熱能與動力工程專業(yè)英語全文翻譯最新整理版

1、第一章熱科學(xué)基礎(chǔ)1.1 工程熱力學(xué)基礎(chǔ)熱力學(xué)是一門研究能量儲存、轉(zhuǎn)換及傳遞的科學(xué)。能量以內(nèi)能（與溫度有關(guān)）、動能（由物體運(yùn)動引起）、勢能（由高度引起）和化學(xué)能（與化學(xué)組成相關(guān)）的形式儲存。不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，而且能量在邊界上可以以熱和功的形式進(jìn)行傳遞。在熱力學(xué)中，我們將推導(dǎo)有關(guān)能量轉(zhuǎn)化和傳遞與物性參數(shù)，如溫度、壓強(qiáng)及密度等關(guān)系間的方程。因此，在熱力學(xué)中，物質(zhì)及其性質(zhì)變得非常重要。許多熱力學(xué)方程都是建立在實(shí)驗(yàn)觀察的基礎(chǔ)之上，而且這些實(shí)驗(yàn)觀察的結(jié)果已被整理成數(shù)學(xué)表達(dá)式或定律的形式。其中，熱力學(xué)第一定律和第二定律應(yīng)用最為廣泛。1.1.1熱力系統(tǒng)和控制體熱力系統(tǒng)是一包圍在某一封閉邊界內(nèi)的具有固

2、定質(zhì)量的物質(zhì)。系統(tǒng)邊界通常是比較明顯的（如氣缸內(nèi)氣體的固定邊界）。然而，系統(tǒng)邊界也可以是假想的（如一定質(zhì)量的流體流經(jīng)泵時(shí)不斷變形的邊界）。系統(tǒng)之外的所有物質(zhì)和空間統(tǒng)稱外界或環(huán)境。熱力學(xué)主要研究系統(tǒng)與外界或系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的相互作用。系統(tǒng)通過在邊界上進(jìn)行能量傳遞，從而與外界進(jìn)行相互作用，但在邊界上沒有質(zhì)量交換。當(dāng)系統(tǒng)與外界間沒有能量交換時(shí)，這樣的系統(tǒng)稱為孤立系統(tǒng)。在許多情況下，當(dāng)我們只關(guān)心空間中有物質(zhì)流進(jìn)或流出的某個(gè)特定體積時(shí)，分析可以得到簡化。這樣的特定體積稱為控制體。例如泵、透平、充氣或放氣的氣球都是控制體的例子。包含控制體的表面稱為控制表面。因此，對于具體的問題，我們必須確定是選取系統(tǒng)作為研

3、究對象有利還是選取控制體作為研究對象有利。如果邊界上有質(zhì)量交換，則選取控制體有利；反之，則應(yīng)選取系統(tǒng)作為研究對象。1.1.2平衡、 過程和循環(huán)對于某一參考系統(tǒng)， 假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)溫度完全相同。 當(dāng)物質(zhì)內(nèi)部各點(diǎn)的特性參數(shù)均相同且不隨時(shí)間變化時(shí)，則稱系統(tǒng)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)邊界某部分的溫度突然上升時(shí)，則系統(tǒng)內(nèi)的溫度將自發(fā)地重新分布，直至處處相同。當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)平衡狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)所經(jīng)歷的一系列由中間狀態(tài)組成的變化歷程稱為過程。若從一個(gè)狀態(tài)到達(dá)另一個(gè)狀態(tài)的過程中，始終無限小地偏離平衡態(tài)，則稱該過程為準(zhǔn)靜態(tài)過程，可以把其中任一個(gè)中間狀態(tài)看作為平衡狀態(tài)。準(zhǔn)靜態(tài)過程可近似視為許多過程的疊

4、加結(jié)果，而不會顯著減小其精確性，例如氣體在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的壓縮和膨脹過程。如果系統(tǒng)經(jīng)歷一系列不平衡狀態(tài)（如燃燒），從一個(gè)平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)平衡狀態(tài)，則其過程為非平衡過程。當(dāng)系統(tǒng)從一給定的初始狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)歷一系列中間過程又回到其初始狀態(tài)，則稱系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)循環(huán)。循環(huán)結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)中的各參數(shù)又與初始參數(shù)相同。在任一特性參數(shù)名稱前加上前綴 iso-,表示該參數(shù)在整個(gè)過程保持不變。等溫（isothermal）過程中溫度保持不變；等壓（isobaric）過程中壓強(qiáng)恒定；等容（isometric）過程中體積保持不變。1.1.3純物質(zhì)的氣-液相平衡如圖 1-1（a）所示，由活塞和氣缸組成的裝置中裝有1kg 水。假

5、定活塞和其上的重物使氣缸內(nèi)壓強(qiáng)維持在0.1Mpa,初始溫度 20Co 當(dāng)有熱量開始傳遞給水時(shí)，缸內(nèi)水溫迅速上升，而比容略有增加，氣缸內(nèi)壓強(qiáng)保持恒定不變。當(dāng)水溫達(dá)到 99.6C 時(shí)，如若再增加傳熱量，水將發(fā)生相變，如圖 1-1（b）所示。也就是說，一部分水開始?xì)饣優(yōu)檎羝?，在此相變過程中，溫度和壓強(qiáng)始終保持不變，但比容卻有大幅度的增加。當(dāng)最后一滴液體被氣化時(shí)，進(jìn)一步的加熱將使蒸汽溫度和比容均有所增加，如同 1-1（c）所示。在給定壓強(qiáng)下發(fā)生氣化的溫度稱為飽和溫度，壓強(qiáng)稱為給定溫度下的飽和壓強(qiáng)。因此，99.6C 水的飽和壓強(qiáng)是 0.1MPa,0.1MPa 水的飽和溫度為 99.6C。如果某一工質(zhì)為

6、液態(tài)并處于其飽和溫度和飽和壓強(qiáng)下，則稱該液體為飽和液體。如果液體溫度低于當(dāng)前壓強(qiáng)下的飽和溫度，則稱該液體為過冷液體（表明液體的當(dāng)前溫度低于給定壓強(qiáng)下的飽和溫度）或壓縮液體（表明液體的當(dāng)前壓強(qiáng)大于給定溫度下的飽和壓強(qiáng)）。若某一工質(zhì)在飽和溫度下以液、氣共存的形式存在，則稱蒸汽質(zhì)量與總質(zhì)量之比為干度。因此，如圖 1-1（b）所示，若蒸汽質(zhì)量為 0.2kg,液體質(zhì)量為 0.8kg,則其干度為 0.2 或 20%。干度只有在飽和狀態(tài)下才有意義。若某一工質(zhì)處于飽和溫度下并以蒸汽形態(tài)存在，則稱該蒸汽為飽和蒸汽（有時(shí)稱為干飽和蒸汽，意在強(qiáng)調(diào)其干度為 100%）。當(dāng)蒸汽溫度高于其飽和溫度時(shí)，則稱之為過熱蒸汽。過

7、熱蒸汽的壓強(qiáng)和溫度是彼此獨(dú)立的，因?yàn)闇囟壬仙龝r(shí)，壓強(qiáng)可能保持不變。在圖 1-2 所示的溫度-比容圖上作等壓線，表示水由初壓 0.1MPa、初溫 20c 被加熱的過程。點(diǎn) A 代表初始狀態(tài)，點(diǎn) B 為飽和液態(tài)（99.6C）,線 AB 表示液體由初始溫度被加熱至飽和溫度所經(jīng)歷的過程。點(diǎn) C 表示飽和蒸汽狀態(tài)，線 BC 表示等溫過程，即液體氣化轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝倪^程。線 CD 表示在等壓條件下蒸汽被加熱至過熱的過程，在此過程中，溫度和比容均增大。類似地，線 IJKL 表示壓弓雖為10MPa 下的等壓線，相應(yīng)的飽和溫度為 311.1C。但是，在壓強(qiáng)為22.09MPa 條件下（線 MNO）,不存在等溫蒸發(fā)過程

