油田注汽鍋爐-熱工基本知識(shí)
第一篇??? 油田注汽鍋爐
第一章????????? 熱工基本知識(shí)
第一節(jié)???????? 工程熱力學(xué)基本知識(shí)
一、???? 基本概念
二、???? 理想氣體狀態(tài)方程
三、???? 水與水蒸汽性質(zhì)
第二節(jié)???????? 傳熱學(xué)基本知識(shí)
一、???? 基本概念
二、???? 傳熱方式（導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射）
三、???? 傳熱與換熱器
第三節(jié)???????? 流體力學(xué)基本知識(shí)
一、???? 流體的粘滯性與粘度
二、???? 流體的能量方程
三、???? 流動(dòng)狀態(tài)與流動(dòng)阻力
四、???? 管道特性曲線
第四節(jié)???????? 燃料與燃燒
第五節(jié)???????? 鍋爐工作原理與基本工作特征
第一章????????? 熱工基本知識(shí)
第一節(jié)? 工程熱力學(xué)基本知識(shí)
一、???? 狀態(tài)參數(shù)
人類社會(huì)的發(fā)展離不開(kāi)能源。所謂能源是指提供各種有效能量的物質(zhì)資源。自然界中可被人們利用的能量主要有煤、石油等礦物燃料的化學(xué)能以及風(fēng)能、水力能、太陽(yáng)能、地?zé)崮堋⒃幽艿�。其中風(fēng)能和水力能是自然界以機(jī)械能形式提供的能量，其他則主要以熱能的形式或者轉(zhuǎn)換為熱能的形式供人們利用，可見(jiàn)能量的利用過(guò)程實(shí)質(zhì)上是能量的傳遞和轉(zhuǎn)換過(guò)程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上經(jīng)過(guò)熱能形式而被利用的能量平均超過(guò)85%，我國(guó)則占90%以上。
熱能的利用通常有下列兩種基本形式：一種是熱利用，如化工、食品等工業(yè)和生活上的應(yīng)用；另一種是熱能的動(dòng)力利用，即把熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能或電能，為人類社會(huì)的各方面提供動(dòng)力等。油田重油開(kāi)發(fā)熱采的熱能利用屬第一種情形。無(wú)論是第一種形式熱能的直接利用還是第二種形式將熱能轉(zhuǎn)化為其他形式的能加以利用，都要通過(guò)一定的媒介物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常把這種傳遞熱量的媒介物質(zhì)稱為工質(zhì)。工質(zhì)在熱力變化過(guò)程中的某一瞬間所呈現(xiàn)的宏觀物理狀況稱為工質(zhì)的熱力學(xué)狀態(tài)，簡(jiǎn)稱狀態(tài)。工質(zhì)的狀態(tài)常用一些宏觀物理量來(lái)描述。這種用來(lái)描述工質(zhì)所處狀態(tài)的宏觀物理量稱為狀態(tài)參數(shù)。狀態(tài)參數(shù)的全部或一部分發(fā)生變化，即表明工質(zhì)所處的狀態(tài)起了變化。也必然由參數(shù)的變化所標(biāo)志出來(lái)。主要狀態(tài)參數(shù)有溫度、壓力、比容及焓等。
（一）溫度
溫度是指物體冷熱的程度。在日常生活、生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，我們經(jīng)常要測(cè)量各種溫度，比如測(cè)量體溫、室溫、氣溫以及各種運(yùn)行設(shè)備的溫升等等。為了測(cè)量這些溫度，必需使用溫度計(jì)。溫度計(jì)上表示溫度高低的尺度叫做溫度標(biāo)尺（簡(jiǎn)稱溫標(biāo)），常用的溫標(biāo)有如下三種：攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)、絕對(duì)溫標(biāo)。
1．?dāng)z氏溫標(biāo)：又叫做國(guó)際百分度溫標(biāo)。攝氏溫標(biāo)是把標(biāo)準(zhǔn)大氣壓冰水混合的溫度規(guī)定為0度，把水沸騰時(shí)的溫度（即沸點(diǎn)）規(guī)定為100度，在0度與100度之間平均分成100個(gè)等份，每一等份就是1 度。用攝氏溫標(biāo)表示的溫度就是攝氏溫度。攝氏溫度的單位為“攝氏度”，用符號(hào)℃表示。例如，攝氏溫度80攝氏度可以寫成80℃。若溫度低于0℃，則要在度數(shù)前面加一個(gè)“-”號(hào)。例如，攝氏溫度零下15℃可以寫成-15℃。
2．華氏溫標(biāo)：是英制溫標(biāo)，為英、美等國(guó)過(guò)去比較常用的一種溫標(biāo)。華氏溫標(biāo)是把標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水凝固成冰時(shí)的溫度（冰點(diǎn)）規(guī)定為32度，水沸騰時(shí)的溫度（沸點(diǎn)）規(guī)定為212度，在32度與212度之間平均分180個(gè)等分，每一個(gè)等分就是1華氏度。用華氏溫標(biāo)表示的溫度稱為華氏溫度。華氏溫度的單位為“華氏度”，用符號(hào)℉表示。例如華氏溫度86華氏度表示的溫度寫為86℉。
3．絕對(duì)溫標(biāo)：絕對(duì)溫標(biāo)也稱為熱力學(xué)絕對(duì)溫標(biāo)。它的刻度和攝氏溫標(biāo)相等，只是它把攝氏溫標(biāo)的-273.15℃規(guī)定為0開(kāi)爾文，把標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水凝固的溫（冰點(diǎn)）規(guī)定為273開(kāi)爾文，把沸水的溫度（沸點(diǎn)）規(guī)定為373開(kāi)爾文。用絕對(duì)溫標(biāo)表示的溫度稱為絕對(duì)溫度（也叫熱力學(xué)溫度）。絕對(duì)溫度的單位叫做“開(kāi)爾文”，簡(jiǎn)稱開(kāi)，用符號(hào)K表示。例如絕對(duì)溫度280開(kāi)爾文可寫為280K。
攝氏溫度與華氏溫度之間的換算關(guān)系如下：
攝氏溫度與絕對(duì)溫度之間的換算關(guān)系如下：
（二）壓力
單位面積上所受的垂直作用力稱為壓力（即壓強(qiáng)）。我國(guó)法定計(jì)量單位的壓力單位為帕斯卡（簡(jiǎn)稱帕），符號(hào)為Pa。
1Pa=1N/m2
即1Pa等于每平方米的面積上作用1N的力。工程上，因Pa單位太小常采有MPa（兆帕）和KPa（千帕），1MPa=106Pa，1KPa=103Pa。
1.大氣壓力
地球表面被一層很厚的氣體包裹著，這層氣體稱為大氣。
由于氣體受地心的吸引產(chǎn)生了重力，所以包圍在地球外面的大氣層對(duì)地球表面便產(chǎn)生了壓力。這個(gè)壓力是由大氣產(chǎn)生的，這叫做大氣壓力（用Ｐb表示），又稱大氣壓。大氣層越厚，大氣的壓力就越大；相反地，大氣層越薄，大氣的壓力就越小。所以高山上的大氣壓比海平面上的小。
由此可知，大氣壓力不是恒定不變的。為使計(jì)算及論證有個(gè)科學(xué)的統(tǒng)一基點(diǎn)，需要有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。
由試驗(yàn)測(cè)得,海平面上的大氣壓為101325Pa或?yàn)椋罚叮癿mHg.這個(gè)大氣壓我們稱為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。
2.絕對(duì)壓力、表壓力與負(fù)壓力
容器內(nèi)介質(zhì)（此處為液體和氣體）的壓力高于大氣壓力時(shí)，介質(zhì)處于正壓狀態(tài)；如低于大氣壓力，則介質(zhì)處于負(fù)壓狀態(tài)。
容器內(nèi)介質(zhì)的實(shí)際壓力稱為絕對(duì)壓力，用符號(hào)P來(lái)表示。通常用壓力表或U形管壓力表測(cè)量得到的壓力稱為表壓力，用Pe來(lái)表示。
當(dāng)容器內(nèi)介質(zhì)的壓力等于大氣壓力時(shí)，壓力表的指針指在零位，如圖1—1（a）所示，或U形管壓力表內(nèi)的液面高度相等，如圖1—2（a）所示。
（a）P=大氣壓力???????? ???（b）P〉大氣壓力
圖1—1?? 壓力表讀數(shù)
當(dāng)容器內(nèi)介質(zhì)的壓力大于大氣壓力時(shí)，壓力表的指針才開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1—1（b）所示。U形管壓力表的液面被容器內(nèi)介質(zhì)壓力壓向通大氣的一端，形成液柱差H，如圖1—2（b）所示。此時(shí)液柱差H所形成的壓力值就是容器內(nèi)壓力超出大氣壓力的部分,即表壓力。
表1—2? U形管壓力表測(cè)壓
當(dāng)容器內(nèi)介質(zhì)的壓力低于外界大氣壓力時(shí),則U形管壓力表內(nèi)的液面被大氣壓力壓向與容器相連的一端,形成液柱差H′，如圖1—2（c）所示。此液柱差H′所形成的壓力值,既為介質(zhì)的壓力比大氣壓力的部分，稱為負(fù)壓力或真空。例如，爐膛壓力為-4毫米水柱，就是說(shuō)爐膛的壓力比大氣壓力低4毫米水柱,即爐膛有4毫米水柱的負(fù)壓力,這樣可以保證火焰和煙氣不向外噴。
由此可知，絕對(duì)壓力、表壓力及大氣壓力三者之間的關(guān)系如下：
P=Pb+Pe
由公式可知，只有表壓力為負(fù)數(shù)時(shí)，絕對(duì)壓力P才有可能小于大氣壓力Pb。而出現(xiàn)負(fù)壓力Pv，此時(shí)
P=Pb-Pv
式中Pb為當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫Α?/p>
絕對(duì)壓力、表壓力、真空度和大氣壓力之間的關(guān)系如圖1—3所示。
圖1—3 ???絕對(duì)壓力、表壓力、真空度和大氣壓力間的關(guān)系
工程上可能遇到的其他壓力單位還有標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm，也稱物理大氣壓）、巴（bar）、工程大氣壓（at）、毫米汞柱（mmHg）和毫米水柱（mmH2O），它們與帕（Pa）之間的互換關(guān)系如表1—1 所示。
表1—1
Pa
bar
atm
at
mmHg
mmH2O
Pa
1
1×10-5
0.986923×10-5
0.101972×10-4
7.50062×10-2
0.1019712
bar
1×105
1
0.986923
1.01972
