第一章熱科學基礎

1、第一章 熱科學基礎1.1 工程熱力學基礎熱力學是一門研究能量儲存、轉換及傳遞的科學。能量以內能（與溫度有關）、動能（由物體運動引起）、勢能（由高度引起）和化學能（與化學組成相關）的形式儲存。不同形式的能量可以相互轉化，而且能量在邊界上可以以熱和功的形式進行傳遞。在熱力學中，我們將推導有關能量轉化和傳遞與物性參數(shù)，如溫度、壓強及密度等關系間的方程。因此，在熱力學中，物質及其性質變得非常重要。許多熱力學方程都是建立在實驗觀察的基礎之上，而且這些實驗觀察的結果已被整理成數(shù)學表達式或定律的形式。其中，熱力學第一定律和第二定律應用最為廣泛。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的具

2、有固定質量的物質。系統(tǒng)邊界通常是比較明顯的（如氣缸內氣體的固定邊界）。然而，系統(tǒng)邊界也可以是假想的（如一定質量的流體流經(jīng)泵時不斷變形的邊界） 。系統(tǒng)之外的所有物質和空間統(tǒng)稱外界或環(huán)境。熱力學主要研究系統(tǒng)與外界或系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的相互作用。系統(tǒng)通過在邊界上進行能量傳遞，從而與外界進行相互作用，但在邊界上沒有質量交換。當系統(tǒng)與外界間沒有能量交換時，這樣的系統(tǒng)稱為孤立系統(tǒng)。在許多情況下，當我們只關心空間中有物質流進或流出的某個特定體積時，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)

3、作為研究對象有利還是選取控制體作為研究對象有利。如果邊界上有質量交換，則選取控制體有利；反之，則應選取系統(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)，假設系統(tǒng)內各點溫度完全相同。當物質內部各點的特性參數(shù)均相同且不隨時間變化時，則稱系統(tǒng)處于熱力學平衡狀態(tài)。當系統(tǒng)邊界某部分的溫度突然上升時，則系統(tǒng)內的溫度將自發(fā)地重新分布，直至處處相同。當系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)轉變?yōu)榱硪粋€平衡狀態(tài)時，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。若從一個狀態(tài)到達另一個狀態(tài)的過程中，始終無限小地偏離平衡態(tài)，則稱該過程為準靜態(tài)過程，可以把其中任一個中間狀態(tài)看作為平衡狀態(tài)。準靜態(tài)過程可近似視為許多過程的

4、疊加結果，而不會顯著減小其精確性，例如氣體在內燃機內的壓縮和膨脹過程。如果系統(tǒng)經(jīng)歷一系列不平衡狀態(tài)（如燃燒） ，一個平衡狀態(tài)轉變?yōu)榱硪粋€平衡狀態(tài)，則其過程為非平衡過程。當系統(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)歷了一個循環(huán)。循環(huán)結束時，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）過程中壓強恒定；等容（isometric）過程中體積保持不變。 1.1.3 純物質的氣-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 1

5、kg 水。假定活塞和其上的重物使氣缸內壓強維 持在 0.1Mpa，初始溫度 20。當有熱量開始傳遞給水時，缸內水溫迅速上升，而比容略有增加，氣缸內 壓強保持恒定不變。當水溫達到 99.6時，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，一部分水開始氣化變?yōu)檎羝?，在此相變過程中，溫度和壓強始終保持不變，但比容卻有大幅度的增加。當最后一滴液體被氣化時，進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。 在給定壓強下發(fā)生氣化的溫度稱為飽和溫度，壓強稱為給定溫度下的飽和壓強。因此，99.6水的 飽和壓強是 0.1MPa，0.1MPa 水的飽和溫度為 99.6。如果某

6、一工質為液態(tài)并處于其飽和溫度和飽和壓強下，則稱該液體為飽和液體。如果液體溫度低于當前壓強下的飽和溫度，則稱該液體為過冷液體（表明液體的當前溫度低于給定壓強下的飽和溫度）或壓縮液體（表明液體的當前壓強大于給定溫度下的飽和壓強）。若某一工質在飽和溫度下以液、氣共存的形式存在，則稱蒸汽質量與總質量之比為干度。因此，如圖 1-1(b)所示，若蒸汽質量為 0.2kg，液體質量為 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（有時稱為干飽和蒸汽，意在強調其干度為 100%）。當蒸汽溫度高于其飽和溫度時，則稱之為過熱蒸