8、。相反，點(diǎn) N 是個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在該點(diǎn)上，切線斜率為零，通常把 N 點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)。在臨界點(diǎn)處，飽和液體和飽和氣體的狀態(tài)都是相同的。臨界點(diǎn)下的溫度、壓強(qiáng)和比容分別稱為臨界溫度、臨界壓強(qiáng)和臨界比容。一些工質(zhì)的臨界點(diǎn)數(shù)據(jù)如表 1-1 所示。1.1.4熱力學(xué)第一定律通常把熱力學(xué)第一定律稱為能量守恒定律。在基礎(chǔ)物理課程中，能量守恒定律側(cè)重動能、勢能的變化以及和功之間的相互關(guān)系。更為常見的能量守恒形式還包括傳熱效應(yīng)和內(nèi)能的變化。當(dāng)然，也包括其它形式的能，如靜電能、磁場能、應(yīng)變能和表面能。歷史上，用熱力學(xué)第一定律來描述循環(huán)過程：凈傳熱量等于循環(huán)過程中對系統(tǒng)所做的凈功。1.1.5熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律有多種

9、表述形式。在此列舉兩種：克勞修斯表述和凱爾文-普朗克表述。克勞修斯表述：制造一臺唯一功能是把熱量從低溫物體傳給高溫物體的循環(huán)設(shè)備是不可能的。以冰箱（或熱泵）為例，不可能制造一臺不用輸入功就能把熱量從低溫物體傳給高溫物體的冰箱，如圖 1-3（a）所示。凱爾文-普朗克表述：制造一臺從單一熱源吸熱和做功的循環(huán)設(shè)備是不可能的換句話說，制造這樣一臺從某一熱源吸熱并對外做功，而沒有與低溫?zé)嵩催M(jìn)行換熱的熱機(jī)是不可能的。因此,該表述說明了不存在工作效率為 100%的熱機(jī)，如圖 1-3(b)所示1.1.6卡諾循環(huán)卡諾機(jī)是低溫?zé)嵩春透邷責(zé)嵩撮g運(yùn)行效率最高的熱機(jī)。卡諾機(jī)是一個(gè)理想熱機(jī)，利用多個(gè)可逆過程組成一循環(huán)過程

10、，該循環(huán)稱為卡諾循環(huán)。卡諾機(jī)非常有用，因?yàn)樗倪\(yùn)行效率為任何實(shí)際熱機(jī)最大可能的效率。因此，如果一臺實(shí)際熱機(jī)的效率要遠(yuǎn)低于同樣條件下的卡諾機(jī)效率，則有可能對該熱機(jī)進(jìn)行一些改進(jìn)以提高其效率1-4 所示：1-2 等溫膨脹；2f絕熱可逆膨脹；3-4 等溫壓縮;4-1 可逆絕熱壓縮?？ㄖZ循環(huán)的效率為(1-1)注意，提高 TH(提高吸熱溫度)或降低 TL(降低放熱溫度)均可使循環(huán)效率提高。1.1.7朗肯循環(huán)我們所關(guān)心的第一類動力循環(huán)為電力生產(chǎn)工業(yè)所采用的，也就是說，動力循環(huán)按這樣的方式運(yùn)行：工質(zhì)發(fā)生相變，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。最簡單的蒸汽-動力循環(huán)是朗肯循環(huán)，如圖 1-5(a)所示。朗肯循環(huán)的一個(gè)主要特征是泵耗

11、費(fèi)很少的功就能把高壓水送入鍋爐。其可能的缺點(diǎn)為工質(zhì)在汽機(jī)內(nèi)膨脹做功后，通常進(jìn)入濕蒸汽區(qū)，形成可能損害汽輪機(jī)葉片的液滴。朗肯循環(huán)是一個(gè)理想循環(huán)，其忽略了四個(gè)過程中的摩擦損失。這些損失通常很小，在初始分析時(shí)可完全忽略。朗肯循環(huán)由四個(gè)理想過程組成，其 T-s 圖如圖 1-5(b)所示：1-2 為泵內(nèi)等嫡壓縮過程；2-3 為爐內(nèi)定壓吸熱過程；3-4 為汽輪機(jī)內(nèi)等嫡膨脹做功過程；4-1 為凝汽器內(nèi)定壓放熱過程。泵用于提高飽和液體的壓弓 So 事實(shí)上，狀態(tài) 1 和狀態(tài) 2 幾乎完全一樣，因?yàn)橛?2 點(diǎn)開始的較高壓強(qiáng)下的吸熱過程線非常接近飽和曲線，圖中僅為了解釋說明的需要分別標(biāo)出。鍋爐(也稱蒸汽發(fā)生器)和凝

12、汽器均為換熱器，它們既不需要功也不產(chǎn)生功。如果忽略動能和勢能的變化，輸出的凈功等于 T-s 圖曲線下面的面積，即圖 1-5(b)中 1-2-3-4-1 所包圍的面積，由用熱力學(xué)第一定律可證明WnetQnet。循環(huán)過程中工質(zhì)的吸熱量對應(yīng)面積 a-2-3-b-a。因此，朗肯循環(huán)的熱效率可表不為面積 12341(1-2)a23ba即，熱效率等于輸出能量除以輸入能量(所購能量)。顯然，通過增大分子或減小分母均可以提高熱效率。這可以通過增大泵出口壓強(qiáng)力，提高鍋爐出口溫度 T3,或降低汽機(jī)出口壓強(qiáng) P4來實(shí)現(xiàn)。1.1.8再熱循環(huán)對于一個(gè)處于高鍋爐壓強(qiáng)和低凝汽器壓強(qiáng)條件下的朗肯循環(huán)，顯然，很難阻止液滴在汽輪

13、機(jī)低壓部分的形成。由于大多數(shù)金屬不能承受 600c 以上的高溫，因此，通常采用再熱循環(huán)來防止液滴的形成。再熱過程如下：經(jīng)過汽輪機(jī)的部分蒸汽在某中間壓強(qiáng)下被再熱，從而提高蒸汽溫度，直至達(dá)到狀態(tài) 5,如圖 1-6 所示。然后理想的卡諾循環(huán)包括四個(gè)可逆過程，如圖這部分蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)低壓缸，而后進(jìn)入凝汽器(狀態(tài) 6)。再熱循環(huán)方式可以控制或者完全消除汽輪機(jī)中的濕蒸汽問題，因此，通常汽輪機(jī)分成高壓缸和低壓缸兩部分。雖然再熱循環(huán)不會顯著影響循環(huán)熱效率，但帶來了顯著的額外的輸出功，如圖 1-6 中的面積 4-5-6-4-4 所示。當(dāng)然，再熱循環(huán)需要一筆可觀的投資來購置額外的設(shè)備，這些設(shè)備的使用效果必須通過與

14、多增加的輸出功進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析來判定。如果不采用再熱循環(huán)來避免液滴的形成，則凝汽器出口壓強(qiáng)必須相當(dāng)?shù)馗?，因而?dǎo)致循環(huán)熱效率較低。在這種意義上，與無再熱循環(huán)且高凝汽器出口壓強(qiáng)的循環(huán)相比，再熱可以顯著提高循環(huán)效率。1.2 流體力學(xué)基礎(chǔ)流體運(yùn)動表現(xiàn)出多種不同的運(yùn)動形式。有些可以簡單描述，而其它的則需要完全理解其內(nèi)在的物理規(guī)律。在工程應(yīng)用中，盡量簡單地描述流體運(yùn)動是非常重要的。簡化程度通常取決于對精確度的要求，通常可以接受與 0%左右的誤差，而有些工程應(yīng)用則要求較高的精度。描述運(yùn)動的一般性方程通常很難求解，因此，工程師有責(zé)任了解可以進(jìn)行哪些簡化的假設(shè)。當(dāng)然，這需要豐富的經(jīng)驗(yàn)，更重要的是要深刻理解流動所涉

15、及的物理內(nèi)涵。一些常見的用來簡化流動狀態(tài)的假設(shè)是與流體性質(zhì)有關(guān)系的。例如，黏性在某些條件下對流體有顯著的影響；而在其它條件下，忽略黏性效應(yīng)的影響可以大大地簡化方程，但并不會顯著改變計(jì)算結(jié)果。眾所周知，氣體速度很高時(shí)必須考慮其壓縮性，但在預(yù)測風(fēng)力對建筑物的影響程度，或者預(yù)測受風(fēng)力直接影響的其它物理量時(shí)，可以不計(jì)空氣的壓縮性。學(xué)完流體運(yùn)動學(xué)之后，可以更明顯地看出采用了哪些恰當(dāng)?shù)募僭O(shè)。這里，將介紹一些重要的用來分析流體力學(xué)問題的一般性方法，并簡要介紹不同類型的流動。1.2.1 拉格朗日運(yùn)動描述和歐拉運(yùn)動描述描述流場時(shí)，將著眼點(diǎn)放在流體質(zhì)點(diǎn)上是非常方便的。每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都包含了微小質(zhì)量的流體，它由大量分子組