750.062
10197.2
atm
101325
1.01325
1
1.03323
760
10332.3
at
98066.5
0.980665
0.967841
1
735.559
1×104
mmHg
133.3224
133.322×10-5
1.31579×10-3
1.35951×10-3
1
13.5951
mmH2O
9.80665
9.80665×10-5
9.07841×10-5
1×10-4
735.559×10-4
1
（三）比容與密度
１．???? 比容
單位質(zhì)量的物質(zhì)所占有的容積成為比容，用符號(hào)υ表示。其單位為米3/千克（m3/kg）。例如某氣壓和氣溫下空氣的比容為0.775 m3/kg,就是指質(zhì)量為1kg的空氣需要占有容積為0.775 m3的空間。若質(zhì)量為M的某物質(zhì)占有容積V時(shí)，則其比容 為
氣體的比容大小與氣體的壓力和氣體的溫度有關(guān)，它們之間的相互變化關(guān)系為：
假定氣體的溫度不變，則壓力越高，比容越�。粔毫υ叫�，比容越大，即壓力與比容成反比。假定氣體的壓力不變，則溫度越高，比容越大；溫度越低，比容越小，即溫度與比容成正比。假定氣體的比容不變，則壓力越高，溫度越高；壓力越低，溫度越低，即壓力與溫度成正比。
由于氣體的比容與氣體的壓力及溫度都有關(guān)系，所以鍋爐運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的蒸汽，其比容就與蒸汽的壓力及溫度都有關(guān)。
２．???? 密度
單位容積內(nèi)所含物質(zhì)的質(zhì)量稱為密度，用符號(hào)ρ表示。其單位為千克/米3（kg / m3）。例如標(biāo)準(zhǔn)狀況（即溫度為0℃,壓力為1atm）下空氣的密度為1.29 kg / m3,就是指標(biāo)準(zhǔn)狀況下容積為1m3的空氣的質(zhì)量是1.29kg。若質(zhì)量 為M的某物質(zhì)占有容積V時(shí)，則其密度 為
因此，比容 和密度 互為倒數(shù)，即
單位容積內(nèi)所含物質(zhì)的重量稱為重度，用符號(hào) 表示。單位為牛頓／米３ （N/ m3）。
（四）焓
焓是指在流體中總的含熱量。實(shí)質(zhì)上是流體內(nèi)部分子內(nèi)能和流動(dòng)壓力能的總和。用符號(hào)“ ”表示，單位為焦耳（J）。用公式表示：
式中： —流體的內(nèi)能，J；
—流體的流動(dòng)壓力能，J。
對(duì)于一千克流體的焓稱為比焓，符號(hào)“ｈ”，單位為J／kg。用公式表示：
式中： —每千克流體的內(nèi)能，J／kg；
—每千克流體的壓力能，J／kg。
工程上規(guī)定0℃的飽和水h為0，因此干飽和蒸汽的焓是水從0℃加熱到飽和溫度成為飽和水所吸收的熱量加上該壓力下汽化熱之和。飽和水、飽和蒸汽的焓與溫度和壓力有關(guān)。壓力、溫度、焓它們之間的關(guān)系可以從附錄中蒸汽特性表查出。
二、 水和水蒸汽的性質(zhì)
（一）、水的性質(zhì)
純水是無(wú)色、無(wú)味、無(wú)嗅、透明的液體。水是良好的溶劑，它能溶解許多種物質(zhì)。水在自然界中有三種形態(tài)，即：固態(tài)—冰和雪；液態(tài)—水；氣態(tài)——蒸汽。
對(duì)于一般物質(zhì)來(lái)說(shuō)，隨著溫度的升高，其密度逐漸減小。體積逐漸增大；隨著溫度的下降，其密度逐漸增大，體積逐漸減小，而水則不同，在4℃時(shí)，水的密度最大，體積最��；當(dāng)?shù)陀?℃或高于4℃時(shí)，其密度逐漸減小，體積逐漸增大。因此，冰總是浮在水面上，這是水的一個(gè)非常突出的特點(diǎn)。所以在冬季，不運(yùn)行的鍋爐要注意防凍，避免爐水結(jié)成冰后體積增大，而將設(shè)備撐壞。
水的另一個(gè)特點(diǎn)是比熱較大。使單位質(zhì)量的水和其它物質(zhì)的溫度同樣升高1℃時(shí)，水所需要的熱量比其它物質(zhì)都多。由于水具有這一特性，而且它又容易取得，所以常被用來(lái)作為吸熱和放熱（如冷卻和采暖）的介質(zhì)。
水具有液體的各種特性。我們知道，當(dāng)連通器的各部分水面上的壓力相等時(shí)，這些水面就都保持在同一高度上。根據(jù)這一原理，我們可以用水位表測(cè)量出鍋筒內(nèi)的水位高低。水在密閉容器中，當(dāng)水的部分受到外界壓力作用時(shí)，它便以大小相等的力向各個(gè)方向傳遞，以致接觸到水的任何一點(diǎn)，都受到相等的壓力。鍋爐水壓試驗(yàn)便是利用這一原理來(lái)檢查個(gè)受壓部件的強(qiáng)度和嚴(yán)密性的。
水被加熱和吸收熱量以后，溫度就逐漸升高，當(dāng)水加熱到一定溫度時(shí)，便開(kāi)始沸騰，水沸騰時(shí)的溫度叫做沸點(diǎn)，也叫飽和溫度。沸點(diǎn)狀態(tài)下的水為飽和水，它所含的熱量稱為飽和水的含熱量，也稱作顯熱。水的沸點(diǎn)隨著壓力的升高或降低。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的沸點(diǎn)為100℃，而在980.665KPa絕對(duì)氣壓下，水的沸點(diǎn)即為179.04℃。當(dāng)絕對(duì)壓力為58.84KPa時(shí)，水的沸點(diǎn)即為85.45℃。所以水在低壓下比在高壓下沸騰得快，不過(guò)水中所含的熱量較少。在高原地區(qū)，因?yàn)楫?dāng)?shù)貧鈮狠^低，所以水總是不到100℃就沸騰了�！�
圖1—4 飽和溫度與飽和壓力關(guān)系曲線
水的飽和溫度和壓力的關(guān)系見(jiàn)圖1—4。從圖中可見(jiàn)，飽和溫度與壓力是一一對(duì)應(yīng)的。我們把與飽和溫度相對(duì)應(yīng)的定值壓力稱為飽和壓力。飽和壓力與飽和溫度兩者中只要有一個(gè)確定，另一個(gè)隨之也確定，對(duì)于水近似地有如下經(jīng)驗(yàn)公式表示，即：
其中：p的單位為MPa, t的單位為℃。
（二）、水蒸氣的性質(zhì)
1．汽化與汽化潛熱
當(dāng)水被加熱到沸點(diǎn)時(shí)，在水的表面和內(nèi)部便產(chǎn)生大量汽泡，汽泡升至水面時(shí)就破裂開(kāi)來(lái)放出水汽，水就這樣逐漸地變成了水蒸汽。水由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)—水蒸汽的過(guò)程叫做汽化。
水沸騰后，雖然對(duì)它繼續(xù)加熱，但水的溫度卻不再升高，始終保持在沸點(diǎn)溫度，如果停止加熱，水也就立即停止沸騰�？梢�(jiàn)水沸騰后所吸收的熱量不是用來(lái)升高水的溫度，而是用來(lái)使水汽化成蒸汽的。如果我們?cè)诖髿鈮毫ο伦鳠_(kāi)水的試驗(yàn)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)把水加熱到沸騰時(shí)，放在水中和放在水上部汽空間的兩只溫度計(jì)顯示相同，即沸水汽化所生成的蒸汽溫度與沸水溫度相同，始終保持在飽和溫度，這種蒸汽叫做飽和蒸汽，這種水叫做飽和水。
1千克飽和水完全汽化為飽和蒸汽時(shí)所需要的熱量，叫做汽化潛熱。簡(jiǎn)稱汽化熱。用符號(hào)r表示。單位為焦耳/千克（J/kg）。
在不同的壓力下，飽和水汽化為飽和蒸汽所需的汽化潛熱也不相同，汽化潛熱的數(shù)值是隨著壓力升高而降低的。例如：在絕對(duì)壓力為0.1MPa時(shí)，r＝2259.2 KJ/kg；在絕對(duì)壓力為1MPa時(shí)，r＝ 2018 KJ/kg；當(dāng)絕對(duì)壓力為13.7MPa時(shí)，r＝1084.4 KJ/kg；如果絕對(duì)壓力增加到22.114MPa時(shí)，汽化潛熱r＝0。在這一點(diǎn)水和水蒸汽已無(wú)區(qū)別了，該點(diǎn)稱為水的臨界點(diǎn)，在臨界點(diǎn)水的溫度為374℃。表1—2為不同壓力下水的汽化潛熱。
表1—2
絕對(duì)壓力
P(MPa)
2
4
6
8
10
12
22.114
汽化潛熱
r（KJ/kg/千克）
1890.76
1713.36
1570.81
1441.45
1316.93
1194.31
0
飽和水汽化為飽和蒸汽時(shí)，比容將大大的增加。如在0.1MPa氣壓下，飽和水的比容為υ'＝0.0011262米3/千克，而飽和蒸汽的比容υ"＝0.1980米3千克，較飽和水的比容增大了將近176倍。
2．飽和蒸汽
飽和蒸汽有干飽和蒸汽和濕飽和蒸汽兩種狀態(tài)。
⑴ 干飽和蒸汽：不含水份的飽和蒸汽叫干飽和蒸汽。它是指飽和水全部被汽化，而蒸汽溫度仍等于該壓力下的飽和溫度時(shí)的狀態(tài)。
⑵ 濕飽和蒸汽：含有水份的飽和蒸汽叫做濕飽和蒸汽。它是指飽和水汽化過(guò)程中，處于汽與水共存的狀態(tài)。
1千克濕飽和蒸汽中，含有干飽和蒸汽的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)稱為干度，用符號(hào)x表示。它說(shuō)明濕飽和蒸汽的干燥程度，x值越大，則蒸汽越干燥。對(duì)于干飽和蒸汽來(lái)說(shuō)，x＝1。若干度x＝0.9，則表示1千克濕飽和蒸汽中含干飽和蒸汽0.9千克，含飽和水0.1千克。
對(duì)于濕飽和蒸汽，其比焓值
式中： — 飽和水的比焓，J／kg；
— 飽和汽的比焓，J／kg；
— 相應(yīng)壓力下汽化熱，J／kg；
— 濕飽和蒸汽干度。
例：10MPa汽壓下，飽和水的比焓為1407.94KJ/kg,汽化熱為1316.75KJ/Kg,求干度χ=65％時(shí)濕飽和蒸汽的比焓？
解：
3．過(guò)熱蒸汽
若在等壓下繼續(xù)加熱干飽和蒸汽，蒸汽溫度便會(huì)逐漸升高，比容也將更為增大，這種溫度高于飽和溫度蒸汽叫做過(guò)熱蒸汽。飽和蒸汽變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽的過(guò)程叫做過(guò)熱階段。這一階段所吸收的熱量稱為過(guò)熱熱量。過(guò)熱蒸汽溫度超過(guò)飽和溫度的程度稱為過(guò)熱度。
過(guò)熱蒸汽因有較大的熱量和較低的熱傳導(dǎo)率，所以不向飽和蒸汽那樣易于凝結(jié)，在氣溫下降至飽和溫度之前絕不會(huì)凝結(jié)成水。另外，過(guò)熱蒸汽比飽和蒸汽具有更大的做功能力，因此，常被用作汽輪機(jī)、蒸氣機(jī)等設(shè)備的動(dòng)力。
