能源與動(dòng)力專業(yè)英語(yǔ)

1、. .1.1 工程熱力學(xué)根底熱力學(xué)是一門研究能量?jī)?chǔ)存、轉(zhuǎn)換及傳遞的科學(xué)。能量以內(nèi)能與溫度有關(guān)、動(dòng)能由物體運(yùn)動(dòng)引起、勢(shì)能由高度引起和化學(xué)能與化學(xué)組成相關(guān)的形式儲(chǔ)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)展傳遞。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)觀察的根底之上，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)的具有固定質(zhì)量物質(zhì)的系

2、統(tǒng)。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)展能量傳遞，從而與外界進(jìn)展相互作用，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(jiǎn)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。包含控制體的外表稱為控制外表。"因此，對(duì)于具體的問題，我們必須確

3、定是選取系統(tǒng)作為研究對(duì)象有利還是選取控制體作為研究對(duì)象有利。如果邊界上有質(zhì)量交換，那么選取控制體有利；反之，那么應(yīng)選取系統(tǒng)作為研究對(duì)象。1.1.2平衡、過程和循環(huán)"對(duì)于某一參考系統(tǒng)，假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)溫度完全一樣。當(dāng)物質(zhì)內(nèi)部各點(diǎn)的特性參數(shù)均一樣且不隨時(shí)間變化時(shí)，那么稱系統(tǒng)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)邊界某局部的溫度突然上升時(shí)，那么系統(tǒng)內(nèi)的溫度將自發(fā)地重新分布，直至處處一樣。"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。假設(shè)從一個(gè)狀態(tài)到達(dá)另一個(gè)狀態(tài)的過程中，始終無(wú)限小地偏離平衡態(tài)，那么稱該過程為準(zhǔn)靜態(tài)過程，可以把其中任一個(gè)中間狀態(tài)

4、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加結(jié)果，而不會(huì)顯著減小其準(zhǔn)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)，那么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)，那么稱系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)循環(huán)。循環(huán)完畢時(shí)，系統(tǒng)中的各參數(shù)又與初始參數(shù)一樣。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

5、-1(a)所示，由活塞和氣缸組成的裝置中裝有1kg水。假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20。當(dāng)有熱量開場(chǎng)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)水溫到達(dá)99.6時(shí)，如假設(shè)再增加傳熱量，水將發(fā)生相變，如圖1-1(b)所示。也就是說，一局部水開場(chǎng)氣化變?yōu)檎羝诖讼嘧冞^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，99.6水的飽和壓強(qiáng)是0.1MPa，0.1M

6、Pa水的飽和溫度為99.6。"如果某一工質(zhì)為液態(tài)并處于其飽和溫度和飽和壓強(qiáng)下，那么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，那么稱該液體為過冷液體說明液體的當(dāng)前溫度低于給定壓強(qiáng)下的飽和溫度或壓縮液體說明液體的當(dāng)前壓強(qiáng)大于給定溫度下的飽和壓強(qiáng)。"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，99.6水的飽和壓強(qiáng)是0.1MPa，0.1MPa水的飽和溫度為99.6。"如果某一工質(zhì)為液態(tài)并處于其飽和溫度和飽和壓強(qiáng)下，那么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，那么稱該液體為過冷液體說明液體的當(dāng)前溫度低于給定壓

7、強(qiáng)下的飽和溫度或壓縮液體說明液體的當(dāng)前壓強(qiáng)大于給定溫度下的飽和壓強(qiáng)。"假設(shè)某一工質(zhì)在飽和溫度下以液、氣共存的形式存在，那么稱蒸汽質(zhì)量與總質(zhì)量之比為干度。因此，如圖1-1(b)所示，假設(shè)蒸汽質(zhì)量為0.2kg，液體質(zhì)量為0.8kg，那么其干度為0.2或20%。干度只有在飽和狀態(tài)下才有意義。"假設(shè)某一工質(zhì)處于飽和溫度下并以蒸汽形態(tài)存在，那么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)，那么稱之為過熱蒸汽。過熱蒸汽的壓強(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

8、、初溫20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)99.6，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表示壓強(qiáng)為10MPa下的等壓線，相應(yīng)的飽和溫度為311.1。但是，在壓強(qiáng)為22.09MPa條件下線MNO，不存在等溫蒸發(fā)過程。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)都是一樣的。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

9、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。在根底物理課程中，能量守恒定律側(cè)重動(dòng)能、勢(shì)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(chǎng)能、應(yīng)變能和外表能。"歷史上，用熱力學(xué)第一定律來(lái)描述循環(huán)過程：凈傳熱量等于循環(huán)過程中對(duì)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(tái)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

