1、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，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熱力系統和控制體 ?熱力系統是一包圍在某一封閉邊界內的具有固定質量物質

2、的系統。系統邊界通常是比較明顯的（如氣缸內氣體的固定邊界）。然而，系統邊界也可以是假想的（如一定質量的流體流經泵時不斷變形的邊界）。?系統之外的所有物質和空間統稱外界或環境。熱力學主要研究系統與外界或系統與系統之間的相互作用。系統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。當系統與外界間沒有能量交換時，這樣的系統稱為孤立系統。 ?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作為

3、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，則應選取系統作為研究對象。1.1.2平衡、過程和循環?對于某一參考系統，假設系統內各點溫度完全相同。當物質內部各點的特性參數均相同且不隨時間變化時，則稱系統處于熱力學平衡狀態。當系統邊界某部分的溫度突然上升時，則系統內的溫度將自發地重新分布，直至處處相同。 ?當系統從一個平衡狀態轉變為另一個平衡狀態時，系統所經歷的一系列由中間狀態組成的變化歷程稱為過程。若從一個狀態到達另一個狀態的過程中，始終無限小地偏離平衡態，則稱該過程為準靜態過程，可以把其中任一個中間狀態看作為平衡狀態。準靜態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。如果系統經歷一系列不平衡狀態（如燃燒），從一個平衡狀態轉變為另一個平衡狀態，則其過程為非平衡過程。?當系統從一給定的初始狀態出發，經歷一系列中間過程又回到其初始狀態，則稱系統經歷了一個循環。循環結束時，系統中的各參數又與初始參數相同。在任一特性參數名稱前加上前綴iso-，表示該參數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1kg水。

5、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，水將發生相變，如圖1-1(b)所示。也就是說，一部分水開始氣化變為蒸汽，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。?如果某一工質為液態并處于其飽和溫度和

6、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）。?在給定壓強下發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。?如果某一工質為液態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

7、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下才有意義。?若某一工質處于飽和溫度下并以蒸汽形態存在，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，點B為飽和液態（99.6），線AB表示液體由初始溫度被加熱至飽和溫度所經歷的

8、過程。點C表示飽和蒸汽狀態，線BC表示等溫過程，即液體氣化轉變為蒸汽的過程。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），不存在等溫蒸發過程。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據如表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

9、，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過程：凈傳熱量等于循環過程中對系統所做的凈功。 1.1.5 熱力學第二定律?熱力學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：制造一臺唯一功能是把熱量從低溫物體傳給高溫物體的循環設備是不可能的。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

10、功的循環設備是不可能的。?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?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，利用多個可逆過程組成一循環過程，該循環稱為卡諾循環。卡諾機非常有用，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

11、絕熱壓縮。卡諾循環的效率為: 注意，提高TH（提高吸熱溫度）或降低TL（降低放熱溫度）均可使循環效率提高。1.1.7 朗肯循環?我們所關心的第一類動力循環為電力生產工業所采用的，也就是說，動力循環按這樣的方式運行：工質發生相變，由液態變為氣態。最簡單的蒸汽-動力循環是朗肯循環，如圖1-5(a)所示。朗肯循環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，形成可能損害汽輪機葉片的液滴。?朗肯循環是一個理想循環，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。朗肯循環由四個理想過程組成，其T-s圖如圖1-5(b)所

12、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1和狀態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（也稱蒸汽發生器）和凝汽器均為換熱器，它們既不需要功也不產生功。 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 。循環過程中工質的吸熱量對應面積a-2-3-b-a。因此，朗肯循環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

13、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p4來實現。1.1.8 再熱循環?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，顯然，很難阻止液滴在汽輪機低壓部分的形成。由于大多數金屬不能承受600以上的高溫，因此，通常采用再熱循環來防止液滴的形成。?再熱過程如下：經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6）。?再熱循環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

14、然再熱循環不會顯著影響循環熱效率，但帶來了顯著的額外的輸出功，如圖1-6中的面積4-5-6-4-4所示。當然，再熱循環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濟性分析來判定。如果不采用再熱循環來避免液滴的形成，則凝汽器出口壓強必須相當地高，因而導致循環熱效率較低。在這種意義上，與無再熱循環且高凝汽器出口壓強的循環相比，再熱可以顯著提高循環效率。1.2 流體力學基礎?流體運動表現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