鍋爐運(yùn)行時(shí)，將水加熱變成蒸汽的過(guò)程可近似看作在壓力不變的情況下進(jìn)行的，我們可通過(guò)圖1—5的試驗(yàn)說(shuō)明水加熱后變成蒸汽的各個(gè)過(guò)程。把1千克水放在裝有活塞的容器中，然后再活塞的上面加一個(gè)重物，使活塞承受固定的壓力P，如圖1—5（a）所示。當(dāng)容器內(nèi)的水被加熱到飽和溫度（沸點(diǎn)），水的比容也隨之增大，此狀態(tài)下的水稱為飽和水，如圖1—5（b）所示。繼續(xù)加熱時(shí)，飽和水就開(kāi)始汽化產(chǎn)生蒸汽，這時(shí)，水和汽的溫度保持不變，仍為飽和溫度，而且，由于水汽化成為蒸汽，其比容增大了許多。由于飽和水和飽和蒸汽都同時(shí)存在于容器之中，此時(shí)的飽和蒸汽稱為濕飽和蒸汽，如圖1—5（c）所示。在繼續(xù)加熱直至容器內(nèi)最后一滴飽和水也變?yōu)檎羝麜r(shí)，這種不含水份的蒸汽稱為干飽和蒸汽，如圖1—5（d）所示。若將容器中的干飽和蒸汽再繼續(xù)加熱，則干飽和蒸汽的溫度便開(kāi)始升高，比容也繼續(xù)增大，此時(shí)的干飽和蒸汽叫做熱蒸汽，如圖1—5（e）所示。
1—溫度表?????? 2—加熱容器???????? 3—閥門
圖1—5? 定壓狀態(tài)下加熱汽化的過(guò)程
不同壓力下的飽和水和飽和蒸汽性質(zhì)見(jiàn)附錄二。
第二節(jié)???????????????? 傳熱學(xué)基本知識(shí)
傳熱學(xué)是研究由溫差引起的熱能傳遞規(guī)律的科學(xué)。熱力學(xué)第二定律指出：凡是有溫差存在的地方，就有熱能自發(fā)地從高溫物體向低溫物體傳遞，傳遞過(guò)程中的熱能常稱為熱量。自然界和各種生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中到處存在著溫差，因此熱能的傳遞就成為自然界和生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中一種極普遍的物理現(xiàn)象。這里所謂的熱能傳遞規(guī)律，主要是指單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量（熱能的多少）與物體中相應(yīng)的溫度差之間的關(guān)系。
傳熱是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，它與許多因素有關(guān)。傳熱方式通常有導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種形式。
（一）導(dǎo)熱
在同一物質(zhì)中（或兩種溫度不同的物質(zhì)接觸時(shí)），熱量從高溫部分傳遞到低溫部分，叫做導(dǎo)熱。例如低壓鍋爐撥火用的火鉤，剛開(kāi)始撥火時(shí)，手拿的一端是冷的，時(shí)間一長(zhǎng)就感到燙手，這是因?yàn)榛疸^的另一端被火加熱后溫度升高，造成火鉤兩端的溫度一高一低，于是熱量就由溫度高的一端傳播給溫度較低的，人手拿著的一端。又如將一塊燒紅鋼板放在地上，幾分鐘后在將鋼板移開(kāi)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)剛才放熱鋼板的地面很燙。這些都是導(dǎo)熱。
不同的物質(zhì)導(dǎo)熱的能力也不相同。例如鋼導(dǎo)熱能力就比木材要大，我們把導(dǎo)熱性能良好的物質(zhì)稱為良熱導(dǎo)體，如銀、銅、鋁、鐵等；而把導(dǎo)熱性能差的物質(zhì)稱為不良熱導(dǎo)體，如空氣、石棉、礦渣棉等。于是，我們常用導(dǎo)熱性能差的材料來(lái)做鍋爐和蒸汽管道的保溫材料。
平板導(dǎo)熱用下列關(guān)系式計(jì)算：
式中： ——單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)平板給定面積的熱量，W；
——材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m?K；
——垂直于熱流方向平板的給定面積，m2；
——平板壁面的導(dǎo)熱溫差，K；
?——平板厚度，m。
從上式可看出，在導(dǎo)熱過(guò)程中，平板兩壁之間每小時(shí)所傳遞的熱量與兩壁面的溫差，平板面積成正比；與平板厚度成反比。
導(dǎo)熱系數(shù)λ與材料性質(zhì)有關(guān)。它的含義是：當(dāng)表面積為1米2，壁厚為1米，壁兩側(cè)的溫度為1℃時(shí)，在每秒內(nèi)所傳導(dǎo)的熱量數(shù)值。表1—3是幾種常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)
表1—3?? 幾種常用材料的導(dǎo)熱系數(shù) ???????W/m?K
材料名稱
導(dǎo)熱系數(shù)
材料名稱
導(dǎo)熱系數(shù)
純銅
黃銅
碳鋼、鑄鐵
合金鋼
水
輕質(zhì)油
空氣
耐火磚
紅磚
398
81～117
46～58
17～35
0.58
0.14
0.02
0.93～1.40
0.58～0.81
混泥土
石灰泥
石棉
玻璃纖維
礦渣棉
硅石磚
硅藻土磚
鍋爐水垢
煙灰
0.81～1.28
0.7～1.16
0.09～0.12
0.03～0.05
0.05～0.06
0.09～0.12
～0.17
0.58～2.33
0.06～0.162
從表1—3中可以看出，物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)越小，其導(dǎo)熱性能就越差。如水垢的導(dǎo)熱系數(shù)比鋼小25～80倍，煙灰的導(dǎo)熱系數(shù)比鋼小500～800倍，因此鍋爐受熱面的內(nèi)外壁上若結(jié)有水垢或積有煙灰，它的傳熱效果便會(huì)降低，也就意味著降低鍋爐的出力和增加燃料的消耗。此外，如鍋爐受熱面內(nèi)壁結(jié)有水垢，鍋爐受熱面所吸收的熱量就不能很快地傳給爐水這樣極易造成受熱面金屬過(guò)熱變形，鼓包，甚至被燒壞。所以鍋爐在運(yùn)行中除應(yīng)加強(qiáng)水質(zhì)管理保外，還要定其檢查鍋爐受熱面，并清除其水垢和煙灰，以便證鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行
（二）對(duì)流
熱對(duì)流是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷、熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過(guò)程。熱對(duì)流僅能發(fā)生在流體中，而且由于流體中的分子同時(shí)在進(jìn)行著不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，因而熱對(duì)流必須伴隨有熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。工程上特別感興趣的是流體流過(guò)一個(gè)物體表面時(shí)流體與物體表面間的熱量傳遞過(guò)程，并稱之為對(duì)流傳熱。就引起流動(dòng)的原因而論，對(duì)流傳熱可分為自然對(duì)流與強(qiáng)制對(duì)流兩大類。自然對(duì)流是由于流體冷、熱各部分的密度不同而引起的，如用暖氣片采暖就是一個(gè)例子。由于暖氣片附近空氣被加熱體積膨脹，相應(yīng)地其密度減小，便逐漸向上部流動(dòng)，而其余位置空氣溫度低密度大，就下降填補(bǔ)它的空間，下降的空氣再被加熱后又上升，這樣循環(huán)的自然的流動(dòng)，便把暖氣片的熱量傳給周圍的空氣。如果流體的流動(dòng)是由于水泵、風(fēng)機(jī)或其他壓差作用所造成的，則稱為強(qiáng)制對(duì)流。油田注汽鍋爐爐管內(nèi)水的流動(dòng)就是由水泵驅(qū)動(dòng)，應(yīng)屬于強(qiáng)制對(duì)流。另外，在工程上還常遇到液體在熱表面上沸騰及蒸汽在冷表面上凝結(jié)的對(duì)流傳熱問(wèn)題，分別簡(jiǎn)稱為沸騰傳熱及凝結(jié)傳熱，它們是伴隨有相變的對(duì)流傳熱。
對(duì)流傳熱的計(jì)算公式可表示為：
式中： —對(duì)流傳熱的熱量，W；
—對(duì)流傳熱系數(shù)，W/m2??K；
—流體與壁面溫度差，K；
—放熱壁面面積，m2；
對(duì)流傳熱系數(shù) 的大小與對(duì)流傳熱過(guò)程中的許多因素有關(guān)。它不僅取決于流體的物性以及換熱表面的形狀、大小與布置，而且還與流速有密切的關(guān)系。
表1—4 給出了幾種對(duì)流傳熱過(guò)程傳熱系數(shù)數(shù)值的大致范圍。
表1—4?? 對(duì)流傳熱系數(shù)的大致數(shù)值范圍
過(guò)程
h〔W/(m2??K) 〕
自然對(duì)流:
空氣
水
1---10
200---1000
強(qiáng)制對(duì)流:
氣體
高壓水蒸汽
水
20---100
500---35000
1000---1500
水的相變換熱:
沸騰
蒸汽凝結(jié)
2500---35000
5000---25000
由表1—4可見(jiàn),就介質(zhì)而言,水的對(duì)流傳熱比空氣強(qiáng)烈，就對(duì)流傳熱方式而言,有相變的優(yōu)于無(wú)相變的,強(qiáng)制對(duì)流高于自然對(duì)流.例如,空氣自然對(duì)流傳熱的h為1---10的量級(jí),而水的強(qiáng)制對(duì)流的h的量級(jí)則是“成千上萬(wàn)”。
（三）輻射
物體通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的方式稱為輻射。物體會(huì)因各種原因發(fā)出輻射能，其中因熱的原因而發(fā)出輻射能的現(xiàn)象稱為熱輻射。自然界中各個(gè)物體都不停地向空間發(fā)出熱輻射，同時(shí)又不斷吸收其他物體發(fā)出的熱輻射。輻射與吸收過(guò)程的綜合結(jié)果就造成了以輻射方式進(jìn)行的物體間的熱量傳遞——輻射傳熱，也常稱為輻射換熱。當(dāng)物體與周圍環(huán)境處于熱平衡時(shí)，輻射傳熱量等于零，但這是動(dòng)態(tài)平衡，輻射與吸收過(guò)程仍在不停地進(jìn)行。