10、為例，不可能制造一臺(tái)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(tái)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(tái)從某一熱源吸熱并對(duì)外做功，而沒有與低溫?zé)嵩催M(jìn)展換熱的熱機(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，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(tái)實(shí)際熱機(jī)的效率要遠(yuǎn)低于

11、同樣條件下的卡諾機(jī)效率，那么有可能對(duì)該熱機(jī)進(jìn)展一些改進(jìn)以提高其效率。理想的卡諾循環(huán)包括四個(gè)可逆過程，如圖1-4所示：12等溫膨脹；23絕熱可逆膨脹；34等溫壓縮；41可逆絕熱壓縮?？ㄖZ循環(huán)的效率為: 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(dòng)力循環(huán)為電力生產(chǎn)工業(yè)所采用的，也就是說，動(dòng)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(jiǎn)單的蒸汽-動(dòng)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)主要特征是泵消耗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

12、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：12為泵內(nèi)等熵壓縮過程；23為爐內(nèi)定壓吸熱過程；34為汽輪機(jī)內(nèi)等熵膨脹做功過程；41為凝汽器內(nèi)定壓放熱過程。"泵用于提高飽和液體的壓強(qiáng)。事實(shí)上，狀態(tài)1和狀態(tài)2幾乎完全一樣，因?yàn)橛?點(diǎn)開場(chǎng)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(dòng)能和勢(shì)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

13、)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。循環(huán)過程中工質(zhì)的吸熱量對(duì)應(yīng)面積a-2-3-b-a。因此，朗肯循環(huán)的熱效率可表示為即，熱效率h等于輸出能量除以輸入能量所購(gòu)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)p2，提高鍋爐出口溫度T3，或降低汽機(jī)出口壓強(qiáng)p4來(lái)實(shí)現(xiàn)。1.1.8 再熱循環(huán)"對(duì)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機(jī)低壓局部的形成。由于大多數(shù)金屬不能承受600以上的高溫，因此，通常采用再熱循環(huán)來(lái)防止液滴的形成。"再熱過程如下：經(jīng)過汽輪機(jī)的局部蒸汽在某中間壓強(qiáng)下被再熱，從而提高

14、蒸汽溫度，直至到達(dá)狀態(tài)5，如圖1-6所示。然后這局部蒸汽進(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局部。雖然再熱循環(huán)不會(huì)顯著影響循環(huán)熱效率，但帶來(lái)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(lái)購(gòu)置額外的設(shè)備，這些設(shè)備的使用效果必須通過與多增加的輸出功進(jìn)展經(jīng)濟(jì)性分析來(lái)判定。如果不采用再熱循環(huán)來(lái)防止液滴的形成，那么凝汽器出口壓強(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(wú)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

15、.2 流體力學(xué)根底"流體運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出多種不同的運(yùn)動(dòng)形式。有些可以簡(jiǎn)單描述，而其它的那么需要完全理解其內(nèi)在的物理規(guī)律。在工程應(yīng)用中，盡量簡(jiǎn)單地描述流體運(yùn)動(dòng)是非常重要的。簡(jiǎn)化程度通常取決于對(duì)準(zhǔn)確度的要求，通?？梢猿惺?#177;10%左右的誤差，而有些工程應(yīng)用那么要求較高的精度。描述運(yùn)動(dòng)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)展哪些簡(jiǎn)化的假設(shè)。當(dāng)然，這需要豐富的經(jīng)歷，更重要的是要深刻理解流動(dòng)所涉及的物理內(nèi)涵。一些常見的用來(lái)簡(jiǎn)化流動(dòng)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(duì)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(jiǎn)化方程，但并不會(huì)顯著改變計(jì)算

16、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(cè)風(fēng)力對(duì)建筑物的影響程度，或者預(yù)測(cè)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(dòng)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(lái)分析流體力學(xué)問題的一般性方法，并簡(jiǎn)要介紹不同類型的流動(dòng)。1.2.1 拉格朗日運(yùn)動(dòng)描述和歐拉運(yùn)動(dòng)描述描述流場(chǎng)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，它由大量分子組成。質(zhì)點(diǎn)占據(jù)很小的體積，并隨流體流動(dòng)而移動(dòng)。對(duì)不可壓縮流體，其體積大小不變，但可能發(fā)生形變。對(duì)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

17、在流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。"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(dòng)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, y0, z0, t)，V(x0, y0, z0, t)，a(x0, y0, z0, t)，其它相關(guān)參量也可計(jì)算。坐標(biāo)(x0, y0, z0)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(dòng)描述，以約瑟夫××拉格朗日的名字命名，該描述方法通常用于質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)分析。拉格朗日法跟蹤多個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過程并考慮質(zhì)點(diǎn)間的相互作用。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(dòng)那么非常困難。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