15、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，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的假設。這里，將介紹一些重要的用來分析流體

16、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，但可能發生形變。對可壓縮流體，不但體積發生形變，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。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(x

17、0, 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，然后觀察質點經過每個空間點時的質點速度，由此可以得到質點流經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。在歐拉法中，速度等流動

18、參數是空間和時間的函數。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Vdr=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，根據大量質點的短跡線相片可以推斷出流線的形狀。 1.2.3

19、 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。?三維流動常常可以近似成二維流動。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坐標無關（如，V=V(x,

20、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。這要求研究區域要遠離入口處或幾何形狀突然改變的區域。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在整個區域內均為常數。這種簡化只對速度在整個區域內均保持不變時才成立，而且這種情況非常普遍。例如：管內的高速流動和溪水的流動。平均速度

21、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。但可以定義切向應力和變形率的比值(或隨切向應力變化的黏度)，這個概念對

22、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。然后問題變為：是否存在我們感興趣的、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，需要大量的分析以證明無黏性流動假設是正確的。 根據經驗，發現可以用

23、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域之外，非黏性流動解與實際情況非常吻合。管道系統中收縮段的流動，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，如管道流、暗渠流以及明渠流。在這

24、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，由此產生的切應力，直接導致這些損失的產生。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。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，流體運動作不規則地變化，速度和壓強等參數的大小在時間和空間坐標上呈現隨機變化，這些物理量往往通過統計平均值來描述。在這個意義上，可定義“定常”紊流：即時均值不隨

25、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。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展而成。?流動狀態依賴于三個描述流動條件的物理參數。第一個參數是流場的特征長度，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，從而使得流動轉變為紊流。第二個參數是特征速度，如空間平均流速，足夠大的流速將導致紊流的產生。第三個參

26、數是運動黏度，流體的黏性越小，紊流的可能性越大。 上述三個參數可以整理成一個參數，用于預測流動狀態。這個參數就是雷諾數，以奧斯本雷諾的名字命名，該參數為無量綱參數，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。如果雷諾數相對較小，流動為層流；如果雷諾數較大，則為紊流。通過定義臨界雷諾數Recrit，可更加精確地進行表述，當ReRecrit，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，并適用于大多數工程應用。如果管壁極為光滑且無振動，由于流動中脈動水平的減弱而使臨界雷諾數可能增大，曾經實測

27、到40 000以上的臨界值。采用不同的特征尺寸計算所得臨界雷諾數將有所不同，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。計算雷諾數時采用長度x作為特征長度。在某一特定的xT下，Re變為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高達106。在大多數工程應用中，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，相應的臨界雷諾數約為3105。1.3 傳熱學基礎傳熱學是一門研究在存在溫差的物體間發生能量傳遞的科學。熱力學

28、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速率。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下的系統，它可計算當系統從一個平衡狀態過渡到另一個平衡狀態時所需要的能量，但不能解決系統處于過渡過程的非平衡狀態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，經驗表明，就有能量從高溫區向低溫區傳遞。我們說，此時的能量通過傳導進行傳遞，單

29、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，則有 （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l稱為材料的導熱系數。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)也是導熱系數的定義式，在典型的單位體系中，當熱流量q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

30、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，可得以回答。現在，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

31、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和溫度梯度來計算傳熱量。如果熱量在該層經導熱傳遞，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，壁面上傳熱的物理機理是一導熱過程。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，以區別于風扇吹掃平板表面時形成的強制對流。沸

32、騰和凝結現象也屬于對流換熱的范疇。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。2. 2 Development of Utility Boiler現代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箱和30000個管接頭焊口。這是經過大約50年發展的結果，并形成了煤粉在具有蒸發管束的爐膛燃燒，煙氣然后流經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