導(dǎo)熱、對(duì)流這兩種熱量傳遞方式只在有物質(zhì)存在的條件下才能實(shí)現(xiàn)，而熱輻射可以在真空中傳遞，而且實(shí)際上在真空中輻射能的傳遞最有效。這是熱輻射區(qū)別于導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱的基本特點(diǎn)。當(dāng)兩個(gè)物體被真空隔開(kāi)時(shí)，例如地球與太陽(yáng)之間，導(dǎo)熱與對(duì)流都不會(huì)發(fā)生，只能進(jìn)行輻射傳熱。輻射傳熱區(qū)別于導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱的另一個(gè)特點(diǎn)是，它不僅產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，而且還伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換，即發(fā)射時(shí)從熱能轉(zhuǎn)換為輻射能，而被吸收時(shí)又從輻射能轉(zhuǎn)換為熱能。
實(shí)驗(yàn)表明，物體的輻射能力與溫度有關(guān)，同一溫度下不同物體的輻射與吸收本領(lǐng)也不一樣。在研究熱輻射規(guī)律的過(guò)程中，引入一種稱做黑體的理想物體的概念。所謂黑體，是指能吸收投入到其表面上的所有熱輻射能量的物體。黑體的吸收本領(lǐng)和輻射本領(lǐng)在同溫度的物體中是最在的。
黑體在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的熱輻射熱量計(jì)算公式為：
式中： ——物體向外輻射的熱流量，W；
——黑體輻射常數(shù)，它是個(gè)自然常數(shù)，其值為5.67×10-8 W/(m2?K4)
——黑體的熱力學(xué)溫度，
——輻射表面積，m2。
一切實(shí)際物體的輻射能力都小于同溫度下的黑體。實(shí)際物體輻射熱熱流量的計(jì)算可以采用上面公式的經(jīng)驗(yàn)修正形式：
式中：ε稱為物體的黑度（又稱發(fā)射率），其值總小于1，它與物體的表面光潔度和表面顏色有關(guān)。
須注意上式中的 是物體自身向外輻射的熱流量，而不是輻射傳熱量。要計(jì)算輻射傳熱量還必須考慮投射到物體上的輻射量的吸收過(guò)程，即要算收、支總帳。
以上分別討論了三種傳遞熱量的基本方式：導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射。在實(shí)際問(wèn)題中，這些方式往往不是單獨(dú)出現(xiàn)的。這不僅表現(xiàn)在互相串聯(lián)的幾個(gè)傳熱環(huán)節(jié)中，而且同一環(huán)節(jié)的傳熱也常是如此。例如，對(duì)于室內(nèi)取暖的暖氣片、油田注汽鍋爐中的對(duì)流段及家用冰箱的外置式冷凝器來(lái)說(shuō)，熱量傳遞過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的換熱方式如下：
曖氣片?? 熱水對(duì)流傳熱→管子內(nèi)壁導(dǎo)熱→管子外壁 對(duì)流傳熱及輻射傳熱→室內(nèi)環(huán)境
對(duì)流段?? 煙氣輻射傳熱及對(duì)流傳熱→管子外壁導(dǎo)熱→管子內(nèi)壁對(duì)流傳熱→水
冷凝器?? 蒸汽凝結(jié)傳熱→管子內(nèi)壁導(dǎo)熱→管子外壁 對(duì)流傳熱及輻射傳熱→室內(nèi)環(huán)境
第三節(jié)???????????????? 流體力學(xué)基本知識(shí)
流體分液體和氣體兩種。液體分子間距較小，一般視為不可壓縮流體。氣體分子間距較大，受壓力或溫度變化將出現(xiàn)明顯體積變化，因此稱為可壓縮流體。所有流體都視為由質(zhì)點(diǎn)組成的連續(xù)介質(zhì)，質(zhì)點(diǎn)之間無(wú)間隙。相對(duì)質(zhì)點(diǎn)尺寸來(lái)說(shuō)，分子間距可視作無(wú)窮小。
一、???? 流體的粘滯性與粘度
流體具有易流動(dòng)性，靜止時(shí)不能承受剪切力以抵抗剪切變形，但在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，流體就具有抵抗剪切變形的能力，這就是粘滯性，簡(jiǎn)稱粘性。在剪切變形的過(guò)程中，流體層之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于流體具有粘滯性，流體層之間會(huì)出現(xiàn)成對(duì)的切力（也稱內(nèi)摩擦力），其作用是阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而影響流體的運(yùn)動(dòng)狀況和變形的速度。流體的粘滯性導(dǎo)致流體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中為克服內(nèi)摩擦力而做功，是流體運(yùn)動(dòng)中機(jī)械能量損失的根源。
流體的內(nèi)摩擦力與運(yùn)動(dòng)梯度的關(guān)系被稱為牛頓內(nèi)摩擦定律。表述如下：流體沿某一固體表面作平行直線運(yùn)動(dòng)，流層間內(nèi)摩擦力T的大小與流體性質(zhì)有關(guān)，并與流速梯度 和接觸面積A成正比，而與接觸面上的壓力無(wú)關(guān)。用公式可寫為
式中， 為比例系數(shù)，表征流體的粘滯性，稱為動(dòng)力粘滯系數(shù)或動(dòng)力粘度，可簡(jiǎn)稱粘度，其單位為Pa?ｓ； 為流層間的接觸面積； 為流體運(yùn)動(dòng)橫向速度梯度。
流體的粘滯性還可以用運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)v表示，運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)也可簡(jiǎn)稱為運(yùn)動(dòng)粘度，它與動(dòng)力粘性系數(shù)的關(guān)系為
運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)v的單位為m2/s。
流體種類不同，其粘性也各不相同，且隨其溫度和壓力而變化。對(duì)于常見(jiàn)的液體如水，氣體如空氣等，由于粘性隨壓力的變化不大，一般可以忽略其變化。因此溫度是影響流體粘性的主要因素。需要注意的是溫度對(duì)氣體和液體的粘性影響規(guī)律不同，從分子微觀運(yùn)動(dòng)的角度可以解釋其原因。粘性是流體分子間的吸引力和分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生動(dòng)量交換的結(jié)果，溫度升高，分子間的引力降低，分子間熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，流體動(dòng)量增大；而溫度降低，分子間的引力增大，分子間熱運(yùn)動(dòng)減弱，流體動(dòng)量減小。對(duì)于氣體來(lái)說(shuō)，分子間距較大，吸引力對(duì)粘性影響很小，而熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)量交換率隨溫度升高而加劇，因此氣體的粘性隨溫度升高而加大。對(duì)于液體來(lái)說(shuō)，由于其分子間距較小，吸引力起主要作用，因此液體的粘性隨溫度升高而降低。流體的粘滯系數(shù)可查閱有關(guān)手冊(cè)。
二、???? 流體的連續(xù)性方程和能量方程
（一）連續(xù)性方程：
質(zhì)量守恒定律應(yīng)用于流體就是流體的連續(xù)性方程。其表達(dá)式為：
式中ρ、A、v分別為流體的密度、有效斷面、及有效斷面上的平均速度。連續(xù)性方程表明通過(guò)流體各有效斷面的質(zhì)量流量相等。當(dāng)流體為視作不可壓縮的液體時(shí)，ρ為常數(shù)，那么其表達(dá)式為：
也就是說(shuō)液體通過(guò)各有效斷面的體積流量相等。這說(shuō)明在同一恒定流股中，當(dāng)沿流程過(guò)流斷面發(fā)生變化時(shí)，流速也必定隨之變化，并且符合斷面平均流速與過(guò)流斷面面積成反比的關(guān)系。斷面大的地方流速小，斷面小的地方流速大。
（二）能量方程
能量守恒定律應(yīng)用于流體中就是流體的能量方程，也叫伯努利方程。對(duì)于理想流體（假想沒(méi)有粘滯性的流體），其表達(dá)式為：
上式中 是單位重量流體所具有的位置能， 是單位重量流體所具有的壓強(qiáng)勢(shì)能。位置勢(shì)能是從位置高程的基準(zhǔn)面算起的，壓強(qiáng)勢(shì)能是以當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Φ扔诹銥榛鶞?zhǔn)，用相對(duì)壓強(qiáng)計(jì)算的。 是單位重量流體所具有的總勢(shì)能。第三項(xiàng) 是由于流體的運(yùn)動(dòng)造成的，為單位重量流體所具有的動(dòng)能（簡(jiǎn)稱單位動(dòng)能）。三項(xiàng)之和 為單位重量流體所具有的總機(jī)械能。
由此可見(jiàn)，伯努利方程表達(dá)了：在理想不可壓縮流體的恒定流動(dòng)中，通過(guò)各質(zhì)點(diǎn)或各過(guò)流斷面的單位總機(jī)械能相等。但應(yīng)注意，總機(jī)械能不變，并不是各部分能量都保持不變。三種形式的能量可以各有消長(zhǎng)，相互轉(zhuǎn)換，但總量不會(huì)增減。
對(duì)于實(shí)際流體，考慮流體粘性所造成的流動(dòng)過(guò)程中機(jī)械能損耗，及流道斷面引用平均速度所帶來(lái)的誤差，伯努利方程寫成：
式中： 為動(dòng)能修正系數(shù)， 為單位重量流體所損耗的機(jī)械能。對(duì)于系統(tǒng)中有流體機(jī)械的伯努利方程：
式中H為流體機(jī)械向單位重力流體所提供的機(jī)械能（如水泵），如果機(jī)械由流體吸收能量則H為負(fù)值（如水輪機(jī)）。
能量方程被廣泛地用來(lái)解決工程實(shí)踐上的許多問(wèn)題。如各種管道的水力計(jì)算；離心泵的汽蝕及吸水高度的計(jì)算；許多流量計(jì)（文丘里管、孔板）以及噴射泵、抽氣器等都是以能量方程式作為計(jì)算基礎(chǔ)的。
三、???? 流動(dòng)阻力與流動(dòng)狀態(tài)
（一）沿程阻力與局部阻力
實(shí)際流體都具有粘性。在流動(dòng)過(guò)程中，流體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間或流層間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了流動(dòng)阻力，流動(dòng)阻力做功，將一部分機(jī)械能不可逆轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)化為熱能而散失，形成了能量損失。為便于分析計(jì)算，按流動(dòng)邊界情況的不同，流動(dòng)阻力和能量損失可分為沿程阻力和局部阻力。