18、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(dòng)描述，以萊昂哈德×歐拉的名字命名。在歐拉法中，速度等流動(dòng)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(dòng)區(qū)域稱為流場(chǎng)。1.2.2 跡線和流線"可采用兩種不同的流動(dòng)線來(lái)幫助我們描述流場(chǎng)。跡線是某一給定質(zhì)點(diǎn)在流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)所經(jīng)過的不同空

19、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(dòng)跡線。"流線是流場(chǎng)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=0。這是因?yàn)閂和dr具有一樣的方向，而具有一樣方向的兩個(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(duì)于一般的非定常流動(dòng)，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(dòng)"一般來(lái)說，歐拉運(yùn)動(dòng)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(dòng)稱為三維流動(dòng)，因?yàn)樗俣仁噶恳蕾囉谌齻€(gè)空間坐標(biāo)。三維流動(dòng)的求解非常困難，并且也超出了

20、序言的范圍。即使假設(shè)流動(dòng)為定常的如，V=V(x, y, z)，該流動(dòng)仍為三維流動(dòng)。"三維流動(dòng)常?？梢越瞥啥S流動(dòng)。例如，對(duì)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(dòng)為三維流動(dòng)；但遠(yuǎn)離壩端的中間局部的流動(dòng)可看作是二維的。一般來(lái)說，二維流動(dòng)是指其速度矢量只取決于兩個(gè)空間坐標(biāo)的流動(dòng)。平面流動(dòng)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(wú)關(guān)如，V=V(x, y)。"一維流動(dòng)的速度矢量只依賴于一個(gè)空間坐標(biāo)。這類流動(dòng)常發(fā)生在長(zhǎng)直管內(nèi)和平行平板間。管內(nèi)流動(dòng)的速度只隨到管軸的距離變化，即u=u(r)。平行平板間的速度也只與y坐標(biāo)有關(guān)，即u=u(y)。即使流動(dòng)為非

21、定常流動(dòng)，如啟動(dòng)時(shí)的情形，u=u(y, t)，但該流動(dòng)仍是一維的。對(duì)于完全開展的流動(dòng)，其速度輪廓線并不隨流動(dòng)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(chǎng)可以簡(jiǎn)化為均勻流動(dòng)：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(jiǎn)化只對(duì)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(dòng)和溪水的流動(dòng)。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(dòng)條件僅取決于流動(dòng)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=d

22、u/dy這個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系式來(lái)描述牛頓流體的特性。為流體施加的切向應(yīng)力，為流體的動(dòng)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，那么被稱為非牛頓流體，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(duì)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(dòng)"流體的流動(dòng)可大致分為黏性流動(dòng)和非黏性流動(dòng)。非黏性流動(dòng)是指黏性作用對(duì)流動(dòng)的影響很小、可被忽略的流動(dòng)。而在黏性流動(dòng)中，黏

23、度的影響極為重要，不容無(wú)視。"為了模擬分析非黏性流動(dòng)，簡(jiǎn)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(dòng)那么非常困難，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(dòng)？答案是：“存在，只要流動(dòng)中的切向應(yīng)力很小，而且其作用范圍小到不會(huì)顯著影響流場(chǎng)就可以。當(dāng)然，這種描述非?；\統(tǒng)，需要大量的分析以證明無(wú)黏性流動(dòng)假設(shè)是正確的。根據(jù)經(jīng)歷，發(fā)現(xiàn)可以用于模擬非黏性流動(dòng)的根本流動(dòng)為外部流動(dòng)，即存在于物體外部的流動(dòng)。非黏性流動(dòng)對(duì)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

24、，它緊貼物體的外表，如圖1-7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(duì)于許多流動(dòng)情形，邊界層非常薄，當(dāng)研究繞流線型流動(dòng)的總體特征時(shí)，可以忽略邊界層的影響。例如，對(duì)繞翼型的流動(dòng)，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(dòng)解與實(shí)際情況非常吻合。管道系統(tǒng)中收縮段的流動(dòng)，以及內(nèi)部流動(dòng)中黏性影響均可忽略不計(jì)的小段區(qū)域都可簡(jiǎn)化成非黏性流動(dòng)。內(nèi)流中的很大一局部情形都屬于黏性流動(dòng)，如管道流、暗渠流以及明渠流。在這些流動(dòng)中，黏性作用造成相當(dāng)大的“損失，以此解釋了管道輸運(yùn)石油和天然氣必定消耗大量的能源。無(wú)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