7、汽。過熱蒸汽的壓強和溫度是彼此獨立的，因為溫度上升時，壓強可能保持不變。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 20被加熱的過程。點 A 代 表初始狀態(tài)，點 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 C 表示飽和蒸汽狀態(tài)，線 BC 表示等溫過程，即液體氣化轉變?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 表示壓強為 10MPa 下的等壓線，相應的飽和溫度為 311.1。但是，在壓強為 22.09MPa 條件下（線 MNO） ，不存在等溫蒸

8、發(fā)過程。相反，點 N 是個轉折點，在該點上，切線斜率為零， 通常把 N 點稱為臨界點。在臨界點處，飽和液體和飽和氣體的狀態(tài)都是相同的。臨界點下的溫度、壓強和比容分別稱為臨界溫度、臨界壓強和臨界比容。一些工質的臨界點數(shù)據(jù)如表 1-1所示。 1.1.4 熱力學第一定律通常把熱力學第一定律稱為能量守恒定律。在基礎物理課程中，能量守恒定律側重動能、勢能的變化以及和功之間的相互關系。更為常見的能量守恒形式還包括傳熱效應和內能的變化。當然，也包括其它形式的能，如靜電能、磁場能、應變能和表面能。歷史上，用熱力學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 熱力學第二定律 熱力學

9、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?？藙谛匏贡硎觯褐圃煲慌_唯一功能是把熱量從低溫物體傳給高溫物體的循環(huán)設備是不可能的。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，而沒有與低溫熱源進行換熱的熱機是不可能的。因此，該表述說明了不存在工作效率為 100%的熱機，如圖 1-3(b)所示。 1.1.6 卡諾循環(huán)卡諾機是低溫熱源和高溫熱源間運行效率最高的熱機。卡諾機是一個理想熱機，利用多

10、個可逆過程組成一循環(huán)過程，該循環(huán)稱為卡諾循環(huán)?？ㄖZ機非常有用，因為它的運行效率為任何實際熱機最大可能的效率。因此，如果一臺實際熱機的效率要遠低于同樣條件下的卡諾機效率，則有可能對該熱機進行一些改進以提高其效率。理想的卡諾循環(huán)包括四個可逆過程，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1 L H T T (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)按這樣的方式運行：工質發(fā)生相變，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。

11、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)的一個主要特征是泵耗費很少的功就能把高壓水送入鍋爐。其可能的缺點為工質在汽機內膨脹做功后，通常進入濕蒸汽區(qū)，形成可能損害汽輪機葉片的液滴。朗肯循環(huán)是一個理想循環(huán)，其忽略了四個過程中的摩擦損失。這些損失通常很小，在初始分析時可完全忽略。朗肯循環(huán)由四個理想過程組成，其 T-s 圖如圖 1-5(b)所示：12 為泵內等熵壓縮過程；23 為爐內定壓吸熱過程；34 為汽輪機內等熵膨脹做功過程；41 為凝汽器內定壓放熱過程。 泵用于提高飽和液體的壓強。事實上，狀態(tài) 1 和狀態(tài) 2 幾乎完全一樣，因為由 2 點開始的較高壓強下的吸熱過程線非常

12、接近飽和曲線，圖中僅為了解釋說明的需要分別標出。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，由用熱力學第一定律可證明net net W Q = 。循環(huán)過程中工質的吸熱量對應面積 a-2-3-b-a。因此，朗肯循環(huán)的熱效率可表示為aba - -32 14321面積 面積(1-2)即，熱效率 h 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 p2，提高鍋爐出口溫度 T3，或降低汽機出口壓強

13、 p4來實現(xiàn)。 1.1.8 再熱循環(huán)對于一個處于高鍋爐壓強和低凝汽器壓強條件下的朗肯循環(huán)，顯然，很難阻止液滴在汽輪機低壓部分的形成。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)來防止液滴的形成。再 熱過程如下：經(jīng)過汽輪機的部分蒸汽在某中間壓強下被再熱，從而提高蒸汽溫度，直至達到狀態(tài) 5，如圖 1-6 所示。然后這部分蒸汽進入汽輪機低壓缸，而后進入凝汽器（狀態(tài) 6）。再熱循環(huán)方式可以控制或者完全消除汽輪機中的濕蒸汽問題，因此，通常汽輪機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¢-