在邊界沿程不變（包括邊壁形狀、尺寸、流動(dòng)方向均不變）的均勻流段上，流動(dòng)阻力就只有沿程不變的摩擦阻力，稱為沿程阻力�？朔爻套枇λa(chǎn)生的能量損失，稱為沿程損失。沿程損失均勻分布在整個(gè)流段上，與流程的長(zhǎng)度成比例。沿程損失用水頭損失表示時(shí)，稱為沿程水頭損失，用hf表示；對(duì)于氣體流動(dòng)，沿程損失用壓力損失表示時(shí)，稱為沿程壓力損失，用pf表示。
圓管沿程水頭損失的公式為
對(duì)于氣體管道，若用壓力損失表示沿程損失，則上式可改寫為
式中， 為管長(zhǎng)；d為管徑； 為斷面平均流速； 為重力加速度； 為流體密度； ?為沿程損失（阻力）系數(shù)。
在邊壁形狀沿程急劇變化，流速分布急劇調(diào)整的局部區(qū)段上，集中產(chǎn)生的流動(dòng)阻力稱為局部阻力�？朔植孔枇σ鸬哪芰繐p失稱為局部損失。同樣局部損失用水頭損失表示時(shí)，稱為局部水頭損失，用hj表示；對(duì)于氣體流動(dòng)，局部損失用壓強(qiáng)損失表示時(shí)，稱為局部壓強(qiáng)損失，用pj 表示。例如，發(fā)生在管道入口、變徑管、彎管、三通、閥門等各種管件處的能量損失，都是局部損失。局部水頭損失計(jì)算公式為
寫成壓強(qiáng)損失的形式為
式中， 為局部損失（阻力）系數(shù)，一般由實(shí)驗(yàn)確定。常用流道的局部阻力系數(shù)可由表查得； 為斷面平均流速； 為流體密度； 為重力加速度。
整個(gè)管道的水頭損失 等于各管段的沿程水頭損失和所有局部水頭損失的總和，即
氣體管道流動(dòng)的能量損失用壓強(qiáng)損失計(jì)算，即
壓強(qiáng)損失與水頭損失的關(guān)系為
（二）層流與紊流
研究發(fā)現(xiàn)圓管流動(dòng)中的水頭損失與流速大小有一定關(guān)系。當(dāng)流速很小時(shí)，水頭損失與流速的一次方成正比；當(dāng)流速較大時(shí)，水頭損失幾乎與流速的平方成正比。1883年英國(guó)物理學(xué)家雷諾通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，水頭損失規(guī)律之所以不同，是因?yàn)檎承粤黧w存在著兩種不同的流態(tài)——層流和紊流。工程流體力學(xué)中將流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，質(zhì)點(diǎn)之間互不混雜，互不干擾的流動(dòng)狀態(tài)稱為層流；將流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，質(zhì)點(diǎn)之間彼此混雜，互相干擾的流動(dòng)狀態(tài)稱為紊流。
圓管流動(dòng)的流速v、管徑d、流體的動(dòng)力粘度μ和密度ρ四個(gè)參數(shù)組成的一個(gè)無(wú)量綱數(shù)為雷諾數(shù)，用Re表示
與臨界流速相對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)為臨界雷諾數(shù)，用Rec表示。實(shí)驗(yàn)表明：盡管當(dāng)管徑或流動(dòng)介質(zhì)不同時(shí)，臨界流速不一樣，但對(duì)于任何管徑及流體，判別流態(tài)的臨界雷諾數(shù)都時(shí)相同的，其值約為2000。臨界雷諾數(shù)為流態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)Re﹤Rec，流動(dòng)為層流；當(dāng)Re﹥Rec，流動(dòng)為紊流。
雷諾數(shù)反映了慣性力與粘滯力作用的對(duì)比關(guān)系。當(dāng)Re﹤Rec時(shí)，粘性對(duì)流體起主導(dǎo)作用，因受微小擾動(dòng)所產(chǎn)生的紊動(dòng)，在粘性的阻滯作用下會(huì)逐漸衰減下來(lái)，流動(dòng)仍保持為層流。隨著Re增加，粘性作用減弱，慣性對(duì)紊動(dòng)的激勵(lì)作用增強(qiáng)，到Re﹥Rec時(shí)，慣性對(duì)流動(dòng)起主導(dǎo)作用，流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌?/p>
當(dāng)流動(dòng)為層流時(shí)，沿程阻力系數(shù)
當(dāng)流動(dòng)為紊流時(shí)，分為紊流光滑區(qū)、紊流過(guò)渡區(qū)和紊流粗糙區(qū)。在紊流光滑區(qū)沿程阻力系數(shù) 只與Re有關(guān)；在紊流過(guò)渡區(qū)沿程阻力系數(shù) 不僅與Re有關(guān)，而且還與管壁粗糙度有關(guān)；在紊流粗糙區(qū)沿程阻力系數(shù) 只與管壁粗糙度有關(guān)，而與Re無(wú)關(guān)。具體可參閱相關(guān)書籍選擇適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)公式或圖表來(lái)確定。
四、???? 管道特性曲線
由伯努利方程導(dǎo)出的外加壓頭計(jì)算式為：
Q越大，則 越大，則流動(dòng)系統(tǒng)所需要的外加壓頭越大 。將通過(guò)某一特定管路的流量與其所需外加壓頭之間的關(guān)系，稱為管路的特性。
考慮上式中的壓頭損失：
忽略上、下游截面的動(dòng)壓頭差，則 。
當(dāng)管路和流體一定時(shí)， 是流量的函數(shù)。令 ，則上式變?yōu)椋?/p>
稱為管路的特性方程，表達(dá)了管路所需要的外加壓頭與管路流量之間的關(guān)系。在H~Q坐標(biāo)中對(duì)應(yīng)的曲線稱為管路特性曲線，如圖1—6所示。
圖1—6?? 管路特性曲線
說(shuō)明① 為管路特性曲線在H軸上的截距，表示管路系統(tǒng)所需要的最小外加壓頭。
②當(dāng)流動(dòng)處于紊流粗糙區(qū)， 為常數(shù)，管路特性方程可以表示為：
；?? 其中
③當(dāng)管道系統(tǒng)上的閥門開(kāi)度改變了，管道系統(tǒng)的特性系數(shù)B值改變，管道特性曲線的形狀隨之改變。如關(guān)小閥門，B值增大，此時(shí)的管道特性曲線如圖中曲線2所示。因此，高阻管路，其特性曲線較陡，如圖曲線2；低阻管路，其特性曲線較平緩，如圖曲線1。
第四節(jié)????? 燃料與燃燒
一、燃料
所謂燃料是指在燃燒過(guò)程中能夠放出熱量的物質(zhì)。燃料必須具備兩個(gè)條件：一是可燃；二是燃燒時(shí)可放出熱量且在經(jīng)濟(jì)上是合算的。
鍋爐是耗用大量燃料的動(dòng)力設(shè)備。鍋爐工作的安全性、經(jīng)濟(jì)性與燃料的性質(zhì)有密切地關(guān)系，了解燃料的成份與性質(zhì)對(duì)鍋爐設(shè)計(jì)者以及使用者來(lái)說(shuō)都是十分必要的。
㈠ 燃料的分類及組成
鍋爐使用的燃料按物態(tài)分有固體燃料、液體燃料和氣體燃料三類。按獲得方法可分為天然燃料和人工燃料。各種常見(jiàn)燃料見(jiàn)表1—5。
表1—5??? 各種常用燃料
按獲得方法分
按物態(tài)分
天然燃料
人工燃料
固體燃料
木柴、煤、頁(yè)巖等
木炭、焦炭、煤粉等
液體燃料
原油
汽油、煤油、柴油、重油等
氣體燃料
天然氣、 沼氣等
高爐煤氣、乙炔、液化石油氣
固體燃料和液體燃料由碳（C）、氫(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)、灰份(A)和水份(W)組成。氣體燃料中天然氣主要是碳?xì)浠衔�，而高爐煤氣則是幾種氣體的混合物。
碳是燃料中主要可燃成份，一公斤碳完全燃燒時(shí)能放出33 913千焦耳的熱量。燃料中的碳不是以單質(zhì)形態(tài)存在，而是與氫、氧、氮、硫等組成復(fù)雜的高分子有機(jī)化合物。碳元素的著火溫度較高，含碳愈高的燃料愈難著火。煤中的含碳量一般在40％～95％，油中含碳量約83％～86％。
氫是燃料中另一種主要可燃成份，雖其含量較碳少，但發(fā)熱值高。煤中含氫量約2％～8％，油中含氫量約12％～13％。一公斤氫完全可以放出119 742千焦的熱量。含氫量高的燃料較易著火。
硫雖然在燃燒中也可以放出一部分熱量，但屬燃料中的有害成份。其燃燒產(chǎn)物為二氧化硫（SO2）和三氧化硫（SO3）與煙氣中的水蒸氣相遇而成亞硫酸和硫酸蒸汽，若在露點(diǎn)以下就會(huì)冷凝而造成腐蝕。
氧和氮都是非可燃成份。氮的含量在固體和液體燃料中占0.5％～2.0％，而氧的含量雖燃料生成地質(zhì)年代變化很大，高的可達(dá)30％～40％，低的僅2％～3％。
灰是燃料中的固態(tài)礦物雜質(zhì)。它的存在是燃料燃燒困難，熱損失增加。液體和氣體燃料的含灰量很少，而固體燃料的含量變化范圍很大，以煤而言，多在10％～40％間。通常把含灰量超過(guò)40％的煤稱為劣質(zhì)煤。
水份也是燃料中的雜質(zhì)。因其在燃燒過(guò)程中要吸收熱量而汽化，降低爐膛溫度，使燃料著火困難，并增加排煙帶走的熱損失。但另一方面，保持固體燃料中適當(dāng)水份能減少飛灰，改善通風(fēng)。液體燃料中摻水乳化則是屬于改進(jìn)燃燒技術(shù)的措施。
固體和液體燃料的組成，通常以重量百分比表示，而氣體燃料則以容積百分比表示。就某一礦井而言，燃料中的碳、氫、硫、氧、氮的絕對(duì)含量幾乎是不變的，而水份和灰份則隨開(kāi)采、運(yùn)輸、加工和貯存條件而變化。為了更確切的評(píng)價(jià)和比較不同燃料的特性，狀態(tài)下各種成份的含量，采用四種不同的計(jì)算基準(zhǔn)，即應(yīng)用基、分析基、干燥基和可燃基。以煤為例，應(yīng)用基即是爐前分析所得的結(jié)果，包括上述七種成份，用角碼“Y”表示。在鍋爐的熱力計(jì)算和熱平衡中，都以應(yīng)用基表示。應(yīng)用基水份即全水份，包括煤炭?jī)?nèi)部的固有水份（內(nèi)水份Wn）和煤表面留存的水份（外水份Ww）。當(dāng)應(yīng)用基的煤經(jīng)風(fēng)干后，剩下的水份即為分析基水份，此時(shí)所得組成成份的百分?jǐn)?shù)，稱為分析基成份，用角碼“f”表示。水份全部烘干后所分析得到的組成百分比，稱為干燥基成份，用角碼“g”表示。扣除水份和灰份的可燃基成份更能確切表示同一煤炭的穩(wěn)定組成特性，可燃基用角碼“r”表示。以上四種分析計(jì)算基準(zhǔn)可從下表種看出它們的含義和相互關(guān)系。