16、成。質(zhì)點(diǎn)占據(jù)很小的體積，并隨流體流動而移動。對不可壓縮流體，其體積大小不變，但可能發(fā)生形變。對可壓縮流體，不但體積發(fā)生形變，而且大小也將改變。在上述兩種情況下，均將所有質(zhì)點(diǎn)看作一個(gè)整體在流場中運(yùn)動。質(zhì)點(diǎn)力學(xué)主要研究單個(gè)質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動是時(shí)間的函數(shù)。任一質(zhì)點(diǎn)的位移、速度和加速度可表示為 S(X0,yo,z0,t),V(xo,yo,Z0,t),a(xo,yo,Z0,t),其它相關(guān)參量也可計(jì)算。坐標(biāo)(X0,yo,zo)表示質(zhì)點(diǎn)的起始位置，也是每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的名字。這就是拉格朗日運(yùn)動描述，以約瑟夫 L 拉格朗日的名字命名，該描述方法通常用于質(zhì)點(diǎn)動力學(xué)分析。拉格朗日法跟蹤多個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動過程并考慮質(zhì)點(diǎn)間的相互作用

17、。然而，由于實(shí)際流體包含質(zhì)點(diǎn)數(shù)目巨大，因而采用拉格朗日法研究流體流動則非常困難。與分別跟蹤每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)不同的另一種方法是將著眼點(diǎn)放在空間點(diǎn)上，然后觀察質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過每個(gè)空間點(diǎn)時(shí)的質(zhì)點(diǎn)速度，由此可以得到質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)各空間點(diǎn)時(shí)的速度變化率，即 V/x,V/y,V/z;還可以判斷某一點(diǎn)上的速度是否隨時(shí)間變化，即計(jì)算 V/t。這種描述方法稱為歐拉運(yùn)動描述，以萊昂哈德歐拉的名字命名。在歐拉法中，速度等流動參數(shù)是空間和時(shí)間的函數(shù)。在直角笛卡兒坐標(biāo)系中，速度表示為 V=V(x,y,z,t)。我們所研究的流動區(qū)域稱為流場。1.2.2 跡線和流線可采用兩種不同的流動線來幫助我們描述流場。跡線是某一給定質(zhì)點(diǎn)在流場中運(yùn)動時(shí)所

18、經(jīng)過的不同空間點(diǎn)形成的軌跡，它記錄了質(zhì)點(diǎn)的歷史”位置。一定曝光時(shí)間下可以拍得發(fā)亮粒子的運(yùn)動跡線。流線是流場中具有這樣特性的線：任一質(zhì)點(diǎn)在流線上某點(diǎn)處的速度矢量與該流線相切，即 Vdr=0o 這是因?yàn)?V 和 dr 具有相同的方向，而具有相同方向的兩個(gè)矢量的叉乘積等于零。同跡線相比，流線不能直接由相機(jī)拍攝獲得。對于一般的非定常流動，根據(jù)大量質(zhì)點(diǎn)的短跡線相片可以推斷出流線的形狀。1.2.3 一維、二維和三維流動一般來說，歐拉運(yùn)動描述中的速度矢量取決于三個(gè)空間變量和時(shí)間變量，即 V=V(x,y,z,t)。這樣的流動稱為三維流動，因?yàn)樗俣仁噶恳蕾囉谌齻€(gè)空間坐標(biāo)。三維流動的求解非常困難，并且也超出了序言

19、的范圍。即使假設(shè)流動為定常的(如，V=V(x,y,z),該流動仍為三維流動。三維流動常?？梢越瞥啥S流動。例如，對于一個(gè)很寬的大壩，受壩兩端條件的影響，水流經(jīng)大壩時(shí)的流動為三維流動；但遠(yuǎn)離壩端的中間部分的流動可看作是二維的。一般來說，二維流動是指其速度矢量只取決于兩個(gè)空間坐標(biāo)的流動。平面流動即是如此，速度矢量只依賴于 x,y 兩個(gè)空間坐標(biāo)，而與 z 坐標(biāo)無關(guān)(如，V=V(x,y)。一維流動的速度矢量只依賴于一個(gè)空間坐標(biāo)。這類流動常發(fā)生在長直管內(nèi)和平行平板間。管內(nèi)流動的速度只隨到管軸的距離變化，即 u=u(r)o 平行平板間的速度也只與 y 坐標(biāo)有關(guān)，即 u=u(y)o 即使流動為非定常流動，

20、如啟動時(shí)的情形，u=u(y,t),但該流動仍是一維的。對于完全發(fā)展的流動，其速度輪廓線并不隨流動方向上的空間坐標(biāo)而改變。這要求研究區(qū)域要遠(yuǎn)離入口處或幾何形狀突然改變的區(qū)域。有許多流體力學(xué)方面的工程問題，其流場可以簡化為均勻流動：速度和其它流體特性參數(shù)在整個(gè)區(qū)域內(nèi)均為常數(shù)。這種簡化只對速度在整個(gè)區(qū)域內(nèi)均保持不變時(shí)才成立，而且這種情況非常普遍。例如：管內(nèi)的高速流動和溪水的流動。平均速度可能從一個(gè)斷面到另一個(gè)斷面有所不同，而流動條件僅取決于流動方向上的空間變量。1.2.4 牛頓流體和非牛頓流體牛頓流體是指應(yīng)力與變形率關(guān)系曲線為過坐標(biāo)圓點(diǎn)的直線的流體。直線的斜率稱為黏度。用=(jdu/dy 這個(gè)簡單的

21、關(guān)系式來描述牛頓流體的特性。t 為流體施加的切向應(yīng)力，u 為流體的動力黏度，du/dy 為垂直于切應(yīng)力方向上的速度梯度。如果流體不滿足上述關(guān)系式，則被稱為非牛頓流體，它包括以下幾種類型：聚合物溶液、聚合物熔體、固體懸浮物和高黏度流體。在非牛頓流體中，切向應(yīng)力和變形率成非線性關(guān)系，甚至可能是非定常的，因此不能定義恒定的黏度系數(shù)。但可以定義切向應(yīng)力和變形率的比值(或隨切向應(yīng)力變化的黏度)，這個(gè)概念對不具有時(shí)間相關(guān)性行為的流體非常有用。1.2.5 黏性和非黏性流動流體的流動可大致分為黏性流動和非黏性流動。非黏性流動是指黏性作用對流動的影響很小、可被忽略的流動。而在黏性流動中，黏度的影響極為重要，不容

22、忽視。為了模擬分析非黏性流動，簡單地讓黏度為零即可，這顯然忽略了一切黏性作用。在實(shí)驗(yàn)室中，制造非黏性流動則非常困難，因?yàn)樗械牧黧w（例如水和空氣）都有黏性。然后問題變?yōu)椋菏欠翊嬖谖覀兏信d趣的、且黏性影響微乎其微的流動？答案是：存在，只要流動中的切向應(yīng)力很小，而且其作用范圍小到不會顯著影響流場就可以“。當(dāng)然，這種描述非?；\統(tǒng)，需要大量的分析以證明無黏性流動假設(shè)是正確的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可以用于模擬非黏性流動的基本流動為外部流動，即存在于物體外部的流動。非黏性流動對于繞流線型物體的研究非常重要，如繞流機(jī)翼或水翼。任何可能存在的黏性影響只限于薄薄的一層之內(nèi)，稱之為邊界層，它緊貼物體的表面，如圖 1-7

23、 所示。受黏性的影響，邊界層內(nèi)固定壁面處的速度始終為零。對于許多流動情形，邊界層非常薄，當(dāng)研究繞流線型流動的總體特征時(shí)，可以忽略邊界層的影響。例如，對繞翼型的流動，除了邊界層內(nèi)和可能接近尾緣的區(qū)域之外，非黏性流動解與實(shí)際情況非常吻合。管道系統(tǒng)中收縮段的流動，以及內(nèi)部流動中黏性影響均可忽略不計(jì)的小段區(qū)域都可簡化成非黏性流動。內(nèi)流中的很大一部分情形都屬于黏性流動，如管道流、暗渠流以及明渠流。在這些流動中，黏性作用造成相當(dāng)大的損失”，以此解釋了管道輸運(yùn)石油和天然氣必定耗費(fèi)大量的能源。無滑移條件使得壁面處的速度為零，由此產(chǎn)生的切應(yīng)力，直接導(dǎo)致這些損失的產(chǎn)生。1.2.6 層流和紊流黏性流動可分為層流和紊