14、4 所示。當然，再熱循環(huán)需要一筆可觀的投資來購置額外的設備，這些設備的使用效果必須通過與多增加的輸出功進行經(jīng)濟性分析來判定。如果不采用再熱循環(huán)來避免液滴的形成，則凝汽器出口壓強必須相當?shù)馗撸蚨鴮е卵h(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 流體力學基礎流體運動表現(xiàn)出多種不同的運動形式。有些可以簡單描述，而其它的則需要完全理解其內在的物理規(guī)律。在工程應用中，盡量簡單地描述流體運動是非常重要的。簡化程度通常取決于對精確度的要求，通常可以接受±10%左右的誤差，而有些工程應用則要求較高的精度。描述運動的一般性方程通常很難求解，

15、因此，工程師有責任了解可以進行哪些簡化的假設。當然，這需要豐富的經(jīng)驗，更重要的是要深刻理解流動所涉及的物理內涵。一些常見的用來簡化流動狀態(tài)的假設是與流體性質有關系的。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，忽略黏性效應的影響可以大大地簡化方程，但并不會顯著改變計算結果。眾所周知，氣體速度很高時必須考慮其壓縮性，但在預測風力對建筑物的影響程度，或者預測受風力直接影響的其它物理量時，可以不計空氣的壓縮性。學完流體運動學之后，可以更明顯地看出采用了哪些恰當?shù)募僭O。這里，將介紹一些重要的用來分析流體力學問題的一般性方法，并簡要介紹不同類型的流動。1.2.1 拉格朗日運動描述和歐拉運動

16、描述描述流場時，將著眼點放在流體質點上是非常方便的。每個質點都包含了微小質量的流體，它由大量分子組成。質點占據(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，均將所有質點看作一個整體在流場中運動。質點力學主要研究單個質點，質點運動是時間的函數(shù)。任一質點的位移、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)，其它相關參量也可計算。坐標(x0,y0,z0)表示質點的起始位置，也是 每個質點的名字。這就是拉格朗日運動描述，以約瑟夫×

17、×拉格朗日的名字命名，該描述方法通常用于質點動力學分析。拉格朗日法跟蹤多個質點的運動過程并考慮質點間的相互作用。然而，由于實際流體包含質點數(shù)目巨大，因而采用拉格朗日法研究流體流動則非常困難。與分別跟蹤每個流體質點不同的另一種方法是將著眼點放在空間點上，然后觀察質點經(jīng)過每個空間點時的質點速度，由此可以得到質點流經(jīng)各空間點時的速度變化率，即¶V/¶x，¶V/¶y，¶V/¶z；還可以判 斷某一點上的速度是否隨時間變化，即計算¶V/¶t。這種描述方法稱為歐拉運動描述，以萊昂哈德×歐拉的 名字命名。在歐拉

18、法中，速度等流動參數(shù)是空間和時間的函數(shù)。在直角笛卡兒坐標系中，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。跡線是某一給定質點在流場中運動時所經(jīng)過的不同空間點形成的軌跡，它記錄了質點的“歷史”位置。一定曝光時間下可以拍得發(fā)亮粒子的運動跡線。流線是流場中具有這樣特性的線：任一質點在流線上某點處的速度矢量與該流線相切，即 V´dr=0。 這是因為 V 和 dr 具有相同的方向，而具有相同方向的兩個矢量的叉乘積等于零。同跡線相比，流線不能直接由相機拍攝獲得。對于一般的非定常流動，根據(jù)大量質點的短跡線相

19、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，歐拉運動描述中的速度矢量取決于三個空間變量和時間變量，即 V=V(x,y,z,t)。這樣的流動稱為三維流動，因為速度矢量依賴于三個空間坐標。三維流動的求解非常困難，并且也超出了序言的范圍。即使假設流動為定常的（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，對于一個很寬的大壩，受壩兩端條件的影響，水流經(jīng)大壩時的流動為三維流動；但遠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空間坐標的流動。平面流動即是如此，速度矢量只依賴于 x，y 兩個空間坐標，而與 z

20、 坐標無關（如，V=V(x,y)）。一維流動的速度矢量只依賴于一個空間坐標。這類流動常發(fā)生在長直管內和平行平板間。管內流動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 坐標有關，即 u=u(y)。即使流動為 非定常流動，如啟動時的情形，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而改變。這要求研究區(qū)域要遠離入口處或幾何形狀突然改變的區(qū)域。有許多流體力學方面的工程問題，其流場可以簡化為均勻流動：速度和其它流體特性參數(shù)在整個區(qū)域內均為常數(shù)。這種簡化只對速度在整個區(qū)域內均保持不變時才成立，而且這種情況非常普遍。例如：管內

