熱能與動(dòng)力工程專業(yè)英語(yǔ)第三版翻譯

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?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)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

2、固定質(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(guò)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(méi)有質(zhì)量交換。當(dāng)系統(tǒng)與外界間沒(méi)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。包含控制體的表面稱為控制表面。因此，對(duì)于具體的問(wèn)題，我們必須確定是選取系統(tǒng)作為

3、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，則選取控制體有利；反之，則應(yīng)選取系統(tǒng)作為研究對(duì)象。1.1.2平衡、過(guò)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(guò)程。若從一個(gè)狀態(tài)到達(dá)另一個(gè)狀態(tài)的過(guò)程中，始終無(wú)限小地偏離平衡態(tài)，則稱該過(guò)程為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)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(guò)程可近似視為許多過(guò)程的疊加結(jié)

4、果，而不會(huì)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(guò)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(guò)程為非平衡過(guò)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(guò)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(guò)程保持不變。等溫（isothermal）過(guò)程中溫度保持不變；等壓（isobaric）過(guò)程中壓強(qiáng)恒定；等容（isometric）過(guò)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 20。當(dāng)有熱量開(kāi)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 99.6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(shuō)，一部分水開(kāi)始?xì)饣優(yōu)檎羝?，在此相變過(guò)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，0.1MPa 水的飽和溫度為 99.6。如果某一工質(zhì)為液態(tài)并處于其

6、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(guò)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(guò)熱蒸汽。過(guò)熱蒸汽的壓強(qiáng)

7、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 20被加熱的過(guò)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(guò)程。點(diǎn) C 表示飽和蒸汽狀態(tài)，線 BC 表示等溫過(guò)程，即液體氣化轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝倪^(guò)程。線 CD 表示在等壓條件下蒸汽被加熱至過(guò)熱的過(guò)程，在此過(guò)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(guò)程。相反，點(diǎn) N 是個(gè)

8、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(dòng)能、勢(shì)能的變化以及和功之間的相互關(guān)系。更為常見(jiàn)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)變能和表面能。歷史上，用熱力學(xué)第一定律來(lái)描述循環(huán)過(guò)程：凈傳熱量等于循環(huán)過(guò)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

9、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_(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）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(shuō)，制造這樣一臺(tái)從某一熱源吸熱并對(duì)外做功，而沒(méi)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(shuō)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)?？ㄖZ機(jī)是一個(gè)理想熱機(jī)，利用多個(gè)可逆過(guò)程組成一循環(huán)過(guò)程，該循環(huán)稱

10、為卡諾循環(huán)?？ㄖZ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)低于同樣條件下的卡諾機(jī)效率，則有可能對(duì)該熱機(jī)進(jìn)行一些改進(jìn)以提高其效率。理想的卡諾循環(huán)包括四個(gè)可逆過(guò)程，如圖 1-4 所示：12 等溫膨脹；23 絕熱可逆膨脹；34 等溫壓縮；41h = 1- TL(1-1)可逆絕熱壓縮?？ㄖZ循環(huán)的效率為TH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(shuō)，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

11、 1-5(a)所示。朗肯循環(huán)的一個(gè)主要特征是泵耗費(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3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(guò)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(guò)程組成，其 T-s 圖如圖 1-5(b)所示：12 為泵內(nèi)等熵壓縮過(guò)程；23為爐內(nèi)定壓吸熱過(guò)程；34 為汽輪機(jī)內(nèi)等熵膨脹做功過(guò)程；41 為凝汽器內(nèi)定壓放熱過(guò)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?2 點(diǎn)開(kāi)始的較高壓強(qiáng)下的吸熱過(guò)程線非常接近飽和曲線，圖中僅為了解釋說(shuō)明的需要分

12、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)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Wnet = Qnet 。循環(huán)過(guò)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h =面積1 - 2 - 3 - 4 -1(1-2)面積a - 2 - 3 - b - a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(guò)增大分子或減小分母均可以提高熱效率。這可以通過(guò)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

13、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(lái)防止液滴的形成。再熱過(guò)程如下：經(jīng)過(guò)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(wèn)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(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)

14、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(guò)與多增加的輸出功進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析來(lái)判定。如果不采用再熱循環(huán)來(lái)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(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。1.2 流體力學(xué)基礎(chǔ)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(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)精確度的要求，通?？梢越邮?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(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)行哪些簡(jiǎn)

15、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(dòng)所涉及的物理內(nèi)涵。一些常見(jiàn)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(wèn)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)

16、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

17、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(guò)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)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(guò)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

18、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(guò)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(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)?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(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(shuō)，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)

19、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)離壩端的中間部分的流動(dòng)可看作是二維的。一般來(lái)說(shuō)，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

20、=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)于完全發(fā)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(wèn)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

21、與變形率關(guān)系曲線為過(guò)坐標(biāo)圓點(diǎn)的直線的流體。直線的斜率稱為黏度。用=du/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，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(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

22、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，黏度的影響極為重要，不容忽視。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)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(wèn)題變?yōu)椋菏欠翊嬖谖覀?感興趣的、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)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可以用于模擬非黏性流動(dòng)的基本流動(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