24、流。在層流中，流體與周圍流體質(zhì)點(diǎn)無明顯的混合。如果在流動中注入染料，除了分子運(yùn)動的影響外，流體質(zhì)點(diǎn)不與周圍流體混合，并將在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)保持其狀態(tài)。黏性切應(yīng)力始終影響層流流動。層流可以是高度非定常的，也可以是定常的。在紊流中，流體運(yùn)動作不規(guī)則地變化，速度和壓強(qiáng)等參數(shù)的大小在時(shí)間和空間坐標(biāo)上呈現(xiàn)隨機(jī)變化，這些物理量往往通過統(tǒng)計(jì)平均值來描述。在這個(gè)意義上，可定義定?！蔽闪鳎杭磿r(shí)均值不隨時(shí)間變化的紊流。注入紊流中的染料在流體質(zhì)點(diǎn)隨機(jī)運(yùn)動的作用下，迅速與周圍流體進(jìn)行摻混，染料在此擴(kuò)散過程中很快就會消散而變得無法識別。層流和紊流可用一個(gè)水龍頭進(jìn)行簡單實(shí)驗(yàn)來觀察其流動狀態(tài)。打開水龍頭，這時(shí)的水流正如靜

25、靜的小溪一樣，流動得非常緩慢，此時(shí)的流動狀態(tài)就是層流；慢慢開大水龍頭，觀察到流動逐漸變得紊亂。注意，紊流從相對較小的流量下開始發(fā)展而成。流動狀態(tài)依賴于三個(gè)描述流動條件的物理參數(shù)。第一個(gè)參數(shù)是流場的特征長度，如邊界層厚度或管道直徑。如果這個(gè)特征長度尺度足夠大，流動中的擾動可能會逐漸增大，從而使得流動轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌５诙€(gè)參數(shù)是特征速度，如空間平均流速，足夠大的流速將導(dǎo)致紊流的產(chǎn)生。第三個(gè)參數(shù)是運(yùn)動黏度，流體的黏性越小，紊流的可能性越大。上述三個(gè)參數(shù)可以整理成一個(gè)參數(shù)，用于預(yù)測流動狀態(tài)。這個(gè)參數(shù)就是雷諾數(shù)，以奧斯本雷諾的名字命名，該參數(shù)為無量綱參數(shù)，定義為 Re=VL/,式中，L 和 V 分別為特征長

26、度和特征速度，為運(yùn)動黏度。例如，在管道流中，L 為管徑，V 為平均速度。如果雷諾數(shù)相對較小，流動為層流；如果雷諾數(shù)較大，則為紊流。通過定義臨界雷諾數(shù) R%,可更加精確地進(jìn)行表述，當(dāng) ReR 禽心流動為層流。例如，粗糙管內(nèi)的流動，其 Recrit*2000 這也是最低的臨界雷諾數(shù)，并適用于大多數(shù)工程應(yīng)用。如果管壁極為光滑且無振動，由于流動中脈動水平的減弱而使臨界雷諾數(shù)可能增大，曾經(jīng)實(shí)測到 40000 以上的臨界值。采用不同的特征尺寸計(jì)算所得臨界雷諾數(shù)將有所不同，例如，用平均速度和平板之間的距離計(jì)算得到的平行板間流動的臨界雷諾數(shù)為 1500。對于平板上的邊界層，由于來流為均勻來流，其特征長度隨到前

27、緣點(diǎn)的距離 x 而變化。計(jì)算雷諾數(shù)時(shí)采用長度 x 作為特征長度。在某一特定的XT下，Re 變?yōu)?Recrit,流動從層流過渡到紊流。處于均勻流中的光滑剛性平板，且自由來流的脈動水平較低時(shí)，已觀測到的臨界雷諾數(shù)高達(dá) 106o 在大多數(shù)工程應(yīng)用中，通常假設(shè)壁面為粗糙壁面，或者自由來流的脈動水平較高時(shí)，相應(yīng)的臨界雷諾數(shù)約為 3X105O1.2.7 不可壓縮和可壓縮流動如果任一流體質(zhì)點(diǎn)在通過流場時(shí)密度保持相對恒定，即 D/Dt=0,則該流動為不可壓縮流動。這并不要求各處的密度值均相等。如果流場中各處的密度值均相等，則很明顯，流動是不可壓縮的，但那是一種更加嚴(yán)格的情況。密度發(fā)生變化的不可壓縮流動的例子有

28、大氣流動，=(z),z 為垂直方向的坐標(biāo)，以及江河流入海洋時(shí)淡水與鹽水相鄰的分層流動。除液體流動之外，低速氣體流動也被視為不可壓縮流動，例如上文提到的大氣流動。馬赫數(shù)，以厄恩斯特馬赫的名字命名，定義為 M=V/c,V 是氣體流速，波的傳播速度為 cJRT。如果 M0.3,密度的變化將影響流動，則必須考慮流體壓縮性帶來的影響，這樣的流動就是可壓縮流動。不可壓縮的氣體流動包括大氣流動、商用飛機(jī)著陸和起飛時(shí)的氣體流動、供暖和空調(diào)系統(tǒng)中的氣流、繞流汽車周圍的流動、通過散熱器的氣流以及繞流建筑物的氣體流動等等，不勝枚舉?？蓧嚎s流動包括高速飛行器周圍的氣體流動，通過噴氣式發(fā)動機(jī)的氣體流動，電站中通過汽輪機(jī)

29、的蒸汽流動，壓縮機(jī)中的氣體流動以及內(nèi)燃機(jī)中空氣和燃?xì)饣旌衔锏牧鲃印?.3 傳熱學(xué)基礎(chǔ)傳熱學(xué)是一門研究在存在溫差的物體間發(fā)生能量傳遞的科學(xué)。熱力學(xué)中將這種方式傳遞的能量定義為熱量。傳熱學(xué)不僅可以解釋熱量傳遞是如何傳遞的，而且可以計(jì)算在特定條件下的傳熱速率。事實(shí)上，傳熱速率正是一個(gè)分析所期望的目標(biāo)，它指明了傳熱學(xué)和熱力學(xué)間的差別。熱力學(xué)處理的是平衡狀態(tài)下的系統(tǒng)，它可計(jì)算當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)時(shí)所需要的能量，但不能解決系統(tǒng)處于過渡過程的非平衡狀態(tài)時(shí)能量變化的快慢程度。傳熱學(xué)提供了可用于計(jì)算傳熱速率的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，從而對熱力學(xué)第一定律和第二定律進(jìn)行補(bǔ)充。這里，我們介紹熱量傳遞的三種方式

30、和不同型式的換熱器。1.3.1 熱傳導(dǎo)當(dāng)物體內(nèi)部存在溫度梯度時(shí)，經(jīng)驗(yàn)表明，就有能量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞。我們說，此時(shí)的能量通過傳導(dǎo)其中 q 是熱流量，T/x 是熱流方向上的溫度梯度，正常數(shù)進(jìn)行傳遞，單位面積上的傳熱速率與法向溫度梯度成正比，即q/AT/x。引入比例系數(shù)，則有AL(1-3)稱為材料的導(dǎo)熱系數(shù)。方程中插入的負(fù)號表示熱傳導(dǎo)過程應(yīng)滿足熱力學(xué)第二定律，即熱量必須沿溫度降低的方向傳遞。式(1-3)稱為傅立葉導(dǎo)熱定律，以法國數(shù)理學(xué)家約瑟夫傅立葉的名字命名，傅立葉在導(dǎo)熱的分析處理方面做出了極其重大的貢獻(xiàn)。值得注意的是，式(1-3)也是導(dǎo)熱系數(shù)的定義式，在典型的單位體系中，當(dāng)熱流量 q 的單位為