21、的高速流動和溪水的流動。平均速度可能從一個斷面到另一個斷面有所不同，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 牛頓流體是指應力與變形率關系曲線為過坐標圓點的直線的流體。直線的斜率稱為黏度。用=du/dy 這個簡單的關系式來描述牛頓流體的特性。為流體施加的切向應力，為流體的動力黏度，du/dy 為垂直于切應力方向上的速度梯度。如果流體不滿足上述關系式，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，切向應力和變形率成非線性關系，甚至可能是非定常的，因此不能定義恒定的黏度系數(shù)。但可以定義切向應力和變形率的比值(

22、或隨切向應力變化的黏度)，這個概念對不具有時間相關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。在實驗室中，制造非黏性流動則非常困難，因為所有的流體（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力很小，而且其作用范圍小到不會顯著影響流場就可以”。當然，這種描述非常籠統(tǒng)，需要大量的分析以證明無黏性流動假設

23、是正確的。根據(jù)經(jīng)驗，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，稱之為邊界層，它緊貼物體的表面，如圖 1-7 所示。受黏性的影響，邊界層內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，當研究繞流線型流動的總體特征時，可以忽略邊界層的影響。例如，對繞翼型的流動，除了邊界層內和可能接近尾緣的區(qū)域之外，非黏性流動解與實際情況非常吻合。管道系統(tǒng)中收縮段的流動，以及內部流動中黏性影響均可忽略不計的小段區(qū)域都可簡化成非黏性流動。內流中的很大一部分情形都屬于黏性流動

24、，如管道流、暗渠流以及明渠流。在這些流動中，黏性作用造成相當大的“損失”，以此解釋了管道輸運石油和天然氣必定耗費大量的能源。無滑移條件使得壁面處的速度為零，由此產(chǎn)生的切應力，直接導致這些損失的產(chǎn)生。1.2.6 層流和紊流黏性流動可分為層流和紊流。在層流中，流體與周圍流體質點無明顯的混合。如果在流動中注入染料，除了分子運動的影響外，流體質點不與周圍流體混合，并將在相當長的一段時間內保持其狀態(tài)。黏性切應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，流體運動作不規(guī)則地變化，速度和壓強等參數(shù)的大小在時間和空間坐標上呈現(xiàn)隨機變化，這些物理量往往通過統(tǒng)計平均值來描述。在這個意義上，

25、可定義“定?！蔽闪鳎杭磿r均值不隨時間變化的紊流。注入紊流中的染料在流體質點隨機運動的作用下，迅速與周圍流體進行摻混，染料在此擴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水龍頭進行簡單實驗來觀察其流動狀態(tài)。打開水龍頭，這時的水流正如靜靜的小溪一樣，流動得非常緩慢，此時的流動狀態(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)依賴于三個描述流動條件的物理參數(shù)。第一個參數(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，從而使得流動轉變?yōu)槲闪?。第二個參數(shù)是特征速度，如空間平均流速，足夠大的

26、流速將導致紊流的產(chǎn)生。第三個參數(shù)是運動黏度，流體的黏性越小，紊流的可能性越大。上述三個參數(shù)可以整理成一個參數(shù)，用于預測流動狀態(tài)。這個參數(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/ n ，式中，L 和 V 分別為特征長度和特征速度， n 為運動黏 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) Recrit，可更加精確地進行表述，當 Re<Recrit，流動為層流。例如，粗糙 管內的流動，其 Recrit2000，這也是最低的臨界雷諾數(shù)，并適用于大多數(shù)工程應用。如

27、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)實測到 40000 以上的臨界值。采用不同的特征尺寸計算所得臨界雷諾數(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，其特征長度隨到前緣點的距離 x 而變化。計算雷諾數(shù) 時采用長度 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，已觀測到的臨界雷諾數(shù)高達 106。在大多數(shù)工程應用中， 通常假設壁面為粗糙壁面，或者自由來流的脈動水平較高時

28、，相應的臨界雷諾數(shù)約為 3×105。 1.2.7 不可壓縮和可壓縮流動 如果任一流體質點在通過流場時密度保持相對恒定，即 D r /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，但那是一種更加嚴格的情況。密度發(fā)生變化的不可壓縮流動的例子有大氣流動， r = r (z)，z 為垂直方向的坐標，以及江河流入海洋時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c RT