25、和紊流"黏性流動(dòng)可分為層流和紊流。在層流中，流體與周圍流體質(zhì)點(diǎn)無(wú)明顯的混合。如果在流動(dòng)中注入染料，除了分子運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)。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(dòng)作不規(guī)那么地變化，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(lái)描述。在這個(gè)意義上，可定義“定常紊流：即時(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(dòng)的作用下，迅速與周圍流體進(jìn)展摻混，染料在此擴(kuò)散過程中很快就會(huì)消散而變得無(wú)法識(shí)別。層流和紊流可用一個(gè)水龍頭進(jìn)展簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)來(lái)觀

26、察其流動(dòng)狀態(tài)。翻開水龍頭，這時(shí)的水流正如靜靜的小溪一樣，流動(dòng)得非常緩慢，此時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)就是層流；慢慢開大水龍頭，觀察到流動(dòng)逐漸變得紊亂。注意，紊流從相對(duì)較小的流量下開場(chǎng)開展而成。"流動(dòng)狀態(tài)依賴于三個(gè)描述流動(dòng)條件的物理參數(shù)。第一個(gè)參數(shù)是流場(chǎng)的特征長(zhǎng)度，如邊界層厚度或管道直徑。如果這個(gè)特征長(zhǎng)度尺度足夠大，流動(dòng)中的擾動(dòng)可能會(huì)逐漸增大，從而使得流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?。第二個(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(dòng)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(cè)流動(dòng)狀態(tài)。這個(gè)參數(shù)就是雷諾數(shù)，以?shī)W斯本×雷諾的名字命名，該參數(shù)

27、為無(wú)量綱參數(shù)，定義為Re=VL/n，式中，L和V分別為特征長(zhǎng)度和特征速度，n為運(yùn)動(dòng)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(duì)較小，流動(dòng)為層流；如果雷諾數(shù)較大，那么為紊流。通過定義臨界雷諾數(shù)Recrit，可更加準(zhǔn)確地進(jìn)展表述，當(dāng)Re<Recrit，流動(dòng)為層流。例如，粗糙管內(nèi)的流動(dòng)，其Recrit2000，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(wú)振動(dòng)，由于流動(dòng)中脈動(dòng)水平的減弱而使臨界雷諾數(shù)可能增大，曾經(jīng)實(shí)測(cè)到40 000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(dòng)的臨界雷諾

28、數(shù)為1500。對(duì)于平板上的邊界層，由于來(lái)流為均勻來(lái)流，其特征長(zhǎng)度隨到前緣點(diǎn)的距離x而變化。計(jì)算雷諾數(shù)時(shí)采用長(zhǎng)度x作為特征長(zhǎng)度。在某一特定的xT下，Re變?yōu)镽ecrit，流動(dòng)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(lái)流的脈動(dòng)水平較低時(shí)，已觀測(cè)到的臨界雷諾數(shù)高達(dá)106。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(lái)流的脈動(dòng)水平較高時(shí)，相應(yīng)的臨界雷諾數(shù)約為3×105。1.3 傳熱學(xué)根底傳熱學(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

29、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)間的差異。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(duì)熱力學(xué)第一定律和第二定律進(jìn)展補(bǔ)充。這里，我們介紹熱量傳遞的三種方式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)歷說明，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)進(jìn)展傳遞，單位面積上的傳熱速率與法向溫度梯度成正比，即q/A"T/"x。引入比例系數(shù)，那么有1-3其中q是熱流

30、量，"T/"x是熱流方向上的溫度梯度，正常數(shù)l稱為材料的導(dǎo)熱系數(shù)。方程中插入的負(fù)號(hào)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(guó)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奉獻(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W時(shí)，l的單位為W/(m×)。1.3.2 對(duì)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(dòng)的風(fēng)扇前的熱金屬板會(huì)更快地冷卻。我們說熱量通過對(duì)流進(jìn)展傳遞，稱此類換熱過程為對(duì)流換熱。對(duì)

31、流這個(gè)術(shù)語(yǔ)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，使我們可以到達(dá)對(duì)某一問題進(jìn)展充分的分析和處理。例如，我們知道流過熱平板的空氣速度會(huì)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(huì)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(huì)有多少呢？這些問題在了解一些非常根本的分析后，可得以答復(fù)?，F(xiàn)在，我們來(lái)簡(jiǎn)要描述對(duì)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，平板的溫度為Tw，流體的溫度為T。速度分布如下列圖，受黏性作用，平板上的速度減小為零。因?yàn)楸诿嫣幜鲃?dòng)薄層的速度為

32、零，因此，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(lái)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(duì)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(chǎng)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)熱過程。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(dòng)。我們稱此換熱過程為自然對(duì)流，以區(qū)別于風(fēng)扇吹掃平板外表時(shí)形成的強(qiáng)制對(duì)流。沸騰和凝結(jié)現(xiàn)象也屬于對(duì)流換熱的范疇。1.3.