33、料、制造技術和運行程序上相應發展。二戰后的一些年里，在電廠安裝鍋爐的數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，經過蒸汽參數的不斷提高，達到了當前的標準循環2400lbf/in2(165.5bar)，568和再熱568。為充分利用更高的蒸汽參數和獲得經濟容量，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，至少在發電領域核能開始扮演一個主要

34、角色。同樣，不斷增加的各種生物質和過程副產品也成為蒸汽生產的熱源。這些包括泥煤、木材及木材廢棄物、稻草、咖啡渣、稻谷殼、煤礦廢棄物（煤屑）、煉鋼爐廢熱甚至太陽能。現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。現在美國應用的煤分類標準是由美

35、國材料試驗學會（ASTM）建立的。其分類是通過煤的工業分析所確定的揮發分和固定碳的含量以及煤的發熱量作為分類標準。這套系統目的在于確定煤的商業使用價值，并提供關于煤燃燒特性的基本信息。2.3.2 燃燒系統鍋爐內化石燃料燃燒以產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3500 sec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

36、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：酸性污染物和粉塵的排放。酸性污染問題是由石油中的硫產生的，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，目的在于解決燃油的排放問題。由此誕生了一種油燃燒器“標準燃燒器”，它可以在非常低的過量空氣系數下減少碳排放。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運行水平為2%。煤燃燒系統煤燃燒器的發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），這些煤粉經過很好的粉碎，然后

37、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部件的布置必須根據經濟因素和煤的性質來確定。作為整個燃燒系統設計的性能參數，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

38、后生成的是無害氮而不是NOx。因為煤在燃燒區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。天然氣燃燒系統天然氣曾經作為電廠主要燃料。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生在流化床中，典型的是循環流化床。循環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

39、，石灰石在床內煅燒成石灰。流化床中主要是石灰和少量的煤，煤焦在其中循環。運行中的床溫很低，只有427 (800)，在這個溫度下的熱力學環境有利于減少NOx的形成和捕集SO2，使之與CaO 反應生成CaSO4。 對于煤燃燒，蒸汽循環可以是亞臨界，也可能是超臨界，它們具有相近的發電效率。循環流化床技術的最大的優點是它在床中捕捉SO2的能力和它對煤質的廣泛適應性，其中包括低熱量煤、高灰分煤和低揮發分煤，并且在運行中可以改變煤種。循環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流化床燃燒技術。煤和煤焦燃燒的同時，空氣攜帶煤、煤焦、煤

40、灰和脫硫劑通過爐膛。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600 MWe，但是還沒有投建。2.4 制粉系統煤粉制備與煤粉燃

41、燒技術的發展是同步的。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。這是正壓磨煤系統的主要優點。然而，磨煤機需要由單獨風機提供高于磨煤機內部壓力的密封空

42、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。當磨煤區的工作面間距離很近時，比如到了一個顆粒大小，三個部件（磨輥，顆粒，磨盤

43、）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，噴嘴環或者喉部。上升的空氣流與煤粒混合在進風環上面產生流化的顆粒

44、床。空氣的流速很低，以至于只能攜帶少部分的煤粒通過床層過濾。空氣和煤粒離開流化床形成了第一步的分離。預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，從而發生旋轉并產生離心力

45、。粗一點的煤粉沖擊到分離器的周邊，不再保持懸浮狀態而回落到磨盤上。風粉混合物中的細煤粉顆粒保持懸浮狀態，并最終上升進入煤粉管。 2.4.2 低速磨?筒式鋼球磨是現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

46、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有效的磨制。2.4.3制粉系統磨煤機只是龐大的制粉系統的一部分，制粉系統一般有直吹式和中儲式兩種。在直吹式系統中，從磨煤機出來

47、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。目前生產蒸汽的過程中很少采用中儲式制粉系統，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。直吹式系統的主要部件有：?(1) 給煤機，通過煤倉調節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），或作為排粉風機位于磨煤機之后（負壓系統）?(4) 磨煤機，作為正壓系統或負