29、 k = 。如果 M0.3，密 度的最大變化為 3%，此時流動可認為不可壓縮的；對于標準狀態(tài)下的大氣，這種情況對應的氣體流速低 于 100m/s。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、商用飛機著陸和起飛時的氣體流動、供暖和空調系統(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)動機的氣體流動，電站中通過汽輪機的蒸汽流動，壓縮機中的氣體流動以及內燃機中空氣和燃氣混合物的流動。1.3 傳熱學基礎傳熱學是一門研究在存在溫差

30、的物體間發(fā)生能量傳遞的科學。熱力學中將這種方式傳遞的能量定義為熱量。傳熱學不僅可以解釋熱量傳遞是如何傳遞的，而且可以計算在特定條件下的傳熱率。事實上，傳熱速率正是一個分析所期望的目標，它指明了傳熱學和熱力學間的差別。熱力學處理的是平衡狀態(tài)下的系統(tǒng)，它可計算當系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)時所需要的能量，但不能解決系統(tǒng)處于過渡過程的非平衡狀態(tài)時能量變化的快慢程度。傳熱學提供了可用于計算傳熱速率的實驗關聯(lián)式，從而對熱力學第一定律和第二定律進行補充。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 熱傳導當物體內部存在溫度梯度時，經(jīng)驗表明，就有能量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞。我們說，

31、此時的能量通過傳導進行傳遞，單位面積上的傳熱速率與法向溫度梯度成正比，即 q/A¶T/¶x。引入比例系數(shù)，則有 Tq A x l ¶ =- ¶ (1-3) 其中 q 是熱流量，¶T/¶x 是熱流方向上的溫度梯度，正常數(shù) l 稱為材料的導熱系數(shù)。方程中插入的負號表 示熱傳導過程應滿足熱力學第二定律，即熱量必須沿溫度降低的方向傳遞。式(1-3)稱為傅立葉導熱定律，以法國數(shù)理學家約瑟夫×傅立葉的名字命名，傅立葉在導熱的分析處理方面做出了極其重大的貢獻。值得注意的是，式(1-3)也是導熱系數(shù)的定義式，在典型的單位體系中，當熱流量 q

32、 的單位為 W 時， l 的單位 為 W/(m×)。 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，放置在轉動的風扇前的熱金屬板會更快地冷卻。我們說熱量通過對流進行傳遞，稱此類換熱過程為對流換熱。對流這個術語給讀者提供了有關傳熱過程的直觀概念，然而，必須擴展這種直觀概念，使我們可以達到對某一問題進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常基本的分析后，可得以

33、回答?，F(xiàn)在，我們來簡要描述對流換熱的物理機理，并且說明它和傳導過程的聯(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。速度分布如圖所示，受黏性作用，平板上的速度減小為零。因為壁面處流動薄層的速度為零，因此，在該點上熱量只能以導熱方式傳遞。因此，可以利用式(1-3)，以及壁面上的流體導熱系數(shù)和溫度梯度來計算傳熱量。如果熱量在該層經(jīng)導熱傳遞，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系。然而，必須記住，壁

34、面上傳熱的物理機理是一導熱過程。為描述對流換熱的整體效應，應用牛頓冷卻定律 ( ) w q hAT T¥ = - (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。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 的分析表達式，而復雜情形下的傳熱系數(shù)必須通過實驗研究來確定。 式(1-4)表明，當熱流量的單位為 W 時，h 的單位為 W/(m2×)。如果將熱平板置于沒有外部風源的房間空氣中，平板附近的密度梯度將造成空氣運動。我們稱此換熱過程為自然對流，以區(qū)別于風扇吹掃平板表面時形成的強制對流。沸騰和凝結現(xiàn)象也屬于對流換熱的

35、范疇。1.3.3 輻射換熱對于導熱和對流換熱，其熱量傳遞需要介質才得以進行，與此不同的是，熱量也可以在完全真空中傳遞，其傳熱機理是電磁輻射。我們將討論限定在由溫差導致的電磁輻射，即所謂的熱輻射。熱力學研究表明，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4emitted q AT s = (1-5)式中， s 為比例系數(shù)，稱為斯忒藩玻耳茲曼常數(shù)，其值為 5.669×10-8 W/(m2·K4)。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，該表達式僅適用于熱輻射，其它類型的電磁輻射要比該式復雜得多。式(1-5)