33、3 輻射換熱對(duì)于導(dǎo)熱和對(duì)流換熱，其熱量傳遞需要介質(zhì)才得以進(jìn)展，與此不同的是，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。2. 2 Development of Utility Boiler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，3.5千米連接收與聯(lián)箱和30000個(gè)管接頭焊口。這是經(jīng)過大約50年開展的結(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(duì)流過熱器和熱回收外表的根本概念并保存至今。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)開展。二戰(zhàn)后的

34、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)。這種布置反響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)開場(chǎng)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，到達(dá)了當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)2400lbf/in2(165.5bar)，568和再熱568。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(lái)的15年，機(jī)組容量又增加了20倍。2.3 燃料與燃燒大局部鍋爐以煤、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)域核能開場(chǎng)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

35、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(yáng)能?，F(xiàn)代美國(guó)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(lái)化石燃料電廠的燃料選擇，但煤仍然是今后新的，根本負(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的物質(zhì)，且其組成和特性變動(dòng)很大，所以建立煤的分類系統(tǒng)是很必要的。中國(guó)煤的性質(zhì)如表2-1所示。以煤階進(jìn)展煤的分類是典型的做法。這表現(xiàn)為煤化程度的大小：從褐煤到貧煤、煙煤以及無(wú)煙煤。煤階說明了煤的地質(zhì)歷史和主要特性?，F(xiàn)在美國(guó)應(yīng)用的煤分類標(biāo)準(zhǔn)是由美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)ASTM建立的。其分類是

36、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)于煤燃燒特性的根本信息。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，而在燃油鍋爐中那么作為主要負(fù)荷燃料。一般地，燃油都是粘度在3500 sec到6500sec的殘?jiān)剂嫌?。為了有效的燃燒，這些油必須被加熱到120130并被良好地分散或霧化成很小的微滴"燃用渣油，要比

37、一般的餾分油柴油，汽油等廉價(jià)，但又帶來(lái)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(duì)油燃燒器設(shè)計(jì)進(jìn)展了深入研究和開發(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“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)煤燃燒器的開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應(yīng)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

38、流動(dòng)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(lái)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、空煤比等都必須到達(dá)要求。低NOx燃燒系統(tǒng)影響NOx生成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)構(gòu)造被破壞時(shí)，一些煤中的化合氮就作為揮發(fā)分被釋放出來(lái)。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(huì)控制燃燒階段中可用氧量，最后生成的是無(wú)害氮而不是NOx。因?yàn)槊涸谌紵齾^(qū)的

39、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(lái)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(lái)，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(huì)重新得到大量應(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本錢廢棄燃料、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)煅燒成石灰。流化床中主要

40、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427 (800)，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 反響生成CaSO4。對(duì)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)的最大的優(yōu)點(diǎn)是它在床中捕捉SO2的能力和它對(duì)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(tái)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)別離

41、器從煙氣中別離出來(lái)，然后通過對(duì)流煙道局部，煙氣把熱量傳給爐管以產(chǎn)生高壓蒸汽。另一局部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(dòng)會(huì)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(jí)燃燒來(lái)控制NOx的生成。SOx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的排放受燃燒反響的限制。極低的排放需要額外的煙氣凈化設(shè)備，同時(shí)會(huì)增加相應(yīng)的維護(hù)本錢。在中國(guó)最大的流化床鍋爐是330MWe，設(shè)計(jì)最大的鍋爐是600 MWe，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)的開展是同步的。為了使煤在爐膛中有

42、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適宜的大小。較早的系統(tǒng)使用筒式球磨機(jī)磨煤粉，并且在燃燒前利用儲(chǔ)倉(cāng)暫時(shí)儲(chǔ)存煤粉。如果對(duì)該技術(shù)進(jìn)展改進(jìn)，去掉中間儲(chǔ)倉(cāng)而將從磨煤機(jī)出來(lái)的煤粉直接送去燃燒，就會(huì)對(duì)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(huì)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

43、須完全由空氣密封以防止煤粉泄露到大氣中。相對(duì)來(lái)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以枯燥濕煤。這種方式泄露的空氣量也無(wú)法測(cè)量，如果到達(dá)高的空/煤比，遇到明火那么可能發(fā)生爆炸。2.4.1 中速磨磨輥在一層耐磨層上滾動(dòng)，通過移動(dòng)的磨盤把煤壓碎。磨輥的運(yùn)動(dòng)引起煤粒間的相互運(yùn)動(dòng)同時(shí)磨輥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(dòng)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，但也大大降低了磨輥的磨損。當(dāng)磨煤區(qū)的工作面間距離很近時(shí)，比方到了一個(gè)顆粒大小，三個(gè)部件磨輥，顆粒，磨盤間的磨損就會(huì)大大增加，磨損速率會(huì)是