23、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 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)流中的很大一部分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)石油和天然氣必定耗費(fèi)大量的能源。無(wú)滑移條件使得壁面處的速度為零，由

24、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(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)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(guò)統(tǒng)計(jì)平均值來(lái)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(dòng)的作用下，迅速與周圍流體進(jìn)行摻混，染料在此擴(kuò)散過(guò)程中很快就會(huì)消散而變得無(wú)法識(shí)

25、別。層流和紊流可用一個(gè)水龍頭進(jìn)行簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察其流動(dòng)狀態(tài)。打開(kāi)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(kāi)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(kāi)始發(fā)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

26、諾的名 字命名，該參數(shù)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，則為紊流。通過(guò)定義臨界雷諾數(shù) Recrit，可更加精確地進(jìn)行表述，當(dāng) ReRecrit，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

27、離計(jì)算得到的平行板間流動(dòng)的臨界雷諾數(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)?Recrit，流動(dòng)從層流過(guò)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 3105。1.2.7 不可壓縮和可壓縮流動(dòng)如果任一流體質(zhì)點(diǎn)在通過(guò)流場(chǎng)時(shí)密度保持相對(duì)恒定，即 Dr/Dt=0，則該流動(dòng)為不可壓縮流動(dòng)。這并不要求各處的密度值均相等。如果流場(chǎng)中

28、各處的密度值均相等，則很明顯，流動(dòng)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(dòng)的例子有大氣流動(dòng)，r=r(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(dòng)。除液體流動(dòng)之外，低速氣體流動(dòng)也被視為不可壓縮流動(dòng)，例如上文提到的大氣流動(dòng)。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 = k RT 。如果 M0.3，密度的最大變化為 3%，此時(shí)流動(dòng)可認(rèn)為不可壓縮的；對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣，這種情況對(duì)應(yīng)的氣體流速低于 100 m/s。如果 M0.3，密度的變化將影響流動(dòng)，則必須考慮流體壓縮性帶來(lái)的影響，這樣的流動(dòng)就是可壓縮流

29、動(dòng)。不可壓縮的氣體流動(dòng)包括大氣流動(dòng)、商用飛機(jī)著陸和起飛時(shí)的氣體流動(dòng)、供暖和空調(diào)系統(tǒng)中的氣流、繞流汽車周圍的流動(dòng)、通過(guò)散熱器的氣流以及繞流建筑物的氣體流動(dòng)等等，不勝枚舉?？蓧嚎s流動(dòng)包括高速飛行器周圍的氣體流動(dòng)，通過(guò)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體流動(dòng)，電站中通過(guò)汽輪機(jī)的蒸汽流動(dòng)，壓縮機(jī)中的氣體流動(dòng)以及內(nèi)燃機(jī)中空氣和燃?xì)饣旌衔锏牧鲃?dòng)。1.3 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

30、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(guò)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(guò)渡過(guò)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)行補(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)驗(yàn)表明，就有能量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞。我們說(shuō)，此時(shí)的能量通過(guò)傳導(dǎo)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q = -l AT(1-3)x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(dǎo)熱系數(shù)。方程中插入的負(fù)號(hào)表示

31、熱傳導(dǎo)過(guò)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 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(shuō)熱量通過(guò)對(duì)流進(jìn)行傳遞，稱此類換熱過(guò)程為對(duì)流換熱。對(duì)流這個(gè)術(shù)語(yǔ)給讀者提供了有關(guān)傳熱過(guò)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(duì)某一問(wèn)題進(jìn)行充分的分析和處理。例如，我們知

32、道流過(guò)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(wèn)題在了解一些非?；镜姆治龊?，可得以回答?，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(shuō)明它和傳導(dǎo)過(guò)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?yàn)楸诿嫣幜鲃?dòng)薄層的速度為零，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)

33、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(guò)程。9為描述對(duì)流換熱的整體效應(yīng)，應(yīng)用牛頓冷卻定律q = hA(Tw -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(guān)。參數(shù) h 稱為對(duì)流換熱系數(shù)，式(1-4)是其定義式。對(duì)某些傳熱過(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)研究來(lái)確定。式(1-4)表明，當(dāng)熱流量的單位為 W 時(shí)，

34、h 的單位為 W/(m2)。如果將熱平板置于沒(méi)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(guò)程為自然對(duì)流，以區(qū)別于風(fēng)扇吹掃平板表面時(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。1.3.3 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)行，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。熱力學(xué)研究表明，對(duì)于理想的熱輻射體或黑體，其輻射力正比于物體絕對(duì)溫度的四次方及其表面積，因此有q= s AT 4(1-5)emitted式中，s為比例系數(shù)，稱為斯忒藩玻耳茲曼常數(shù)，其值為 5.66910

35、-8 W/(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(duì)溫度四次方的差成正比，即qnet exchange s (T14-T24 )(1-6)A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T14 成正比。為了考慮這些表面的“灰”特性，在式(

36、1-5)引入另一個(gè)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(lái)。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q = F F sA(T 4- T 4 )(1-7)e G12式中，F(xiàn)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(jiǎn)單的換熱器是由兩個(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