31、 W 時(shí)，的單位為 W/(mC)。1.3.2 對流換熱眾所周知，與熱金屬板放置在靜止的空氣中相比，放置在轉(zhuǎn)動的風(fēng)扇前的熱金屬板會更快地冷卻。我們說熱量通過對流進(jìn)行傳遞，稱此類換熱過程為對流換熱。對流這個(gè)術(shù)語給讀者提供了有關(guān)傳熱過程的直觀概念，然而，必須擴(kuò)展這種直觀概念，使我們可以達(dá)到對某一問題進(jìn)行充分的分析和處理。例如，我們知道流過熱平板的空氣速度會明顯影響其傳熱量，但它是以線性方式影響冷卻的嗎？即如果速度增加一倍， 傳熱量也會增加一倍嗎？我們猜想， 如果用水代替空氣冷卻熱平板， 傳熱量可能有所不同， 但是，二者的差異會有多少呢？這些問題在了解一些非?；镜姆治龊螅傻靡曰卮稹，F(xiàn)在，我們來簡要

32、描述對流換熱的物理機(jī)理，并且說明它和傳導(dǎo)過程的聯(lián)系。被加熱的平板如圖 1-8 所示，平板白溫度為,流體的溫度為速度分布如圖所示，受黏性作用，平板上的速度減小為零。因?yàn)楸诿嫣幜鲃颖拥乃俣葹榱悖虼?，在該點(diǎn)上熱量只能以導(dǎo)熱方式傳遞。因此，可以利用式(1-3),以及壁面上的流體導(dǎo)熱系數(shù)和溫度梯度來計(jì)算傳熱量。 如果熱量在該層經(jīng)導(dǎo)熱傳遞， 那么， 為什么我們要談及對流換熱以及需要考慮流體速度的影響呢？答案是，溫度梯度依賴于流體帶走熱量的速度，較高的流速將產(chǎn)生較大的溫度梯度。因此，壁面上的溫度梯度依賴于流場的變化，在以后的分析中，我們將建立這二者間的關(guān)系。然而，必須記住，壁面上傳熱的物理機(jī)理是一導(dǎo)熱過

33、程。為描述對流換熱的整體效應(yīng)，應(yīng)用牛頓冷卻定律qhA(TwT)(1-4)這里，熱流量與壁面和流體間的整體溫度差以及表面積 A 有關(guān)。參數(shù) h 稱為對流換熱系數(shù)，式(1-4)是其定義式。對某些傳熱過程，可獲得 h 的分析表達(dá)式，而復(fù)雜情形下的傳熱系數(shù)必須通過實(shí)驗(yàn)研究來確定。式(1-4)表明，當(dāng)熱流量的單位為 W 時(shí)，h 的單位為 W/(m2C)o如果將熱平板置于沒有外部風(fēng)源的房間空氣中，平板附近的密度梯度將造成空氣運(yùn)動。我們稱此換熱過程為自然對流，以區(qū)別于風(fēng)扇吹掃平板表面時(shí)形成的強(qiáng)制對流。沸騰和凝結(jié)現(xiàn)象也屬于對流換熱的范疇。1.3.3 輻射換熱對于導(dǎo)熱和對流換熱，其熱量傳遞需要介質(zhì)才得以進(jìn)行，與

34、此不同的是，熱量也可以在完全真空中傳遞，其傳熱機(jī)理是電磁輻射。我們將討論限定在由溫差導(dǎo)致的電磁輻射，即所謂的熱輻射。熱力學(xué)研究表明，對于理想的熱輻射體或黑體，其輻射力正比于物體絕對溫度的四次方及其表面積，因此有qemittedAT4(1-5)式中，為比例系數(shù)，稱為斯忒藩玻耳茲曼常數(shù)，其值為 5.669M0-8W/(m2K4)。式(1-5)稱為熱輻射的斯忒藩-玻耳茲曼定律，該式僅適用于黑體。值得注意的是，該表達(dá)式僅適用于熱輻射，其它類型的電磁輻射要比該式復(fù)雜得多式（1-5）只能用于確定單個(gè)黑體的輻射能。兩個(gè)表面間的凈輻射換熱量與其絕對溫度四次方的差成正比，即我們已經(jīng)提到，黑體是按四次方定律輻射能

35、量的物體。因其黑色的表面我們稱之為黑體，如覆蓋炭黑的金屬片，就近似具有這種輻射特性。其它類型的表面，如有光澤的漆面或拋光的金屬板，并不具有黑體那樣大的輻射力，然而，這些物體的輻射力仍大致與成芷比。為了考慮這些表面的灰”特性，在式（1-5）引入另一個(gè)參數(shù)，稱為發(fā)射率 E,發(fā)射率將這些灰”表面的輻射與理想黑體的表面輻射聯(lián)系起來。此外，我們必須考慮這樣一個(gè)事實(shí)，并非一個(gè)表面發(fā)出的所有輻射都可以到達(dá)到另一個(gè)表面，因?yàn)殡姶泡椛涫茄刂本€傳播的，將有部分能量式中，已是發(fā)射率函數(shù)，F(xiàn)G是幾何角系數(shù)。此時(shí)，值得提醒讀者的是，式（1-7）中的這兩個(gè)函數(shù)通常并不是相互獨(dú)立的。1.3.4 換熱器的類型最簡單的換熱器是

36、由兩個(gè)不同直徑的同心圓管組成，稱為套管式換熱器。套管換熱器中的一種流體流經(jīng)細(xì)管，另一種流體流經(jīng)兩管間的環(huán)形區(qū)域。套管換熱器中包括兩種不同類型的流動方式：一種為順流，即冷、熱流體從同一端進(jìn)入換熱器，并沿同一方向流動；另一種為逆流，即冷、熱流體從相反的兩端進(jìn)入換熱器，且沿相反方向流動。另一類換熱器，被專門設(shè)計(jì)成單位體積內(nèi)有很大的換熱面積，稱為緊湊式換熱器。換熱器的換熱面積與其體積之比稱為面積密度,3700m2/m3的換熱器歸為緊湊式換熱器。例如汽車散熱器（*1000n2/m3）、燃?xì)廨啓C(jī)中的玻璃陶瓷換熱器（酎 600S2/m3）、斯特林機(jī)的回?zé)崞鳎?15,00m2/m3）以及人的肺部（產(chǎn) 20,

37、00i0i2/m3）。緊湊式換熱器能實(shí)現(xiàn)小容積內(nèi)兩種流體的高換熱率，通常用于換熱器重量和容積受到嚴(yán)格限制的場合。緊湊式換熱器通過在分離兩種流體的壁面上附加間隔緊密的薄板或波紋翅片來擴(kuò)展其表面。緊湊式換熱器通常用于氣-氣和氣-液（或液-氣）換熱器，通過增加傳熱面積來抵消氣側(cè)低傳熱系數(shù)所帶來的影響。例如，汽車散熱器是水-氣緊湊式換熱器的典型例子，通常管子氣側(cè)表面裝有翅片。工業(yè)應(yīng)用中最常見的換熱器也許是管殼式換熱器，如圖 1-9 所示。管殼式換熱器外殼里封裝有大量的管束（有時(shí)為數(shù)百根），其軸線與外殼軸線平行。當(dāng)一種流體在管內(nèi)流動，另一種流體在管外流動并穿過殼體時(shí)，就進(jìn)行了熱交換。殼內(nèi)通常布置有擋板，

38、用于使殼側(cè)流體沿殼流動以強(qiáng)化傳熱，并保持均勻的管間距。雖然管殼式換熱器應(yīng)用廣泛，但因其相對較大的尺寸和重量，因而并不適用于汽車和航空器領(lǐng)域。注意，管殼式換熱器的管束兩側(cè)開口處的較大流動區(qū)域稱為封頭，它位于殼體兩端，管側(cè)流體流入、流出管子前后都在此匯集。管殼式換熱器依據(jù)所含管程和殼程的數(shù)目可進(jìn)一步分類。例如，換熱器殼內(nèi)的所有管束采用一個(gè)的稱為單殼程雙管程換熱器（1-2 型換熱器）。同樣地，含有雙殼程和四管程的換熱器叫做雙殼程-四管程型換qnetexchange44(T1T2)(1-6)散失到周圍環(huán)境中。因此，考慮到這兩種情況，式（1-5）引入另外兩個(gè)新的參數(shù)，則有qFFGAT1T24)(1-7)