48、壓系統的主體部分。?(5) 管路，把煤和一次風從磨煤機輸送到燃燒器?(6) 燃燒器，混合煤粉和平衡燃燒空氣?(7) 控制和調節裝置根據工程的經濟性，以上部件可以按照不同的形式布置。在正壓系統中，需要做出選擇，是采用熱一次風風機（每個磨一個風機），還是采用冷風風機（布置在特定的空氣加熱器前面）。熱風輸送系統初始投資費用較低，因為不需要特定的空氣加熱器。對大型機組而言，冷風風機系統具有較低的運行費用，可以補償較高的初始投資。 中速磨這個術語是指空氣引入到磨煤機中作為一次風用來干燥和輸送煤粉。一次風的控制對制粉系統的正常運行是非常重要的。不管是直吹式還是中儲式制粉系統，也不管采用熱風還是冷風風機系統

49、都需要普遍的控制。必須控制一次風量和磨煤機出口溫度，這個控制由三個相互聯系的節氣閥來實現。其中的兩個是熱和冷的節氣閥，用來調節磨煤機的空氣溫度，這些節氣閥通常是相互關聯的，從而保證一個開啟另一個則關閉。第三個節氣閥是獨立的，用來控制空氣容積。一些生產商只采用兩個節氣閥，但是缺乏穩定性，而變負荷時的低反應能力抵消了初投資的減少帶來的好處。 2.5.1 爐膛 ?爐膛是一個四周封閉的開口大空間，燃料在其中燃燒，產生的煙氣在進入對流煙道前得到冷卻。離開爐膛進入管束的煙氣溫度過高則會導致煙塵微粒沉積在管壁上或使金屬管壁超溫。燃料和燃燒設備的類型對爐膛的幾何形狀和尺寸影響很大。在這種情況下，磨細的煤粉被送

50、入爐膛懸浮燃燒。燃燒產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部的水平或垂直煙道內（對流煙道）。 在現代蒸汽發生器中，爐膛和對流煙道的爐墻是由碳鋼或低合金鋼的汽冷或水冷壁組成，以維持爐墻的金屬溫度在允許的范圍內。這些管子在頂部和底部由聯箱或母管連接在一起。這些聯箱用來分配或收集水、蒸汽或汽水混合物。在最現代化的機組中，爐墻管道也作為主要的產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、連續的、剛性的膜式墻。這些管道通常預制成可裝運的膜板，并且板上留有燃燒器口、觀察孔、吹灰器口（鍋爐清潔設備）和燃氣噴入口。 2.5.2 過熱器和再熱器 ?過熱器和再熱

51、器被專門設計成順列管束，用來提高飽和蒸汽的溫度。一般形式下，它們是簡單的單相換熱器，蒸汽在管道內流動，煙氣從外面經過，通常二者是交叉流動。由于其較高的運行溫度，這些關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接受的極限和控制蒸汽流動的壓力損失。 ?過熱器和再熱器的主要區別是蒸汽壓力。在典型的汽包鍋爐中，過熱器的出口壓力為2700psi（186bar），而再熱器的出口壓力為580psi（40bar）。受熱面的結構設計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備。這些受熱面可以呈水平或垂直布置。過熱器和有的再熱器經常被分為幾段以利于控制

52、蒸汽溫度和優化熱量回收。過熱器的類型 根據煙氣側的傳熱方式，過熱器可分為兩種基本類型。最初的一種是對流過熱器，從煙氣吸收的輻射熱量很小。在這樣的機組中，蒸汽溫度隨鍋爐負荷的增加而升高，這是因為爐膛吸收單位輸入熱量的百分比下降。這導致過熱器吸收了更多的熱量。因為對流傳熱速率幾乎與煙氣流率即鍋爐負荷成直線關系，因此，過熱器中每磅蒸汽的總吸熱量以及蒸汽的溫度都會隨鍋爐負荷而增長（見圖2-5）。過熱器布置得離爐膛越遠，進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自爐膛的輻射熱，對流傳熱量很少。一般采用較大間距（24英寸或很大的側邊距）的屏式凝渣管或懸吊屏式過熱器的型式布置于爐膛中。