表1—6
v
㈡? 燃料的發(fā)熱量
一公斤或一標(biāo)米3燃料完全燃燒時(shí)所放出的熱量稱為燃料的發(fā)熱量。固體和液體燃料的發(fā)熱量單位為千焦耳/公斤（KJ/kg），氣體燃料的發(fā)熱量單位為千焦耳/標(biāo)米3（KJ/m3）。燃料的發(fā)熱量有高位發(fā)熱量與低位發(fā)熱量之分。
1．高位發(fā)熱量：燃料完全燃燒時(shí)，燃料產(chǎn)物中的水蒸汽（包括燃料中所含水份生成的水蒸汽和燃料中所含的氫燃燒時(shí)生成的水蒸汽）全部凝結(jié)成水時(shí)的發(fā)熱量成為高位發(fā)熱量。用符號(hào)QGW表示。
2．低位發(fā)熱量：燃料完全燃燒時(shí)，其燃燒產(chǎn)物中的水蒸汽仍以汽態(tài)存在時(shí)的發(fā)熱量稱為低位發(fā)熱量。用符號(hào)QDW表示。
所以，燃料的高位發(fā)熱量與低位發(fā)熱量之差即為燃料完全燃燒后，燃燒產(chǎn)物中的水蒸汽凝結(jié)成水時(shí)所放出的凝結(jié)熱量。因此燃料的低位發(fā)熱量即為
QDW=QGW－r·ωH2O
式中：QDW—燃料的低位發(fā)熱量，KJ/kg；
QGW—燃料的高位發(fā)熱量，KJ/kg；
r—水蒸汽的凝結(jié)熱，KJ/kg；
ωH2O— 燃燒產(chǎn)物中水蒸汽的相對(duì)量。
由于燃燒時(shí)溫度很高，水分都以汽態(tài)形式存在，水蒸汽的汽化熱無(wú)法被利用。例如：渣油在鍋爐中燃燒后排煙一般還具有相當(dāng)高的溫度，煙氣中的水蒸氣不可能凝結(jié)成水，這樣就帶走了一部分汽化潛熱。因此實(shí)際都應(yīng)用燃料的低位發(fā)熱量來(lái)計(jì)算。
由于不同的燃料具有不同的發(fā)熱量，并且往往相差很大。這樣生產(chǎn)同樣的蒸汽，燃料的消耗就不一樣。燃用熱量低的燃料，其燃料的消耗量就大，燃用發(fā)熱量高的燃料其燃料的消耗量就必然小。因此只是一般的來(lái)說(shuō)燃料消耗量的大小，就不能正確的表明設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。為了便于相互比較和有一個(gè)統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)，引用了“標(biāo)準(zhǔn)煤”概念。規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱量為29 306.6 KJ/kg。這樣不同情況下燃料的消耗量即可通過(guò)下式換算成標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗量，即：
kg/h
式中：Bb—標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗量，kg/h；
QDW—實(shí)際燃料的低位發(fā)熱量，KJ/kg；
B—實(shí)際燃料的消耗量，kg/h。
㈢? 燃料油
1. 燃料油的物理特性
⑴ 粘度：是表示油對(duì)它本身的流動(dòng)所產(chǎn)生阻力的大小，是表示流動(dòng)性的指標(biāo)。它對(duì)油的輸送和燃燒（霧化條件）有著直接的影響。粘度的國(guó)際單位為m2/S，一般常用mm2/S作為粘度的單位。此外還常見(jiàn)到恩氏粘度和賽氏粘度兩種粘度的單位。
恩氏粘度（恩格勒粘度）：是用恩氏粘度計(jì)測(cè)定粘度。就是用200毫升試樣，在規(guī)定的溫度（20℃、50℃以及100℃）下，通過(guò)恩氏粘度計(jì)，所需用的時(shí)間（秒）和200毫升蒸餾水，在20℃時(shí)，通過(guò)恩氏粘度計(jì)，所需用的時(shí)間（秒）的比值（200毫升蒸餾水，在20℃時(shí)通過(guò)恩氏粘度計(jì)的時(shí)間為51±一秒，此時(shí)叫水值）。恩氏粘度用0E來(lái)表示。
賽氏粘度（賽波特粘度）：60毫升的試樣，在規(guī)定的溫度（1000F、1300F或2100F）下，通過(guò)賽氏粘度計(jì)，所需用的時(shí)間（秒）叫賽氏粘度。賽氏粘度的單位是秒。
賽氏粘度有兩種：賽氏一號(hào)與賽氏重油。
賽氏一號(hào)（賽氏國(guó)際或賽氏通用）粘度，用符號(hào)S或SU,或SSU、SUS表示。
賽氏重油（賽一弗氏或賽氏弗羅）粘度，用符號(hào)SF或SSF、SFS表示。用于高粘度油料。
國(guó)際制單位mm2/S與恩氏粘度、賽氏通用粘度之間的近似換算關(guān)系為：
1mm2/S×0.132＝恩氏粘度
1mm2/S×4.62＝賽氏通用粘度
燃油粘度與溫度有很大關(guān)系，溫度越高，粘度越小，二者成線性關(guān)系。
在常溫下，燃料重油的粘度很大，在燃燒前必須預(yù)熱，其加熱溫度應(yīng)根據(jù)油的品種及其對(duì)粘度的具體要求等不同而定。在進(jìn)行油的輸送時(shí)，為了使油在管道中具有良好的流動(dòng)性，以縮短卸油時(shí)間，降低油泵的動(dòng)力消耗，要求油的粘度不要太大。為了提高油的燃燒效率確保油在噴嘴內(nèi)得到良好的霧化，也要求維持必須的粘度值。
⑵ 凝固點(diǎn)：物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣蕬B(tài)的現(xiàn)象叫凝固，開(kāi)始發(fā)生凝固時(shí)的溫度叫凝固點(diǎn)。當(dāng)油溫降低到某一數(shù)值時(shí)，重油變得相當(dāng)粘，以致使盛油試管傾斜45○時(shí)，油表面在一分鐘之內(nèi)，尚不表現(xiàn)出移動(dòng)傾向，此時(shí)的油溫稱為凝固點(diǎn)。通常重油凝固點(diǎn)在5℃～25℃。渣油和含蠟較高的重油可達(dá)30℃。如重油溫度接近凝固點(diǎn)，粘度就會(huì)提高，流動(dòng)性變壞，以致使抽注裝卸、管路輸送、噴嘴霧化等都受到阻礙。某些重油還會(huì)析出粒狀固體物，可能造成管路或設(shè)備的沉積和堵塞，因此重油系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)必須維持足夠高的溫度，防止因斷油而影響鍋爐正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
⑶ 閃點(diǎn)：對(duì)燃油加熱到某一溫度時(shí)，表面有油氣產(chǎn)生，油蒸汽和空氣混合到某一比例，當(dāng)明火接近時(shí)即產(chǎn)生蘭白色的閃光瞬間即逝，此時(shí)的`溫度稱為閃點(diǎn)。閃點(diǎn)可在開(kāi)口或閉口儀器中測(cè)定。
從原油中分餾提取產(chǎn)品越多，則剩余重油的閃點(diǎn)也越高，有時(shí)超過(guò)300℃，甚至達(dá)350℃。閃點(diǎn)高的重油使用中可采取較高的預(yù)熱溫度，使粘度降低而得到良好的流動(dòng)性。閃點(diǎn)低的油，預(yù)熱到閃點(diǎn)溫度時(shí)有著火和爆炸的危險(xiǎn)。為安全起見(jiàn)，鍋爐在生產(chǎn)過(guò)程中，通常在無(wú)壓開(kāi)口容器（如開(kāi)式油槽、儲(chǔ)油罐等）中加熱重油，一般低于閃點(diǎn)10℃以上。在無(wú)空氣的壓力容器中，如重油加熱器和輸油管路等，則可加熱到滿足于粘度要求的溫度。
⑷ 燃點(diǎn)：當(dāng)溫度升高到某一溫度時(shí)，燃油表面上油氣分子趨于飽和，當(dāng)與空氣混合，且有火焰接近時(shí)即可著火，并能保持連續(xù)燃燒，此時(shí)的溫度稱為燃點(diǎn)或著火點(diǎn)。油的燃點(diǎn)一般比它的閃點(diǎn)高20℃～30℃，其具體數(shù)值視燃油品種的性質(zhì)而不同。
閃點(diǎn)和燃點(diǎn)越高，著火危險(xiǎn)性越小，在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，閃點(diǎn)和燃點(diǎn)間距越大，越容易出現(xiàn)火距跳躍波動(dòng)，甚至火炬暫時(shí)中斷，在運(yùn)行中應(yīng)引起注意。
2. 燃料油的分類：鍋爐燃料油有重油和柴油等。
⑴ 重油：燃油鍋爐首先應(yīng)燃用重油。重油可分為燃料重油和渣油。
燃料重油：它是由裂化重油、減壓重油、常壓重油和蠟油等不同比例調(diào)和制成的。不同的煉油廠選用的原料和比例常不相同，但根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)有一定的質(zhì)量要求，按80℃時(shí)粘度分為20、60、100和200等四個(gè)牌號(hào)。牌號(hào)的數(shù)目約等于該油在50℃時(shí)的恩氏粘度E50。
各種燃料重油的運(yùn)用范圍為：20號(hào)重油用在較小噴嘴（30Kg/h以下）的燃油爐上；60號(hào)重油用在中等噴嘴的船用蒸汽鍋爐或工業(yè)爐上；100號(hào)重油用在大型噴嘴的陸用爐或具有余熱設(shè)備的爐上；200號(hào)重油用在與煉油廠有直接管路送油的具有大型噴嘴的爐上。
渣油： 原油在煉制過(guò)程中排除下來(lái)的殘余物，不經(jīng)處理直接給鍋爐作燃料，一般習(xí)慣上都稱為渣油。因此，也沒(méi)有質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。渣油可以是常壓重油、減壓重油和裂化重油等。
渣油、燃料重油的共同特點(diǎn)是：重度和粘度較大，重度大脫水困難，粘度大則流動(dòng)性就差。為了保證順利運(yùn)輸和良好霧化，必須將油加熱到較高的溫度。沸點(diǎn)和閃點(diǎn)較高，不易揮發(fā)，因此，相對(duì)輕質(zhì)油和原油來(lái)說(shuō)，火災(zāi)的危險(xiǎn)要小一些。
⑵ 柴油：柴油主要用來(lái)作為鍋爐點(diǎn)火和清洗渣油管線用。一般不作為鍋爐的主要燃料。
㈣ 氣體燃料
氣體燃料主要有天然氣和人工煤氣兩類。鍋爐燃用氣體燃料的主要優(yōu)點(diǎn)是：點(diǎn)火容易；易于和空氣混合達(dá)到完全燃燒；調(diào)節(jié)方便，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，從而改善勞動(dòng)和衛(wèi)生條件；便于管道輸送。但是這些氣體燃料大都有毒性和爆炸性，故在使用時(shí)必須有嚴(yán)格的安全措施，遵守安全規(guī)程。