37、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(dòng)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(dòng)；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(dòng)。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。700 m2/m3 的換熱器歸為緊湊式換熱器。例如汽車散熱器（1000m2/m3）、燃?xì)廨啓C(jī)中的玻璃陶瓷換熱器（6000 m2/m3）、斯特林機(jī)的回?zé)崞鳎?5,000 m2/m3）以及人的肺部（20,000 m2/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

38、受到嚴(yán)格限制的場(chǎng)合。緊湊式換熱器通過(guò)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(lái)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(guò)增加傳熱面積來(lái)抵消氣側(cè)低傳熱系數(shù)所帶來(lái)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(jiàn)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(dòng)，另一種流體在管外流動(dòng)并穿過(guò)殼體時(shí)，就進(jìn)行了熱交換。殼內(nèi)通常布置有擋板，用于使殼側(cè)流體沿殼流動(dòng)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(duì)較大的尺寸

39、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(kāi)口處的較大流動(dòng)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) 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(dòng)通道。冷、熱流體在間隔的每個(gè)通道中流動(dòng)，每一股冷流體被兩股熱流體所包圍，因此換熱效果非常11好。此外，板式換熱器可通過(guò)簡(jiǎn)單添加更多的平板來(lái)滿

40、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(chǎng)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(guò)同一流動(dòng)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(guò)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(guò)的低溫流體。因此，基體充當(dāng)了臨時(shí)儲(chǔ)熱介質(zhì)的作用。動(dòng)態(tài)型蓄熱式換熱器內(nèi)有轉(zhuǎn)筒，冷、熱流體連續(xù)流動(dòng)通過(guò)轉(zhuǎn)筒的不同部分，使得轉(zhuǎn)筒的任一部分周期性地通過(guò)熱流體，存儲(chǔ)熱量，再通過(guò)冷流體，釋放存儲(chǔ)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(lái)反映它們的特定用途。例如

41、，冷凝器是流體流經(jīng)它時(shí)會(huì)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?？臻g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(jiǎn)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(wú)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。蒸汽流量和運(yùn)行參數(shù)的變化很大：從某一過(guò)程里 1000 磅/小時(shí)（0.126kg/s）到大型電廠超過(guò) 10106 磅/小時(shí)（1260kg/s），壓力從一些加熱應(yīng)用的 14.7 磅/ in2（1.0135bar）212F（100）到先進(jìn)循環(huán)電廠的 4500 磅/ in2

42、（310bar）1100F（593）。現(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(lái)發(fā)電。它們經(jīng)過(guò)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(guò)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(dòng)力循環(huán)和過(guò)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（

43、PFBC）：在更高壓力下燃燒，包括燃?xì)鈨艋?，以及燃燒產(chǎn)物膨脹并通過(guò)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(yáng)能蒸汽發(fā)生器：利用集熱器收集太陽(yáng)輻射熱產(chǎn)生蒸汽。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 千米連接管與聯(lián)箱和 30000 個(gè)管接頭焊口。這是經(jīng)過(guò)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(duì)流過(guò)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)

44、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(jiàn)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(kāi)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(guò)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(165.5bar)，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 燃料與燃燒大部分鍋爐以煤、天然氣和石油作為燃料。然而，在過(guò)去的幾十年里，至少在發(fā)電領(lǐng)域核能開(kāi)始扮演一個(gè)主要角色。同樣，不斷

45、增加的各種生物質(zhì)和過(guò)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(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，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)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?、煙煤以及無(wú)煙煤。煤階表明了煤的地質(zhì)歷史和主要特性。現(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)

46、學(xué)會(huì)（ASTM）建立的。其分類是通過(guò)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(guò)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，而在燃油鍋爐中則作為主要負(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

47、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(lái)一些問(wèn)題：酸性污染物和粉塵的排放。酸性污染問(wèn)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)行了深入研究和開(kāi)發(fā)，目的在于解決燃油的排放問(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)很

48、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(dòng)平衡上的設(shè)計(jì)成果現(xiàn)在已能使鍋爐在較低的過(guò)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、空煤比等都必須達(dá)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(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(lái)。由大氣中的氮生成的一氧化氮即“熱力型 NOx”可以通過(guò)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

49、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)的燃燒需要一定的過(guò)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(méi)有太多的天然氣可供電廠使用，并且人們沒(méi)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成本廢棄燃料、低品質(zhì)或低熱量

50、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反應(yīng)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

51、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(guò)爐膛。固體材料通過(guò)旋風(fēng)分離器從煙氣中分離出來(lái)，然后通過(guò)對(duì)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(dòng)會(huì)引起過(guò)量的磨損，因此爐膛底部不安裝爐管。通過(guò)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(guò)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(huì)增加相應(yīng)的維護(hù)成本。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

52、 MWe，但是還沒(méi)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(kāi)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)行改進(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)

53、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(duì)來(lái)說(shuō)，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(guò)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(wú)法測(cè)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 中速磨磨輥在一層耐磨層上滾動(dòng)，通過(guò)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

54、距離很近時(shí)，比如到了一個(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)行，為了防止過(guò)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(guò)，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?？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