39、U 型布置熱器（2-4 型換熱器）。一種廣泛使用的新型換熱器是板翅式（或板式）換熱器，它由一系列平板組成，并形成波紋狀的流動通道。冷、熱流體在間隔的每個(gè)通道中流動，每一股冷流體被兩股熱流體所包圍，因此換熱效果非常好。此外，板式換熱器可通過簡單添加更多的平板來滿足增強(qiáng)換熱的需求。該類型換熱器非常適用于液-液式換熱場合，但需要冷、熱液流的壓強(qiáng)大致相等。另一類冷、熱流體交替通過同一流動面積的換熱器為蓄熱式換熱器。靜態(tài)型蓄熱式換熱器基本上由多孔介質(zhì)組成，其熱容量大，如陶瓷鐵絲網(wǎng)。冷、熱流體交替地流經(jīng)這些多孔介質(zhì)，熱量先由流過的高溫流體傳遞到換熱器的換熱基體，再由基體傳遞給接著流過的低溫流體。因此，基體

40、充當(dāng)了臨時(shí)儲熱介質(zhì)的作用。動態(tài)型蓄熱式換熱器內(nèi)有轉(zhuǎn)筒，冷、熱流體連續(xù)流動通過轉(zhuǎn)筒的不同部分，使得轉(zhuǎn)筒的任一部分周期性地通過熱流體，存儲熱量,再通過冷流體，釋放存儲的熱量。轉(zhuǎn)筒作為熱量從熱流體傳遞到冷流體的媒介。換熱器往往被賦予特定的名稱來反映它們的特定用途。例如，冷凝器是流體流經(jīng)它時(shí)會發(fā)生冷卻凝結(jié)的一種換熱器。鍋爐是另一類換熱器，流體在其內(nèi)吸熱并汽化。空間輻射器是以輻射方式將熱流體的熱量傳遞到周圍空間的換熱器。第二章鍋爐2.1 簡介 SSC鍋爐利用熱量使水轉(zhuǎn)變成蒸汽以進(jìn)行各種利用。其中主要是發(fā)電和工業(yè)供熱。由于蒸汽具有有利的參數(shù)和無毒特性，因此蒸汽作為一種關(guān)鍵的工質(zhì)(資源)被廣泛地應(yīng)用。蒸汽流

41、量和運(yùn)行參數(shù)的變化很大：從某一過程里 1000 磅/小時(shí)(0.126kg/s)到大型電廠超過 10X106磅4 時(shí)(1260kg/s),壓力從一些加熱應(yīng)用的 14.7 磅/in2(1.0135bar)212F(100C)到先進(jìn)循環(huán)電廠的4500 磅/in2(310bar)1100F(593C)?，F(xiàn)代鍋爐可根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)分類。這些包括最終用途、燃燒方式、運(yùn)行壓力、燃料和循環(huán)方式。大型中心電站的電站鍋爐主要用來發(fā)電。它們經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可達(dá)到最高的熱效率。新機(jī)組的關(guān)鍵特性是利用再熱器提高整個(gè)循環(huán)效率。各種附加的系統(tǒng)也產(chǎn)生蒸汽用于發(fā)電及其他過程應(yīng)用。 這些系統(tǒng)常常利用廉價(jià)或免費(fèi)燃料， 聯(lián)合動力循環(huán)和過

42、程，以及余熱回收，以減少總費(fèi)用。這些例子包括：燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)(CC):先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)，將余熱鍋爐作為基本循環(huán)的一部分，以利用余熱并提高熱效率。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC):在 CC 基礎(chǔ)上增加煤氣化爐，以降低燃料費(fèi)用并將污染排放降到最低。增壓循環(huán)流化床燃燒(PFBC):在更高壓力下燃燒，包括燃?xì)鈨艋约叭紵a(chǎn)物膨脹并通過燃?xì)廨啓C(jī)做功。高爐排煙熱量回收：利用高爐余熱產(chǎn)生蒸汽。太陽能蒸汽發(fā)生器：利用集熱器收集太陽輻射熱產(chǎn)生蒸汽。2.2 DevelopmentofUtilityBoiler現(xiàn)代 660MW 燃煤鍋爐有大約 6000 噸的壓力部件，包括 500 千米的受熱面管材，3.5 千米連接

43、管與聯(lián)箱和 30000 個(gè)管接頭焊口。這是經(jīng)過大約 50 年發(fā)展的結(jié)果，并形成了煤粉在具有蒸發(fā)管束的爐膛燃燒，煙氣然后流經(jīng)對流過熱器和熱回收表面的基本概念并保留至今。蒸汽參數(shù)的提高，機(jī)組容量的增大及燃料燃燒特性的改進(jìn)都要求在材料、制造技術(shù)和運(yùn)行程序上相應(yīng)發(fā)展。二戰(zhàn)后的一些年里，在電廠安裝鍋爐的數(shù)量多于汽輪機(jī)是很常見的，鍋爐提供蒸汽到母管然后到汽機(jī)。這種布置反應(yīng)了鍋爐的可用性低于汽輪機(jī)。四十年代后期，隨著鍋爐可用性的提高，鍋爐和汽機(jī)開始可以相互配套使用。鍋爐和汽機(jī)成套的變化使得再熱成為可行，而且伴隨著高溫鋼材的應(yīng)用，經(jīng)過蒸汽參數(shù)的不斷提高，達(dá)到了當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán) 2400lbf/in2(165.5

44、bar),568c 和再熱 568C。為充分利用更高的蒸汽參數(shù)和獲得經(jīng)濟(jì)容量，在接下來的 15 年，機(jī)組容量又增加了 20 倍。2.3 燃料與燃燒大部分鍋爐以煤、天然氣和石油作為燃料。然而，在過去的幾十年里，至少在發(fā)電領(lǐng)域核能開始扮演一個(gè)主要角色。同樣，不斷增加的各種生物質(zhì)和過程副產(chǎn)品也成為蒸汽生產(chǎn)的熱源。這些包括泥煤、木材及木材廢棄物、稻草、咖啡渣、稻谷殼、煤礦廢棄物(煤屑)、煉鋼爐廢熱甚至太陽能。現(xiàn)代美國中心電站用燃料主要是煤，或是煙煤、次煙煤或是褐煤。雖然天然氣和燃油也許是未來化石燃料電廠的燃料選擇，但煤仍然是今后新的，基本負(fù)荷電站鍋爐的主要燃料。2.3.1 煤的分類?由于煤是一種不均勻

45、的物質(zhì)，且其組成和特性變動很大，所以建立煤的分類系統(tǒng)是很必要的。中國煤的性質(zhì)如表 2-1 所示。以煤階進(jìn)行煤的分類是典型的做法。這表現(xiàn)為煤化程度的大?。簭暮置旱截毭骸熋阂约盁o煙煤。煤階表明了煤的地質(zhì)歷史和主要特性?，F(xiàn)在美國應(yīng)用的煤分類標(biāo)準(zhǔn)是由美國材料試驗(yàn)學(xué)會（ASTM）建立的。其分類是通過煤的工業(yè)分析所確定的揮發(fā)分和固定碳的含量以及煤的發(fā)熱量作為分類標(biāo)準(zhǔn)。這套系統(tǒng)目的在于確定煤的商業(yè)使用價(jià)值，并提供關(guān)于煤燃燒特性的基本信息。2.3.2 燃燒系統(tǒng)鍋爐內(nèi)化石燃料燃燒以產(chǎn)生蒸汽的技術(shù)已成熟多年。然而，在過去的二十多年中，為了將大氣排放和污染降到可行的最低程度，燃燒技術(shù)得到了很大程度的提高。油燃燒系

46、統(tǒng)所有的電站鍋爐都燃用油，在燃煤鍋爐中點(diǎn)燃煤粉，在煤進(jìn)入爐膛之前加熱爐膛并升壓，而在燃油鍋爐中則作為主要負(fù)荷燃料。一般地，燃油都是粘度在 3500sec 到 6500sec 的殘?jiān)剂嫌?。為了有效的燃燒，這些油必須被加熱到 120130c 并被良好地分散或霧化成很小的微滴?燃用渣油，要比一般的儲分油（柴油，汽油等）便宜，但又帶來一些問題：酸性污染物和粉塵的排放。酸性污染問題是由石油中的硫產(chǎn)生的，硫分的含量有時(shí)可高達(dá) 3%。在 20 世紀(jì) 60 年代早期，人們對油燃燒器設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究和開發(fā)，目的在于解決燃油的排放問題。由此誕生了一種油燃燒器一一標(biāo)準(zhǔn)燃燒器”，它可以在非常低的過量空氣系數(shù)下減少