44、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(huì)在運(yùn)行中發(fā)生三部件接觸的磨損。隨著磨煤的進(jìn)展，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)的根本組成。在磨煤機(jī)下部有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的臺(tái)面，稱為輥胎的輥?zhàn)釉谂_(tái)面上滾動(dòng)。"原煤由上部的磨煤機(jī)給入，然后在磨輥和轉(zhuǎn)動(dòng)的磨盤間經(jīng)過，磨輥下的煤就被磨碎了。離心力加上磨輥對(duì)煤層的沉降力共同作用，將局部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?？諝膺M(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?？諝獾牧魉俸艿?，以至于

45、只能攜帶少局部的煤粒通過床層過濾?？諝夂兔毫ｋx開流化床形成了第一步的別離。預(yù)熱的空氣同時(shí)枯燥煤粉以保證煤粉的有效燃燒。立式中速磨是有效的枯燥裝置。即使煤中水分到40%也能在中速磨中很好地得到枯燥，枯燥水分再高些的煤粉也是可能的，但是需要的一次風(fēng)溫度那么要求使用特殊材料，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)750。"空氣煤粉向上流動(dòng)時(shí)，由于流動(dòng)面積增大使流動(dòng)速度降低，大粒徑的煤粒就會(huì)回落到磨盤上。最后的煤粉別離采用磨煤機(jī)上部的粗粉別離器，粗粉別離器是利用離心力的別離裝置。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

46、別離器的周邊，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)球的滾動(dòng)，球占筒體總?cè)莘e的25%到30%。轉(zhuǎn)速取離心力可以抑制重力時(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(dòng)時(shí)鋼球的碰撞來(lái)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(duì)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，磨好的枯燥的煤粉從兩端流出。對(duì)于這兩種類型，粗粉別離器布置于磨煤機(jī)的外部，粒徑過

47、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枯燥能力。如果筒式鋼球磨要磨的煤中水分高于20%，就必須使用輔助的枯燥裝置，比方破碎枯燥機(jī)。對(duì)新建鍋爐來(lái)說，中速磨已經(jīng)大量的取代了筒式鋼球磨。相對(duì)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，比方石油焦。煤在其中較長(zhǎng)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)的一局部，制粉系統(tǒng)一般有直吹式和中儲(chǔ)式兩種。在直吹式系統(tǒng)中，從磨煤機(jī)出來(lái)的煤粉直接參與燃

48、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(chǔ)式系統(tǒng)把煤粉從空氣、水蒸汽和通入磨煤機(jī)的能量中別離開再去燃燒。儲(chǔ)倉(cāng)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(chǔ)式制粉系統(tǒng)，但是很多特殊的場(chǎng)合仍然需要，比方煤氣化和高爐投煤。目前在美國(guó)運(yùn)行的中速磨大約有1000臺(tái)，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(cāng)調(diào)節(jié)進(jìn)入磨煤機(jī)的給煤量。"(2) 熱源，用來(lái)預(yù)熱枯燥煤粉的一次風(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)，

49、作為正壓系統(tǒng)或負(fù)壓系統(tǒng)的主體局部。"(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)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?。?duì)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(yǔ)是指空氣引入到磨煤機(jī)中作為一次風(fēng)用來(lái)枯燥和輸送煤粉。一次風(fēng)的控制對(duì)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(chǔ)式制粉

50、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(lái)實(shí)現(xiàn)。其中的兩個(gè)是熱和冷的節(jié)氣閥，用來(lái)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)那么關(guān)閉。第三個(gè)節(jié)氣閥是獨(dú)立的，用來(lái)控制空氣容積。一些生產(chǎn)商只采用兩個(gè)節(jié)氣閥，但是缺乏穩(wěn)定性，而變負(fù)荷時(shí)的低反響能力抵消了初投資的減少帶來(lái)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(duì)流煙道前得到冷卻。離開爐膛進(jìn)入管束的煙氣溫度過高那么會(huì)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(duì)爐膛的幾何形

51、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(duì)流煙道。在現(xiàn)代蒸汽發(fā)生器中，爐膛和對(duì)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)箱或母管連接在一起。這些聯(lián)箱用來(lái)分配或收集水、蒸汽或汽水混合物。在最現(xiàn)代化的機(jī)組中，爐墻管道也作為主要的產(chǎn)生蒸汽的部件或受熱面。這些管子用鋼條焊接在一起，組成氣密的、連續(xù)的、剛性的膜式墻。這些管道通常預(yù)制成可裝運(yùn)的膜板，并且板上留有燃燒器口、觀察孔、吹灰器口鍋爐清潔設(shè)備和燃?xì)鈬娙肟凇?.5.

