小流通截面处的流速，m/s。其适用于h_lp/d＝0.166～0.5，s_lp/d＝0.15～0.23，Re＝（10～50）×10³的条件。

    对于错列布置方形肋片管束，其阻力系数仍按圆形肋片管束计算，但需对管束的流动阻力作出修正，即

    

    式中：Δh_y为圆形肋片管束的阻力，Pa。

    ②肋片管束顺列布置时的阻力系数为

    

    式中：C_sh为顺列布置肋片管束的修正系数。

    a.对于顺列布置圆形肋片管，当s_lp/d＝0.21～0.3时，

    

    b.对于顺列布置方形肋片管，当s_lp/d＝0.33时，

    

    式（17.42）中Re的定性尺寸为肋片的节距s_lp，w为烟气在管束最小流通截面处的流速，m/s，其适用范围为Re＝（3～5）×10²，n₂＝4～6，h_lp/d＝0.2～0.5，s₁/d＝2～4。

    4.通道的局部阻力

    通道内流体的局部阻力是由于流动方向或流通截面的改变而引起的能量损耗，按下式计算

    

    式中：ζ为局部阻力系数，由试验确定。由于锅炉烟、风道中气体流动属于已进入自模化区的紊流状态，局部阻力系数ζ与Re数无关，只取决于通道部件的几何形状。

    局部阻力系数的种类非常多，包括转弯、变截面、三通、分流、汇流、通道的阀门和调节风门等，详细的各类流体局部阻力系数可参考有关资料，如文献^［1－3］。