47、碳排放。為保證鍋爐中每個(gè)燃燒器獲得同樣多的空氣也做了大量的工作。目前油燃燒過量空氣系數(shù)運(yùn)行水平為 2%。煤燃燒系統(tǒng)煤燃燒器的發(fā)展模式同油燃燒器類似， 而且重點(diǎn)放在準(zhǔn)確控制每只燃燒器煤和油的供給量。實(shí)際中所有的燃煤鍋爐都是燃燒煤粉（由磨煤機(jī)生產(chǎn)），這些煤粉經(jīng)過很好的粉碎，然后由空氣流（一次風(fēng)）送入燃燒器。同以前相比，在流動平衡上的設(shè)計(jì)成果現(xiàn)在已能使鍋爐在較低的過量空氣水平下運(yùn)行，并在不增加飛灰含碳量水平的情況下提高了總的效率煤燃燒系統(tǒng)部件的布置必須根據(jù)經(jīng)濟(jì)因素和煤的性質(zhì)來確定。作為整個(gè)燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能參數(shù)，煤粉細(xì)度、磨煤機(jī)出口溫度、空煤比等都必須達(dá)到要求。低 NOx 燃燒系統(tǒng)影響 NOx 生成

48、的因素包括燃料含氮量、火焰峰值溫度、火焰中的可用氧量以及氣流在鍋爐系統(tǒng)中的停留時(shí)間。當(dāng)煤進(jìn)入爐膛其化學(xué)結(jié)構(gòu)被破壞時(shí)，一些煤中的化合氮就作為揮發(fā)分被釋放出來。由大氣中的氮生成的一氧化氮即熱力型 NOX 可以通過減少煙氣在高溫區(qū)域的停留時(shí)間而得到控制，這樣就會控制燃燒階段中可用氧量，最后生成的是無害氮而不是 NOx。因?yàn)槊涸谌紵齾^(qū)的燃燒需要一定的過量氧氣以便使所有的碳燃盡，且不含氮的煤是難以獲得的，因此 NOx 的減少必須依靠鍋爐和燃燒器的設(shè)計(jì)來完成。天然氣燃燒系統(tǒng)天然氣曾經(jīng)作為電廠主要燃料。然而一些年來，沒有太多的天然氣可供電廠使用，并且人們沒有正視這樣的事實(shí)，即天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)燃料將會重新得

49、到大量應(yīng)用。丙烷常常作為一種點(diǎn)火劑，廣泛地應(yīng)用于燃油鍋爐和燃煤鍋爐中的油燃燒器。2.3.3 流化床燃燒?流化床燃燒是煤粉燃燒方式的一種，采用這種燃燒方式時(shí)煤在空氣中的燃燒發(fā)生在流化床中，典型的是循環(huán)流化床。循環(huán)流化床最適合于燃燒低成本廢棄燃料、低品質(zhì)或低熱量煤。將煤粒和石灰石投入到床中，石灰石在床內(nèi)”段燒成石灰。流化床中主要是石灰和少量的煤，煤焦在其中循環(huán)。運(yùn)行中的床溫很低，只有 427c（800F）,在這個(gè)溫度下的熱力學(xué)環(huán)境有利于減少 NOx 的形成和捕集 SO2,使之與 CaO 反應(yīng)生成 CaSO4。對于煤燃燒，蒸汽循環(huán)可以是亞臨界，也可能是超臨界，它們具有相近的發(fā)電效率。循環(huán)流化床技術(shù)的

50、最大的優(yōu)點(diǎn)是它在床中捕捉 SO2 的能力和它對煤質(zhì)的廣泛適應(yīng)性，其中包括低熱量煤、高灰分煤和低揮發(fā)分煤，并且在運(yùn)行中可以改變煤種。循環(huán)流化床鍋爐適合與生物質(zhì)共燃，最近就新建了幾臺燃燒褐煤的循環(huán)流化床機(jī)組。如圖 2-1 所示，目前最常用的流化床技術(shù)是循環(huán)流化床燃燒技術(shù)。煤和煤焦燃燒的同時(shí)，空氣攜帶煤、煤焦、煤灰和脫硫劑通過爐膛。固體材料通過旋風(fēng)分離器從煙氣中分離出來，然后通過對流煙道部分，煙氣把熱量傳給爐管以產(chǎn)生高壓蒸汽。另一部分蒸汽是由流化床中的高溫固體在返回爐膛前放出熱量產(chǎn)生的。爐膛內(nèi)固體快速運(yùn)動會引起過量的磨損，因此爐膛底部不安裝爐管。通過低燃燒溫度和空氣分級燃燒來控制 NOx 的生成。S

51、Ox 排放通過床中石灰脫硫劑控制。這些為煙氣凈化節(jié)省了大筆的投資，但是低的 SOx 排放需要燃燒低硫分煤，并且 NOx 的排放受燃燒反應(yīng)的限制。極低的排放需要額外的煙氣凈化設(shè)備，同時(shí)會增加相應(yīng)的維護(hù)成本。在中國最大的流化床鍋爐是 330MWe,設(shè)計(jì)最大的鍋爐是 600MWe,但是還沒有投建。2.4 制粉系統(tǒng)煤粉制備與煤粉燃燒技術(shù)的發(fā)展是同步的。為了使煤在爐膛中有效燃燒，煤在離開燃燒器時(shí)必須被粉碎到一定的大小，這樣才能迅速燃燒，這就意味著煤必須被加工成小顆粒，才能被迅速加熱到著火溫度并和空氣良好混合。?磨煤機(jī)的工作就是把煤磨碎到符合上述要求的合適的大小。較早的系統(tǒng)使用筒式球磨機(jī)磨煤粉，并且在燃燒

52、前利用儲倉暫時(shí)儲存煤粉。如果對該技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，去掉中間儲倉而將從磨煤機(jī)出來的煤粉直接送去燃燒，就會對磨煤機(jī)的可靠性有很高的要求。正壓制粉系統(tǒng)中，提供煤粉輸送介質(zhì)的一次風(fēng)機(jī)位于磨煤機(jī)前，因而它運(yùn)送的是清潔空氣，不會像排粉風(fēng)機(jī)一樣受到侵蝕磨損。這是正壓磨煤系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)。然而，磨煤機(jī)需要由單獨(dú)風(fēng)機(jī)提供高于磨煤機(jī)內(nèi)部壓力的密封空氣。正壓磨煤機(jī)的一個(gè)缺點(diǎn)是它必須完全由空氣密封以避免煤粉泄露到大氣中。相對來說，負(fù)壓磨煤機(jī)的密封標(biāo)準(zhǔn)并不需要這樣高，但也不允許漏入過多空氣，因?yàn)槔淇諝怆y以干燥濕煤。這種方式泄露的空氣量也無法測量，如果達(dá)到高的空/煤比，遇到明火則可能發(fā)生爆炸。2.4.1 中速磨磨輻在一層耐磨層

53、上滾動，通過移動的磨盤把煤壓碎。磨輻的運(yùn)動引起煤粒間的相互運(yùn)動同時(shí)磨輻的壓力在煤粒間形成壓力負(fù)荷。一定壓力下在煤粒層上的運(yùn)動引起摩擦（煤粒依靠摩擦力破碎），這就是磨煤機(jī)的工作原理。耐磨層具有緩沖作用，雖然降低了磨的效率，但也大大降低了磨輻的磨損。當(dāng)磨煤區(qū)的工作面間距離很近時(shí)，比如到了一個(gè)顆粒大小，三個(gè)部件（磨輻，顆粒，磨盤）間的磨損就會大大增加，磨損速率會是正常磨煤機(jī)的 100 倍。當(dāng)帶有石英的石頭尺寸等于或大于磨層厚度時(shí)，也會在運(yùn)行中發(fā)生三部件接觸的磨損。隨著磨煤的進(jìn)行，為了防止過度磨制和降低能耗及磨損，磨好的煤粉從磨煤機(jī)中排出。圖 2-2 是MPS 型中速磨的示意圖，顯示了中速磨煤機(jī)的基本