52、2 過熱器和再熱器"過熱器和再熱器被專門設(shè)計(jì)成順列管束，用來(lái)提高飽和蒸汽的溫度。一般形式下，它們是簡(jiǎn)單的單相換熱器，蒸汽在管道內(nèi)流動(dòng)，煙氣從外面經(jīng)過，通常二者是穿插流動(dòng)。由于其較高的運(yùn)行溫度，這些關(guān)鍵的部件一般用合金鋼制造。典型的布置通常有利于控制出口蒸汽的溫度，保持金屬溫度低于其可承受的極限和控制蒸汽流動(dòng)的壓力損失。"過熱器和再熱器的主要區(qū)別是蒸汽壓力。在典型的汽包鍋爐中，過熱器的出口壓力為2700psi186bar，而再熱器的出口壓力為580psi40bar。受熱面的構(gòu)造設(shè)計(jì)和布置取決于所要求的出口溫度、吸熱量、燃料的灰分特性和清潔設(shè)備。這些受熱面可以呈水平或垂直布置。

53、過熱器和有的再熱器經(jīng)常被分為幾段以利于控制蒸汽溫度和優(yōu)化熱量回收。過熱器的類型根據(jù)煙氣側(cè)的傳熱方式，過熱器可分為兩種根本類型。最初的一種是對(duì)流過熱器，從煙氣吸收的輻射熱量很小。在這樣的機(jī)組中，蒸汽溫度隨鍋爐負(fù)荷的增加而升高，這是因?yàn)闋t膛吸收單位輸入熱量的百分比下降。這導(dǎo)致過熱器吸收了更多的熱量。因?yàn)閷?duì)流傳熱速率幾乎與煙氣流率即鍋爐負(fù)荷成直線關(guān)系，因此，過熱器中每磅蒸汽的總吸熱量以及蒸汽的溫度都會(huì)隨鍋爐負(fù)荷而增長(zhǎng)見圖2-5。過熱器布置得離爐膛越遠(yuǎn)，進(jìn)入過熱器的煙氣溫度越低，這種效果越明顯。輻射式過熱器主要吸收來(lái)自爐膛的輻射熱，對(duì)流傳熱量很少。一般采用較大間距24英寸或很大的側(cè)邊距的屏式凝渣管或懸

54、吊屏式過熱器的型式布置于爐膛中。有時(shí)這種過熱器和包墻管組合成一體。因?yàn)闋t膛受熱面吸熱不如鍋爐負(fù)荷增長(zhǎng)快，所以隨著鍋爐負(fù)荷的增長(zhǎng)輻射式過熱汽溫度反而下降，如圖2-5所示某些情況下，在較大的負(fù)荷范圍內(nèi)，這兩條變化趨勢(shì)相反的曲線可由一系列聯(lián)合的輻射、對(duì)流過熱器疊加為平緩的過熱曲線，如圖2-5所示。一個(gè)單獨(dú)加熱的過熱器也能產(chǎn)生平緩的過熱曲線。輻射和對(duì)流式過熱器的設(shè)計(jì)需要特別注意防止因蒸汽和煙氣流量分配不均而造成的管子超溫。一般過熱器中有100,000到1,000,000lb/hft2(136到1356kg/m2s)或更多的蒸汽質(zhì)量流量。這種設(shè)置是在允許壓降的范圍內(nèi)對(duì)管子內(nèi)部進(jìn)展充分的冷卻。質(zhì)量流量的選

55、擇取決于蒸汽的壓力和溫度，還有過熱器的熱負(fù)荷。此外，高速下的高壓損會(huì)改善蒸汽側(cè)流場(chǎng)分布。2.5.3 省煤器和空氣預(yù)熱器省煤器和空氣預(yù)熱器在提高鍋爐總的熱效率方面發(fā)揮著重要作用, 它們回收了排入大氣前煙氣中的低品位熱量，也就是低溫?zé)崃?。煙氣被省煤器或空氣預(yù)熱器冷卻每4022，總的鍋爐效率就會(huì)被提高大約1%。省煤器吸熱加熱鍋爐給水，空氣預(yù)熱器那么是加熱燃燒空氣。熱空氣強(qiáng)化了多種燃料的燃燒，并保證了穩(wěn)定的著火。省煤器"省煤器是一種逆流布置的熱交換器，在流過過熱器或再熱器如果使用的煙氣中獲取能量。它提高了汽包進(jìn)水的溫度。其管束布置是一種典型的平行水平蛇形管束，水在管內(nèi)流動(dòng)而煙氣在外側(cè)反方向逆