36、只能用于確定單個黑體的輻射能。兩個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net exchange 4 4 1 2 ( ) q T T A s µ - (1-6)我們已經(jīng)提到，黑體是按四次方定律輻射能量的物體。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 4 1T 成正比。為了考慮這些表面的“灰”特性， 在式(1-5)引入另一個參數(shù)，稱為發(fā)射率，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事實，并非一

37、個表面發(fā)出的所有輻射都可以到達到另一個表面，因為電磁輻射是沿直線傳播的，將有部分能量散失到周圍環(huán)境中。因此，考慮到這兩種情況，式(1-5)引入另外兩個新的參數(shù)，則有)( 4 2 4 1 TTAFFq G -= se(1-7)式中，F(xiàn)是發(fā)射率函數(shù)，F(xiàn)G是幾何角系數(shù)。此時，值得提醒讀者的是，式(1-7)中的這兩個函數(shù)通常并不是相互獨立的。1.3.4 換熱器的類型最簡單的換熱器是由兩個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、熱流體從同一端進入換熱器，并沿同一方向流動；另一種為逆

38、流，即冷、熱流體從相反的兩端進入換熱器，且沿相反方向流動。另一類換熱器，被專門設計成單位體積內有很大的換熱面積，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。700 m2/m3 的換熱器歸為緊湊式換熱器。例如汽車散熱器（1000 m2/m3） 、燃氣輪機中的玻璃陶瓷換熱器（6000m2/m3）、斯特林機的回熱器（15,000m2/m3）以及人的 肺部（20,000m2/m3）。緊湊式換熱器能實現(xiàn)小容積內兩種流體的高換熱率，通常用于換熱器重量和容積受到嚴格限制的場合。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展其表面。緊湊式換熱器通常用于氣氣和氣液（或液

39、氣）換熱器，通過增加傳熱面積來抵消氣側低傳熱系數(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，通常管子氣側表面裝有翅片。工業(yè)應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（有時為數(shù)百根） ，其軸線與外殼軸線平行。當一種流體在管內流動，另一種流體在管外流動并穿過殼體時，就進行了熱交換。殼內通常布置有擋板，用于使殼側流體沿殼流動以強化傳熱，并保持均勻的管間距。雖然管殼式換熱器應用廣泛，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域。注意，管殼式換熱器的管束兩側開口處的較大流動區(qū)域稱為封頭，它位于殼體兩端，管側流體流入、流出管

40、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)目可進一步分類。例如，換熱器殼內的所有管束采用一個 U 型布置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

41、熱式換熱器。靜態(tài)型蓄熱式換熱器基本上由多孔介質組成，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，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，基體充當了臨時儲熱質的作用。動態(tài)型蓄熱式換熱器內有轉筒，冷、熱流體連續(xù)流動通過轉筒的不同部分，使得轉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)它時會發(fā)生冷卻凝結的一種換熱器。鍋爐是另一類換熱器，流體在其內吸熱并汽化。空間輻射器是以輻射方式將熱流體的熱量傳遞到周圍

42、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變成蒸汽以進行各種利用。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鍵的工質（資源）被廣泛地應用。蒸汽流量和運行參數(shù)的變化很 大：從某一過程里 1000 磅/小時（0.126kg/s）到大型電廠超過 10×106磅/小時（1260kg/s），壓力從一些加 熱應用的 14.7 磅/in2（1.0135bar）212F（100）到先進循環(huán)電廠的 4500磅/in2（310bar）1100F（593） 。 現(xiàn)代鍋爐可根據(jù)不同的標準分類。這些包括最終用途、燃燒方式、運行壓力、燃料和循環(huán)方式。

43、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)化設計，可達到最高的熱效率。新機組的關鍵特性是利用再熱器提高整個循環(huán)效率。各種附加的系統(tǒng)也產(chǎn)生蒸汽用于發(fā)電及其他過程應用。這些系統(tǒng)常常利用廉價或免費燃料，聯(lián)合動力循環(huán)和過程，以及余熱回收，以減少總費用。這些例子包括： 燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)（CC）：先進的燃氣輪機，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 基礎上增加煤氣化爐，以降低燃料費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，包括燃氣凈化，以及燃燒產(chǎn)物膨脹并通過燃氣輪機做功。高爐排煙熱量回收：利用高爐余熱產(chǎn)生蒸