54、組成。在磨煤機(jī)下部有一個(gè)轉(zhuǎn)動的臺面，稱為輻胎的輻子在臺面上滾動。?原煤由上部的磨煤機(jī)給入，然后在磨輻和轉(zhuǎn)動的磨盤間經(jīng)過，磨輻下的煤就被磨碎了。離心力加上磨輻對煤層的沉降力共同作用，將部分磨好的煤粉擠出磨盤邊緣，由上升的空氣流流化并攜帶這些煤粉。空氣進(jìn)入點(diǎn)一般稱為進(jìn)風(fēng)環(huán)，噴嘴環(huán)或者喉部。上升的空氣流與煤?；旌显谶M(jìn)風(fēng)環(huán)上面產(chǎn)生流化的顆粒床。空氣的流速很低，以至于只能攜帶少部分的煤粒通過床層過濾。空氣和煤粒離開流化床形成了第一步的分離。 預(yù)熱的空氣同時(shí)干燥煤粉以保證煤粉的有效燃燒。 立式中速磨是有效的干燥裝置。即使煤中水分到 40%也能在中速磨中很好地得到干燥，干燥水分再高些的煤粉也是可能的，但是需

55、要的一次風(fēng)溫度則要求使用特殊材料，并且增加了磨煤機(jī)著火的可能。實(shí)際運(yùn)行的水分最大值是 40%(質(zhì)量)，此時(shí)要求一次風(fēng)溫高達(dá) 750To?空氣煤粉向上流動時(shí)，由于流動面積增大使流動速度降低，大粒徑的煤粒就會回落到磨盤上。最后的煤粉分離采用磨煤機(jī)上部的粗粉分離器，粗粉分離器是利用離心力的分離裝置。風(fēng)粉混合物以一定角度進(jìn)入，從而發(fā)生旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生離心力。粗一點(diǎn)的煤粉沖擊到分離器的周邊，不再保持懸浮狀態(tài)而回落到磨盤上。風(fēng)粉混合物中的細(xì)煤粉顆粒保持懸浮狀態(tài)，并最終上升進(jìn)入煤粉管。2.4.2 低速磨?筒式鋼球磨是現(xiàn)在仍在使用的最早的磨煤機(jī)。它是一個(gè)臥式的筒體，里面裝有小直徑的鋼球。筒體內(nèi)襯耐磨材料以加強(qiáng)球的滾

56、動，球占筒體總?cè)莘e的 25%到 30%。轉(zhuǎn)速取離心力可以克服重力時(shí)速度的 80%,這樣可以使鋼球貼在筒體的內(nèi)壁上。通過筒體轉(zhuǎn)動時(shí)鋼球的碰撞來實(shí)現(xiàn)煤粉的磨制。筒式鋼球磨有單進(jìn)單出和雙進(jìn)雙出兩種。對于單進(jìn)單出型，空氣和煤從一端進(jìn)入從另一端流出。雙進(jìn)雙出型磨煤機(jī)是空氣和原煤從兩端進(jìn)入，磨好的干燥的煤粉從兩端流出。對于這兩種類型，粗粉分離器布置于磨煤機(jī)的外部，粒徑過大的粗粉被送回到磨煤機(jī)與原煤混合。筒式鋼球磨不具有類似立式磨的流化床特點(diǎn)，同時(shí)由于空氣和煤粉的混合不均勻限制了干燥能力。如果筒式鋼球磨要磨的煤中水分高于 20%,就必須使用輔助的干燥裝置，比如破碎干燥機(jī)。對新建鍋爐來說，中速磨已經(jīng)大量的取代

57、了筒式鋼球磨。相對于中速磨，筒式鋼球磨往往需要大的建筑空間和較高的能耗。同時(shí)，筒式鋼球磨難于控制且有較高的磨損速度。但是，筒式鋼球磨能很好的適應(yīng)極具磨損作用的、低水分的難磨燃料，比如石油焦。煤在其中較長的停留時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)有效的磨制。2.4.3 制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)只是龐大的制粉系統(tǒng)的一部分，制粉系統(tǒng)一般有直吹式和中儲式兩種。在直吹式系統(tǒng)中，從磨煤機(jī)出來的煤粉直接參與燃燒過程，同時(shí)參與的還有空氣、水蒸汽和通入磨煤機(jī)的熱能。中儲式系統(tǒng)把煤粉從空氣、水蒸汽和通入磨煤機(jī)的能量中分離開再去燃燒。儲倉中的煤粉由新的一次風(fēng)輸送到燃燒設(shè)備。目前生產(chǎn)蒸汽的過程中很少采用中儲式制粉系統(tǒng)，但是很多特殊的場合仍然需要，比如

58、煤氣化和高爐投煤。目前在美國運(yùn)行的中速磨大約有 1000 臺，其中 99%以上的是直吹式系統(tǒng)。直吹式系統(tǒng)的主要部件有：?(1)給煤機(jī)，通過煤倉調(diào)節(jié)進(jìn)入磨煤機(jī)的給煤量。?(2)熱源，用來預(yù)熱干燥煤粉的一次風(fēng)?(3)一次風(fēng)機(jī)，典型的情況是作為鼓風(fēng)機(jī)布置于磨煤機(jī)之前(正壓系統(tǒng))，或作為排粉風(fēng)機(jī)位于磨煤機(jī)之后(負(fù)壓系統(tǒng))?(4)磨煤機(jī)，作為正壓系統(tǒng)或負(fù)壓系統(tǒng)的主體部分。?(5)管路，把煤和一次風(fēng)從磨煤機(jī)輸送到燃燒器?(6)燃燒器，混合煤粉和平衡燃燒空氣?(7)控制和調(diào)節(jié)裝置根據(jù)工程的經(jīng)濟(jì)性，以上部件可以按照不同的形式布置。在正壓系統(tǒng)中，需要做出選擇，是采用熱一次風(fēng)風(fēng)機(jī)(每個(gè)磨一個(gè)風(fēng)機(jī))，還是采用冷風(fēng)風(fēng)

59、機(jī)(布置在特定的空氣加熱器前面)。熱風(fēng)輸送系統(tǒng)初始投資費(fèi)用較低，因?yàn)椴恍枰囟ǖ目諝饧訜崞?。對大型機(jī)組而言，冷風(fēng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)具有較低的運(yùn)行費(fèi)用，可以補(bǔ)償較高的初始投資。中速磨這個(gè)術(shù)語是指空氣引入到磨煤機(jī)中作為一次風(fēng)用來干燥和輸送煤粉。一次風(fēng)的控制對制粉系統(tǒng)的正常運(yùn)行是非常重要的。不管是直吹式還是中儲式制粉系統(tǒng)，也不管采用熱風(fēng)還是冷風(fēng)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)都需要普遍的控制。必須控制一次風(fēng)量和磨煤機(jī)出口溫度，這個(gè)控制由三個(gè)相互聯(lián)系的節(jié)氣閥來實(shí)現(xiàn)。其中的兩個(gè)是熱和冷的節(jié)氣閥，用來調(diào)節(jié)磨煤機(jī)的空氣溫度，這些節(jié)氣閥通常是相互關(guān)聯(lián)的，從而保證一個(gè)開啟另一個(gè)則關(guān)閉。第三個(gè)節(jié)氣閥是獨(dú)立的，用來控制空氣容積。一些生產(chǎn)商只采用兩個(gè)

60、節(jié)氣閥，但是缺乏穩(wěn)定性，而變負(fù)荷時(shí)的低反應(yīng)能力抵消了初投資的減少帶來的好處。2.5.1 爐膛?爐膛是一個(gè)四周封閉的開口大空間，燃料在其中燃燒，產(chǎn)生的煙氣在進(jìn)入對流煙道前得到冷卻。離開爐膛進(jìn)入管束的煙氣溫度過高則會導(dǎo)致煙塵微粒沉積在管壁上或使金屬管壁超溫。燃料和燃燒設(shè)備的類型對爐膛的幾何形狀和尺寸影響很大。在這種情況下，磨細(xì)的煤粉被送入爐膛懸浮燃燒。燃燒產(chǎn)物上升穿過爐膛上部。過熱器、再熱器和省煤器等受熱面被特定布置于鍋爐圍墻內(nèi)部的水平或垂直煙道內(nèi)(對流煙道)。在現(xiàn)代蒸汽發(fā)生器中，爐膛和對流煙道的爐墻是由碳鋼或低合金鋼的汽冷或水冷壁組成，以維持爐墻的金屬溫度在允許的范圍內(nèi)。這些管子在頂部和底部由聯(lián)