天然氣主要成份是甲烷（CH4）還有其他碳?xì)浠衔�、硫化氫（H2S）以及少量的惰性氣體（CO2N2），水蒸汽和礦物質(zhì)。天然氣的發(fā)熱量很高。人工煤氣的種類多，主要有液化石油氣、煉焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣等。液化石油氣的主要成份是丙烷和丁烷，發(fā)熱量很高。其它人工煤氣的發(fā)熱量一般很低，屬于低發(fā)熱量燃料。
二、燃料燃燒與計(jì)算
㈠ 油的燃燒
燃油經(jīng)油嘴送入爐內(nèi)，形成很細(xì)的油滴，油滴在高溫爐膛內(nèi)開(kāi)始受熱蒸發(fā)形成油氣，油氣包圍在油滴的外圍，當(dāng)油氣加熱到著火溫度后即開(kāi)始著火和燃燒。燃燒后放出的熱量又部分地傳遞給油滴，使它不斷地蒸發(fā)成油氣，并持續(xù)燃燒直到結(jié)束。
1.靜止油滴的燃燒：圖1—7是一粒靜止油滴的燃燒示意圖。油滴經(jīng)過(guò)加熱蒸發(fā)，油氣向四周擴(kuò)散與空氣混合，著火以及燃燒后形成了如圖所示的三層。中心是正在繼續(xù)吸熱蒸發(fā)的油滴，油滴外圍是一層油氣，油氣的外油田注汽鍋爐___熱工基本知識(shí)緣是燃燒區(qū)，燃燒區(qū)外面是空氣和燃燒產(chǎn)物（即煙氣）。
圖1—7? 油滴燃燒示意圖
1—油滴 2—油氣區(qū) 3—燃燒區(qū) 4氧氣濃度線 5—溫度線 6—油氣濃度線 7—外層空氣
從油滴中心到外層空氣，各種參數(shù)的變化已在圖中表示出來(lái)，但還需再作如下說(shuō)明：
溫度：顯然，燃燒區(qū)是大量放熱的區(qū)域，溫度最高。燃燒區(qū)放出的熱量向兩個(gè)方向傳遞給油滴，一方面向外傳遞給周圍介質(zhì)，故從燃燒區(qū)向外溫度漸降；另一方面向內(nèi)經(jīng)過(guò)油氣層傳遞給油滴，保持油滴的蒸發(fā)溫度，使油滴不斷蒸發(fā)，故從燃燒區(qū)向內(nèi)溫度也漸降，到油滴處溫度應(yīng)為油的沸點(diǎn)。
氧氣濃度：外層空氣的氧氣濃度當(dāng)然最高；接近燃燒區(qū)時(shí)，由于煙氣向外擴(kuò)散，使氧氣濃度逐漸降低；在燃燒層，全部氧氣被消耗。
油氣濃度：油氣從油表面向外擴(kuò)散，濃度逐漸降低，在燃燒區(qū)與氧氣化合燃盡。
從上述討論看出，要強(qiáng)化燃燒，關(guān)鍵在于油滴的大小和氣體的擴(kuò)散程度。油滴破碎得越小，總蒸發(fā)面積越大，蒸發(fā)就越快，與氧的接觸也越好，燃燒速度就快。經(jīng)研究得知，油滴燃燒完所需的時(shí)間和它的直徑的平方成正比，即：
（s）
式中：t—燃盡時(shí)間，s
d0—油滴直徑，mm；
K—燃燒速度常數(shù)，mm2/s。K取決于油的性質(zhì)。
2.油霧的燃燒：爐膛中不是單粒的油滴燃燒，而是由許多細(xì)小油滴組成的油霧在燃燒。在油霧中著火的油滴可以互為熱源，溫度升高較快；但是相互妨礙氧氣供應(yīng)，或者說(shuō)是互相奪氧。這時(shí)的燃燒時(shí)間仍與油滴直徑的平方成正比，只是K的數(shù)值不同。由此可見(jiàn)，油霧迅速而完全的燃燒，必須從油的霧化和油霧與空氣的強(qiáng)烈混合兩個(gè)方面著手。
⑴ 油的霧化：油霧化的目的是增加單位重量的表面積，為迅速而完全燃燒創(chuàng)造條件。
油的霧化（破碎）過(guò)程是用外力克服油本身內(nèi)力（粘性和表面張力）的過(guò)程。所以，要把油霧化成很細(xì)的油滴，就要加大外力，減小油的粘性力和表面張力。
油的霧化是由油噴嘴來(lái)實(shí)現(xiàn)的。油霧離開(kāi)油噴嘴后，如果沒(méi)有外力作用，由于慣性它應(yīng)沿直線運(yùn)動(dòng)，油霧應(yīng)當(dāng)呈圓錐形。但是油霧離開(kāi)噴嘴后，也要攜帶部分空氣隨它一起運(yùn)動(dòng)，在油霧的中心可能形成一定的負(fù)亞，油霧四周的壓力將高于中心的壓力，使油霧收縮。因此，油霧的邊界不是直線。
油噴嘴霧化性能的好壞，可由霧化細(xì)度、均勻度、擴(kuò)散角、射程和流量密度等方面來(lái)判斷。
霧化細(xì)度是指霧化后油滴直徑的大��；均勻度是看過(guò)大過(guò)小顆粒的多少。良好的霧化質(zhì)量應(yīng)是油滴小而均勻。這樣油的蒸發(fā)表面積大，蒸發(fā)速度快，因而加快了燃燒速度。擴(kuò)散角又叫霧化角。霧化角的大小對(duì)合理配風(fēng)有著重要影響。射程是指油霧噴射的距離。爐膛斷面小則射程應(yīng)短些，爐膛斷面大則射程可長(zhǎng)些。流量密度是指單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)垂直與油霧速度方向的單位面積上的燃油體積。
⑵ 油霧與空氣的混合：油爐的爐膛內(nèi)溫度很高，而油的著火點(diǎn)又較低，因而油在爐膛中的燃燒屬于擴(kuò)散燃燒，燃燒速度決定于油霧與空氣的混合速度。混合速度的快慢主要決定于空氣與油滴的相對(duì)速度以及氣流的紊亂程度。相對(duì)速度越高，紊亂越強(qiáng)烈，混合速度就越高，混合情況越好。所以必須采用合適的配風(fēng)器，并保證空氣送入的速度足夠高。
然而，在爐膛內(nèi)氣流工礦不可能很均勻。缺氧的地方，油中的烴（碳?xì)浠衔铮╇y免裂解出炭黑造成燃燒不完全。為了盡可能避免裂解，要求空氣盡早同油霧混合。
油在爐膛里的燃燒是否迅速而完全，關(guān)鍵在于霧化和配風(fēng)。
㈡ 燃燒計(jì)算
燃料燃燒過(guò)程是指燃料中可燃成份與氧發(fā)生強(qiáng)烈放熱化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。當(dāng)其燃燒反應(yīng)產(chǎn)物中不再含有可燃物質(zhì)時(shí)稱為完全燃燒。當(dāng)燃燒產(chǎn)物中仍有可燃物質(zhì)時(shí)則稱為不完全燃燒。
燃料燃燒計(jì)算主要是燃料燃燒所需的空氣量，燃燒生成的煙氣量和煙氣焓等的計(jì)算。燃燒計(jì)算是設(shè)計(jì)鍋爐時(shí)各種計(jì)算的基礎(chǔ)。也是正確進(jìn)行鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制的基礎(chǔ)。在這里我們主要講空氣量的計(jì)算。
１．???? 燃燒的化學(xué)反應(yīng)：燃料的可燃成分主要是碳（C）、氫（H）、硫(S)。
⑴碳的燃燒:完全燃燒時(shí)，碳與氧的化學(xué)反應(yīng)式為：
C+O2??? CO2
碳的分子量是12.01，氧的分子量為16×2＝32，二氧化碳的分子量是12.01+16×2＝44.01。又知在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1千摩爾的理想氣體其體積均為22.4標(biāo)準(zhǔn)立方米。因此可以寫出上面反應(yīng)式中各項(xiàng)之間的量的關(guān)系。
12.01千克C+32千克O2＝44.01千克（或22.4標(biāo)米3）CO2
或? 1千克C+2.667千克O2＝3.667千克（或1.866標(biāo)米3）CO2即要使一千克碳完全燃燒，需供以2.667千克氧，燃燒生成的二氧化碳重為3.667千克，體積為1.866標(biāo)準(zhǔn)立方米。
⑵ 氫的燃燒：氫的燃燒反應(yīng)式為：
2H2+O2??? 2H2O
可得? 4.032千克H2+32千克O2?? ?36.032千克（或44.8標(biāo)米3）H2O蒸汽
或 1千克H2+7.94千克O2???? 8.94千克（或11.11標(biāo)米3）H2O蒸汽
⑶ 硫的燃燒：硫的燃燒反應(yīng)式為：
S+O2??? SO2
可得? 32千克S+32千克O2??? 64千克（或22.4標(biāo)米3）SO2
或??? 1千克S+1千克O2??? 2千克（或0.75標(biāo)米3）SO2
２．???????? 燃料燃燒時(shí)的理論空氣需要量：理論空氣需要量是根據(jù)燃燒反應(yīng)推導(dǎo)出一千克（或一標(biāo)米3）燃料完全燃燒時(shí)需要的空氣量。當(dāng)理論空氣量以容積表示時(shí)其符號(hào)為vo。
燃料燃燒需要的氧一般是由空氣供給的，給燃燒的燃料供應(yīng)空氣就是給它供氧。
已知一千克應(yīng)用基燃料中的可燃成分碳、氫、硫之重量為 千克、 千克、 千克，根據(jù)前面導(dǎo)出的燃燒反應(yīng)關(guān)系即可寫出下列數(shù)據(jù)：
一千克燃料中含碳量 ?千克完全燃燒需要氧2.667× ?kg；
一千克燃料中含氫量 千克完全燃燒需要氧7.94× ?kg；
一千克燃料中含硫量 千克完全燃燒需要氧1× kg。
則一千克燃料安全燃燒需要的氧氣總量為：
由于一千克燃料本身還含有 千克的氧，所以一千克燃料完全燃燒時(shí)需從空氣中取得的氧氣為：
氧在空氣中占的容積份額是21%,氧的重度是1.429千克/標(biāo)米3，因此據(jù)上式可以寫出一千克的燃料完全燃燒時(shí)理論空氣量V0為：
3.實(shí)際空氣需要量及過(guò)�？諝庀禂�(shù)：燃料在爐內(nèi)燃燒時(shí)，很難于空氣達(dá)到完全理想的混合，如僅按理論空氣需要量（簡(jiǎn)稱理論空氣量）給它供應(yīng)空氣，必然會(huì)有一部分燃料遇不到它所需要的氧而達(dá)不到完全燃燒。因此，給燃燒實(shí)際供應(yīng)的空氣量VK（簡(jiǎn)稱實(shí)際空氣量）應(yīng)比理論空氣量VO多一些。
實(shí)際空氣量VK與理論空氣量VO之比，稱為過(guò)�？諝庀禂�(shù) ，即
顯然，一千克燃料完全燃燒時(shí)的實(shí)際空氣量VK 即為;
第五節(jié)??? 鍋爐的基本特征和工作原理
一、鍋爐的基本特征
鍋爐是由鍋和爐兩個(gè)主要部分組成的�！板仭笔侵杆到y(tǒng)，“爐”是指燃燒系統(tǒng)，鍋與爐結(jié)合起來(lái)就成為鍋爐。鍋爐的作用是將燃料在爐中燃燒放出的熱量傳遞給鍋爐的水，使水變成具有一定壓力和溫度的熱力蒸汽。
表征鍋爐基本特征的參數(shù)是指鍋爐產(chǎn)生蒸汽的數(shù)量、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性，具體分述如下
㈠ 鍋爐的蒸發(fā)量