44、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。2.2DevelopmentofUtilityBoiler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 千米連接管與聯(lián)箱 和 30000 個管接頭焊口。 這是經(jīng)過大約 50 年發(fā)展的結果，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，機組容量的增大及燃料燃燒特性的改進都要求在材料、制造技術和運行程序上相應發(fā)展。二戰(zhàn)后的一些年里，在電廠安裝鍋爐的數(shù)量多于汽輪機是很常見的，鍋爐提供蒸汽到母管然后到汽機。這種布置反應了鍋爐的可

45、用性低于汽輪機。四十年代后期，隨著鍋爐可用性的提高，鍋爐和汽機開始可以相互配套使用。鍋爐和汽機成套的變化使得再熱成為可行，而且伴隨著高溫鋼材的應用，經(jīng)過蒸汽參數(shù)的不斷提高，達 到了當前的標準循環(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 容量，在接下來的 15 年，機組容量又增加了 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)電領域核能開始扮演一個主要角色。同樣，不斷增加的各種生物質和過程副產(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

46、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，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 煤的性質如表 2-1 所示。以煤階進行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、 煙煤以及無煙煤。煤階表明了煤的地質歷史和主要特性。 現(xiàn)在美國應用的煤分類標準是由美國材料試驗學會（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

47、準。這套系統(tǒng)目的在于確定煤的商業(yè)使用價值，并提供關于煤燃燒特性的基本信息。 2.3.2 燃燒系統(tǒng) 鍋爐內化石燃料燃燒以產(chǎn)生蒸汽的技術已成熟多年。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，在燃煤鍋爐中點燃煤粉，在煤進入爐膛之前加熱爐膛并升壓，而在燃油鍋爐 中則作為主要負荷燃料。一般地，燃油都是粘度在 3500sec 到 6500sec 的殘渣燃料油。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，要比一般的餾分油（柴油，汽油等）便宜，但又帶來一些問題：酸性污染

48、物和粉塵的排 放。酸性污染問題是由石油中的硫產(chǎn)生的，硫分的含量有時可高達 3%。在 20世紀 60 年代早期，人們對 油燃燒器設計進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“標14準燃燒器”，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，而且重點放在準確控制每只燃燒器煤和油的供給量。實際中所有的燃煤鍋爐都是燃燒煤粉（由磨煤機生產(chǎn)） ，這些煤粉經(jīng)過很好的粉碎，然后由空氣流（一次風）送入燃燒器。同以前相比，在流動平衡上的設計成果現(xiàn)

49、在已能使鍋爐在較低的過量空氣水平下運行，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)濟因素和煤的性質來確定。作為整個燃燒系統(tǒng)設計的性能參數(shù)，煤粉細度、磨煤機出口溫度、空煤比等都必須達到要求。 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 時間。當煤進入爐膛其化學結構被破壞時，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。 因為煤在燃燒

50、區(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計來完成。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，即天然氣作為一種優(yōu)質燃料將會重新得到大量應用。丙烷常常作為一種點火劑，廣泛地應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、 低品質或低熱量煤。將煤粒和石灰石投入到床中，石灰石在床內煅燒成石灰。流化

51、床中主要是石灰和少量的煤，煤焦在其中循環(huán)。運行中的床溫 很低，只有 427 (800)，在這個溫度下的熱力學環(huán)境有利于減少 NOx 的形成和捕集 SO2，使之與 CaO 反應生成 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)流化床技術的 最大的優(yōu)點是它在床中捕捉 SO2 的能力和它對煤質的廣泛適應性，其中包括低熱量煤、高灰分煤和低揮 發(fā)分煤，并且在運行中可以改變煤種。循環(huán)流化床鍋爐適合與生物質共燃，最近就新建了幾臺燃燒褐煤的循環(huán)流化床機組。如圖 2-1 所示，目前最常用的流化床技術是循環(huán)流化床燃燒技術。煤和煤焦燃燒的同時，空氣攜帶煤、 煤焦、煤灰

52、和脫硫劑通過爐膛。固體材料通過旋風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。爐膛內固體快速運動會引起過量 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。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 的排放受燃燒反應的限制。 極低的排放需要額外的煙氣凈化設備，同時會增加相應的維護成本。在中國最大的流化床鍋爐是 330MWe，設計最大的鍋爐是 600MWe，但是還沒有投建。 2.4 制粉