56、流流動(dòng)。管子間盡量嚴(yán)密以強(qiáng)化傳熱，同時(shí)要求有足夠的管子外表清潔空間和合理的煙氣側(cè)壓損。根據(jù)設(shè)計(jì)，這些管子內(nèi)一般不會(huì)產(chǎn)生蒸汽。最普通、最可靠的省煤器設(shè)計(jì)就是光管、順列、穿插流省煤器如圖2-6。煤燃燒后，飛灰就會(huì)產(chǎn)生一種高污垢、侵蝕的環(huán)境。相對(duì)于如圖2-6的錯(cuò)列布置，這些順列布置的光管就會(huì)盡可能減少飛灰粘附、侵蝕的可能性。這也是通過吹灰器保持清潔的最簡(jiǎn)單的幾何形狀。然而，這種布置的好處必須要結(jié)合它大重量、大空間以及造價(jià)進(jìn)展綜合評(píng)估為減少投資，大多數(shù)鍋爐省煤器應(yīng)用了各種鰭片以強(qiáng)化煙氣側(cè)的傳熱效率。鰭片是廉價(jià)的非承壓物件，它可減少省煤器的總尺寸和造價(jià)。然而，成功的應(yīng)用對(duì)于煙氣環(huán)境是非常敏感的。外表的清

57、潔能力是一關(guān)鍵因素?？諝忸A(yù)熱器空氣預(yù)熱器是利用經(jīng)過省煤器的鍋爐煙氣攜帶的熱量加熱燃燒空氣，并提供枯燥煤粉的熱空氣。在燃煤電廠中，空氣預(yù)熱器的出口溫度受限于磨煤機(jī)的出口溫度和調(diào)溫風(fēng)系統(tǒng)容量，煙氣出口溫度那么要考慮傳熱外表的污染和后面設(shè)備的腐蝕情況。在較老的鍋爐中一般采用管式或板式空預(yù)器，體積大，很難清理，而且壞損的傳熱外表不易替換?，F(xiàn)代鍋爐都采用回轉(zhuǎn)式?；剞D(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的最大特點(diǎn)是顯著地節(jié)省了空間?；剞D(zhuǎn)式空預(yù)器采用嚴(yán)密的受熱面布置方式，必須采用性能良好的吹灰器使其保持清潔。受熱面由壓制成特殊形狀的鋼板或考登鋼板組成。這些板子厚0.5到0.8mm，一般被壓緊并裝進(jìn)置于支撐構(gòu)造上的鋼制倉(cāng)體。這些板子

58、的形狀經(jīng)過優(yōu)化，具有很高的傳熱效率，同時(shí)要在使用吹灰器充分保持清潔的情況下保證壓損最小。一臺(tái)660MW的單元機(jī)組配有兩臺(tái)空氣預(yù)熱器，每臺(tái)直徑14.6m，重約500噸。傳熱元件的外表積總共約100,000平方米。燃煤電廠典型的溫度應(yīng)是煙氣進(jìn)口335，出口120，空氣進(jìn)口32，出口290?？諝忸A(yù)熱器的性能主要表現(xiàn)在傳熱效率、壓損以及空氣對(duì)煙氣側(cè)的泄漏上。"前兩項(xiàng)能被理想的表示為一組無(wú)量綱數(shù)：雷諾數(shù)、普朗特?cái)?shù)和斯坦頓數(shù)的關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)室規(guī)模試驗(yàn)可以確立每種空氣預(yù)熱器組件的關(guān)系式。這就可以進(jìn)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，估算新開發(fā)部件的幾何性能，以及評(píng)估由于灰污問題而需使用替代部件的效果。2.6 鍋爐在線吹灰是否高效的燃燒化石燃料來(lái)生產(chǎn)電力很大程度上取決于蒸汽產(chǎn)生設(shè)備對(duì)煤燃燒產(chǎn)物煤灰的適應(yīng)性。吹灰器用來(lái)吹掃沉積在鍋爐受熱面上的積灰來(lái)保證有效地向蒸汽傳熱。在英國(guó)吹灰介質(zhì)大局部用蒸汽而在美國(guó)一般用空氣。2.7 能量守恒"由熱力學(xué)第一定律，蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)的能量平衡如下所述：進(jìn)入系統(tǒng)的能量離開系統(tǒng)的能量 = 系統(tǒng)內(nèi)部能量的積累"因?yàn)檎羝l(fā)生器應(yīng)在穩(wěn)態(tài)下檢測(cè)，這樣積累的能量就為0，其方程為：進(jìn)入系統(tǒng)的能量 = 離開系統(tǒng)的能