53、有時這種過熱器和包墻管組合成一體。因為爐膛受熱面吸熱不如鍋爐負荷增長快，所以隨著鍋爐負荷的增長輻射式過熱汽溫度反而下降，如圖2-5所示某些情況下，在較大的負荷范圍內，這兩條變化趨勢相反的曲線可由一系列聯合的輻射、對流過熱器疊加為平緩的過熱曲線，如圖2-5所示。一個單獨加熱的過熱器也能產生平緩的過熱曲線。輻射和對流式過熱器的設計需要特別注意避免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)或更多的蒸汽質量流量。這種設置是在允許壓降的范圍內對管子內部進行充分的冷卻。質量流量的選擇取決于蒸汽的壓力和溫度，還有過

54、熱器的熱負荷。此外，高速下的高壓損會改善蒸汽側流場分布。2.5.3 省煤器和空氣預熱器 省煤器和空氣預熱器在提高鍋爐總的熱效率方面發揮著重要作用, 它們回收了排入大氣前煙氣中的低品位熱量，也就是低溫熱量。煙氣被省煤器或空氣預熱器冷卻每40（22），總的鍋爐效率就會被提高大約1%。省煤器吸熱加熱鍋爐給水，空氣預熱器則是加熱燃燒空氣。熱空氣強化了多種燃料的燃燒，并保證了穩定的著火。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，水在管內流動而煙氣在外側反方向（逆流）流動。管子間盡量緊密以強化傳

55、熱，同時要求有足夠的管子表面清潔空間和合理的煙氣側壓損。根據設計，這些管子內一般不會產生蒸汽。 最普通、最可靠的省煤器設計就是光管、順列、交叉流省煤器（如圖2-6）。煤燃燒后，飛灰就會產生一種高污垢、侵蝕的環境。相對于如圖2-6的錯列布置，這些順列布置的光管就會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單的幾何形狀。然而，這種布置的好處必須要結合它大重量、大空間以及造價進行綜合評估為減少投資，大多數鍋爐省煤器應用了各種鰭片以強化煙氣側的傳熱效率。鰭片是廉價的非承壓物件，它可減少省煤器的總尺寸和造價。然而，成功的應用對于煙氣環境是非常敏感的。表面的清潔能力是一關鍵因素。空氣

56、預熱器 空氣預熱器是利用經過省煤器的鍋爐煙氣攜帶的熱量加熱燃燒空氣，并提供干燥煤粉的熱空氣。在燃煤電廠中，空氣預熱器的出口溫度受限于磨煤機的出口溫度和調溫風系統容量，煙氣出口溫度則要考慮傳熱表面的污染和后面設備的腐蝕情況。在較老的鍋爐中一般采用管式或板式空預器，體積大，很難清理，而且壞損的傳熱表面不易替換。現代鍋爐都采用回轉式。回轉式空氣預熱器的最大特點是顯著地節省了空間。回轉式空預器采用緊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，一般被壓緊并裝進置于支撐結構上的鋼制倉體。這些板子的形狀經過優化，具有很高

57、的傳熱效率，同時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660MW的單元機組配有兩臺空氣預熱器，每臺直徑14.6m，重約500噸。傳熱元件的表面積總共約100,000平方米。燃煤電廠典型的溫度應是煙氣進口335，出口120，空氣進口32，出口290。空氣預熱器的性能主要表現在傳熱效率、壓損以及空氣對煙氣側的泄漏上。?前兩項能被理想的表示為一組無量綱數：雷諾數、普朗特數和斯坦頓數的關系。通過實驗室規模試驗可以確立每種空氣預熱器組件的關系式。這就可以進行優化設計，估算新開發部件的幾何性能，以及評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生產電力很大程度上取決于蒸汽產生設備對煤燃燒產物（煤灰）的適應性。吹灰器用來吹掃沉積在鍋爐受熱面上的積灰來保證有效地向蒸汽傳熱。在英國吹灰介質大部分用蒸汽而在美國一般用空氣。2.7 能量守恒?由熱力學第一定律，蒸汽發生器系統的能量平衡如下所述：進入系統的能量 離開系統的能量 = 系統內部能量的積累?因為蒸汽發生器應在穩態下檢測，這樣積累的能量就為0，其方程為：進入系統的能量 = 離開系統的能量進入系統的能量就是進入系統的質量流所攜帶的能量，以及