53、系統(tǒng) 煤粉制備與煤粉燃燒技術的發(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)使用筒式球磨機磨煤粉，并 且在燃燒前利用儲倉暫時儲存煤粉。如果對該技術進行改進，去掉中間儲倉而將從磨煤機出來的煤粉直接送去燃燒，就會對磨煤機的可靠性有很高的要求。正壓制粉系統(tǒng)中，提供煤粉輸送介質的一次風機位于磨煤機前，因而它運送的是清潔空氣，不會像排粉風機一樣受到侵蝕磨損。這是正壓磨煤系統(tǒng)的主要優(yōu)點。然而，磨煤機需要由單獨風機提

54、供高于磨煤機內部壓力的密封空氣。正壓磨煤機的一個缺點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，負壓磨煤機的密封標準并不需要這樣高，但也不允許漏入過多空氣，因為冷空氣難以干燥濕煤。這種方式泄露的空氣量 也無法測量，如果達到高的空/煤比，遇到明火則可能發(fā)生爆炸。 2.4.1 中速磨 磨輥在一層耐磨層上滾動，通過移動的磨盤把煤壓碎。磨輥的運動引起煤粒間的相互運動同時磨輥的壓力在煤粒間形成壓力負荷。一定壓力下在煤粒層上的運動引起摩擦（煤粒依靠摩擦力破碎） ，這就是磨煤機的工作原理。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。當磨煤區(qū)的工作面間距離很近時，比如到了一個

55、顆粒大小，三個部件（磨輥，顆粒，磨盤）間的磨損就會大大增加，磨損速率會是 正常磨煤機的 100 倍。當帶有石英的石頭尺寸等于或大于磨層厚度時，也會在運行中發(fā)生三部件接觸的 磨損。 隨著磨煤的進行，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中排出。圖 2-2 是 MPS 型 中速磨的示意圖，顯示了中速磨煤機的基本組成。在磨煤機下部有一個轉動的臺面，稱為輥胎的輥子在臺面上滾動。 ? 原煤由上部的磨煤機給入，然后在磨輥和轉動的磨盤間經(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。空氣進入點一般稱為進風環(huán)，噴

56、嘴環(huán)或者喉部。上升的空氣流與煤粒混合在進風環(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?？諝夂兔毫ｋx開流化床形成了第一步的分離。預熱的空氣同時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，但是需要的一次風溫度則要求使用特殊材料，并且增加了磨煤機著火的可能。實際 運行的水分最大值是 40%（質量），此時要求一次風溫高達 750。 ? 空氣煤粉向上流動時，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上部的粗粉分離器，粗粉分離

57、器是利用離心力的分離裝置。風粉混合物以一定角度進入，從而發(fā)生旋轉并產(chǎn)生離心力。粗一點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。風粉混合物中的細煤粉顆粒保持懸浮狀態(tài)，并最終上升進入煤粉管。 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。它是一個臥式的筒體，里面裝有小直徑的鋼球。 筒 體內襯耐磨材料以加強球的滾動，球占筒體總容積的 25%到 30%。轉速取離心力可以克服重力時速度的 80%，這樣可以使鋼球貼在筒體的內壁上。通過筒體轉動時鋼球的碰撞來實現(xiàn)煤粉的磨制。 筒式鋼球磨有單進單出和雙進雙出兩種。對于單進單出型，空氣和煤從一端進入從另一端流出。雙進雙出型磨煤機

58、是空氣和原煤從兩端進入，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的外部，粒徑過大的粗粉被送回到磨煤機與原煤混合。筒式鋼球磨不具有類似立式磨的流化 床特點，同時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。對新建鍋爐來說，中速磨已經(jīng)大量的取代了筒式鋼球磨。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，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間可以實現(xiàn)有效的磨制。 2.4.3 制粉系

59、統(tǒng) 磨煤機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，從磨煤機出來的煤粉直接參與燃燒過程，同時參與的還有空氣、水蒸汽和通入磨煤機的熱能。中儲式系統(tǒng)把煤粉從空氣、水蒸汽和通入磨煤機的能量中分離開再去燃燒。儲倉中的煤粉由新的一次風輸送到燃燒設備。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，比如煤氣化和高爐投 煤。目前在美國運行的中速磨大約有 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，通過煤倉調節(jié)進入磨煤機的給煤量。 ? (2) 熱源，用來預熱干燥煤粉的一次風 ? (3) 一次風機，典型的情況是作為鼓風機布置于磨煤機之前（正壓系統(tǒng)） ，或作為排粉風機位于磨煤 機之后（負壓