鍋爐在每小時(shí)內(nèi)所產(chǎn)生蒸汽的數(shù)量，稱為鍋爐的蒸發(fā)量，也稱鍋爐的出力或鍋爐的容量。蒸發(fā)量還有正常蒸發(fā)量與最大蒸發(fā)量之分。正常蒸發(fā)量是指鍋爐在連續(xù)運(yùn)行中，熱效率最高時(shí)，每小時(shí)所產(chǎn)生的蒸發(fā)量，所以又叫經(jīng)濟(jì)出力。最大蒸發(fā)量是指鍋爐在連續(xù)運(yùn)行時(shí)，每小時(shí)所能產(chǎn)生的最大蒸發(fā)量，也叫最大出力。但是為了簡(jiǎn)明精確地表示鍋爐產(chǎn)生蒸汽的數(shù)量，統(tǒng)一規(guī)定用額定蒸發(fā)量來(lái)反映鍋爐產(chǎn)生蒸汽的數(shù)量。所謂額定蒸發(fā)量，是指鍋爐保持在規(guī)定的蒸發(fā)質(zhì)量（壓力、溫度、干度）和一定的熱效率下，長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行時(shí)每小時(shí)產(chǎn)生的最大蒸汽量。通過(guò)所說(shuō)的鍋爐蒸發(fā)量就是指額定蒸發(fā)量。鍋爐出廠時(shí)銘牌所標(biāo)出的蒸發(fā)量，也就是該鍋爐的額定蒸發(fā)量。
我國(guó)現(xiàn)代鍋爐的蒸發(fā)量其單位采用噸/時(shí)來(lái)表示，而英美國(guó)家則采用百萬(wàn)英熱單位/小時(shí)，即用每小時(shí)所產(chǎn)生的熱量來(lái)表示蒸發(fā)量。英熱單位的符號(hào)用BTU表示，英熱單位與熱量的國(guó)際單位焦耳換算關(guān)系為1英熱單位＝1055.06焦耳。
㈡ 鍋爐的蒸汽參數(shù)
鍋爐的蒸汽參數(shù)表明鍋爐產(chǎn)生蒸汽的質(zhì)量。對(duì)于生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽的鍋爐來(lái)講，蒸汽參數(shù)用壓力和溫度來(lái)表示，對(duì)于生產(chǎn)濕飽和蒸汽的鍋爐，蒸汽參數(shù)用壓力和干度來(lái)表示。
㈢ 鍋爐的熱效率
鍋爐的熱效率是指鍋爐輸出熱量與輸入熱量的比值。用符號(hào)η表示，即：
鍋爐的熱效率是表明鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)程度。
二、 鍋爐的工作原理
鍋爐按照水循環(huán)特性分有自然循環(huán)汽包鍋爐、強(qiáng)制循環(huán)鍋爐、復(fù)合循環(huán)鍋爐。
㈠ 自然循環(huán)汽包鍋爐的工作原理
圖1—8所示為自然循環(huán)汽包鍋爐蒸發(fā)部分的基本回路圖。
圖1—8? 自然循環(huán)汽包鍋爐蒸發(fā)部分的基本回路圖
1—蒸汽出口 2—給水管 3—汽包 4—下降管 5—下聯(lián)箱 6—上升管
H—上升管總高度?? Hgs—含汽段總高度?? HJy——加熱段高度
rs—水重度≈??? ?rgs—含汽段汽水混合物平均重度
圖1—8所示的是由汽包、下降管、下聯(lián)箱和上升管組成的閉合循環(huán)回路。在此回路中，水在上升管中由于受爐內(nèi)輻射熱而產(chǎn)生部分蒸汽，所以在上升管中為汽水混合物，從上升管進(jìn)入汽包的循環(huán)水呈飽和狀態(tài)，但由于與給水混合，因此進(jìn)入下降管的是帶有一定熱量的水，并且下降管一般不受熱而散熱，所以在下降管中是不飽和的水。
根據(jù)水蒸汽的性質(zhì)，水的重度（ ）大于汽水混合物的平均重度（ ），因而下降管中水柱重量（ ）就大于上升管中的汽水混合物柱的重量（ ）,其中 表示上升管加熱段以上含汽段（自沸點(diǎn)至汽泡水位）的高度。水柱和汽水混合物的重度差推動(dòng)工質(zhì)運(yùn)動(dòng)。水沿著下降管向下運(yùn)動(dòng)，而汽水混合物則沿著上升管向上運(yùn)動(dòng)。這種利用工質(zhì)本身的重度差所產(chǎn)生的循環(huán)稱為自然循環(huán)。
由上可見(jiàn)，自然循環(huán)的推動(dòng)力是借助汽和水的重度差。若用 來(lái)表示推動(dòng)力，則
當(dāng)建立穩(wěn)定的循環(huán)流動(dòng)時(shí)，
∑?P為循環(huán)回路中的流動(dòng)阻力。
如果用?? 表示上升管加熱段以上區(qū)汽水混合物的平均真實(shí)體積含汽率，用 和 表示水和汽的重度，那么，汽水混合物的平均重度 代入公式
可得
從以上公式可知，高度H越大，重度差 越大，則運(yùn)動(dòng)力越大，循環(huán)的推動(dòng)力也就越大。也就是說(shuō)水循環(huán)越可靠。H由鍋爐設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)特性所決定，而 則與鍋爐工作的壓力有關(guān)。根據(jù)水蒸汽性質(zhì)，見(jiàn)圖1—9壓力愈高，汽水重度差愈小，所以在其他條件相同的情況下，隨著鍋爐壓力的提高，自然循環(huán)愈加困難和不可靠，當(dāng)壓力高于18兆帕?xí)r，汽和水的重度已相等，即重度差等于零。所以在臨界壓力之上時(shí)，自然循環(huán)也就無(wú)法建立。因此在重度差很小或者等于零的情況下，鍋爐的工作只能依靠外來(lái)能源來(lái)建立循環(huán)流動(dòng)。這就需要用強(qiáng)制流動(dòng)和強(qiáng)制循環(huán)的鍋爐。
圖1—9??????? 汽水重度與壓力間關(guān)系
圖 1—10??? 直流鍋爐工作原理示意圖
1—加熱區(qū) 2—蒸發(fā)區(qū)? 3—過(guò)熱區(qū)
強(qiáng)制循環(huán)鍋爐可分為多次強(qiáng)制循環(huán)鍋爐和一次強(qiáng)制循環(huán)鍋爐兩種。多次強(qiáng)制循環(huán)鍋爐的結(jié)構(gòu)與自然循環(huán)鍋爐基本相同，只不過(guò)在下降管的匯總管道上裝有循環(huán)泵，可以提高循環(huán)動(dòng)力，一次強(qiáng)制循環(huán)鍋爐即為直流鍋爐。
㈡ 直流鍋爐的工作原理
直流鍋爐蒸發(fā)受熱面中工質(zhì)的流動(dòng)不是依靠自然循環(huán)那樣的重度差來(lái)推動(dòng)，而是全部依靠水泵的壓頭來(lái)實(shí)現(xiàn)的。給水在給水泵的壓頭的作用下，順序一次通過(guò)加熱、蒸發(fā)、過(guò)熱各個(gè)受熱面。隨著水沿鍋爐汽水通道長(zhǎng)度流過(guò)，水被加熱、蒸發(fā)、過(guò)熱，最后達(dá)到所要求的蒸汽參數(shù)。由于這些運(yùn)動(dòng)都是由水泵壓頭作用下產(chǎn)生的，所以在鍋爐的所有受熱面中工質(zhì)均為強(qiáng)制流動(dòng)。
圖1—10為直流鍋爐工作原理示意圖。由于直流鍋爐是沒(méi)有汽包，所以汽水通道中的加熱區(qū)、蒸發(fā)區(qū)、過(guò)熱區(qū)各部分之間無(wú)固定的分界線，只是根據(jù)管道長(zhǎng)度上的水蒸汽參數(shù)變化情況，定有假想的“分界線”。例如，水在沸騰之前的受熱面為加熱區(qū)；水開(kāi)始沸騰（χ＝0）至全部變?yōu)楦娠柡驼羝é郑?）的區(qū)段為蒸發(fā)區(qū)；蒸汽開(kāi)始過(guò)熱至額定的過(guò)熱溫度則為過(guò)熱區(qū)。可見(jiàn)，工質(zhì)沿著管子長(zhǎng)度流過(guò)時(shí)，隨著加熱的進(jìn)行，它的狀態(tài)不斷發(fā)生變化。
㈢ 直流鍋爐與自然循環(huán)汽包鍋爐的比較
直流鍋爐與自然循環(huán)汽包鍋爐的工作原理不同，相應(yīng)在結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式上就有一系列特點(diǎn)，與自然循環(huán)汽包鍋爐相比有如下一些優(yōu)缺點(diǎn)。
1. 直流鍋爐的主要優(yōu)點(diǎn)
⑴ 適用于任何壓力
按照其工作原理，直流鍋爐原則上可適用于任何壓力，但在比較低壓力下工作穩(wěn)定性較差。一般來(lái)說(shuō)，直流鍋爐更適用于高壓或超高壓以上。當(dāng)鍋爐壓力接近或超過(guò)臨界值（PLj=22.114兆帕?xí)r），自然循環(huán)已非常困難或根本產(chǎn)生不了，唯有采用直流鍋爐形式。
⑵ 重量輕
直流鍋爐無(wú)沉重的汽包，受熱面全部由管徑不大的管子所構(gòu)成，鋼材消耗量少，相應(yīng)重量就輕得多。
⑶ 制造、安裝及運(yùn)輸方便
由于直流鍋爐全部是強(qiáng)制流動(dòng)，因而蒸發(fā)受熱面可以較自由布置，不必受自然循環(huán)所必須的下降管、上升管直立布置的限制。因而容易滿足爐膛結(jié)構(gòu)的要求。
⑷ 可快速啟停
汽包鍋爐啟停緩慢的原因在于厚壁汽包的存在，因?yàn)榭焖俚膯⑼⒁鹌鼜澢�，變形和過(guò)高的溫度應(yīng)力。直流鍋爐的受熱面全由管子組成，因而受熱面的加熱和冷卻都容易達(dá)到均勻。且彎曲管子的本身也能吸收受熱后的膨脹伸長(zhǎng)量，因此，直流鍋爐可快速啟停，也由于直流鍋爐的金屬重量（因之儲(chǔ)熱面）和儲(chǔ)水量都較小，使之能快速啟停。
2. 直流鍋爐的主要缺點(diǎn)
⑴ 要求的給水品質(zhì)高
由于沒(méi)有汽包，因而無(wú)法像汽包鍋爐那樣進(jìn)行排污及爐內(nèi)處理，進(jìn)入直流鍋爐的給水在受熱面中一次蒸發(fā)完畢，給水中的鹽分沒(méi)有別的去路，所有的鹽分都將沉積在鍋爐受熱面上或隨汽帶給用戶。因而直流鍋爐對(duì)給水品質(zhì)的要求較高。但若生產(chǎn)濕飽和蒸汽，由于出口蒸汽的爐水中能溶有很高的鹽分，可相應(yīng)降低對(duì)水質(zhì)的要求。如油田注汽鍋爐蒸汽出口干度為80％，就是為了盡量簡(jiǎn)化水處理而設(shè)計(jì)。
⑵ 水泵消耗功率大
在直流鍋爐中，由于工質(zhì)完全是依靠給水泵壓頭流經(jīng)各受熱面，并且具有較大的重量流速值，因而水阻力大，致使給水泵壓頭高、消耗功率大。
⑶ 自動(dòng)調(diào)節(jié)及控制系統(tǒng)復(fù)雜
由于直流鍋爐全由小管徑管子組成，管壁又薄，所以工質(zhì)和金屬的蓄熱能力較小，一般只有汽包鍋爐的1/2～1/4。因而當(dāng)外部負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，引起的壓力反應(yīng)也就敏感，壓力變化速度往往要超過(guò)汽包鍋爐的一倍以上。又由于直流鍋爐的加熱、蒸發(fā)、過(guò)熱區(qū)段之間無(wú)固定分界線，無(wú)論給水和燃料擾動(dòng)，都將導(dǎo)致各區(qū)段界線的移動(dòng)和出口狀態(tài)參數(shù)的變化。因此，為達(dá)到良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性，直流鍋爐需采用較復(fù)雜的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
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