【正文】 一些煤中的化合氮就作 為揮發(fā) 分被 釋 放出來(lái)。 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) 很好的粉碎，然后由空氣流（一次 風(fēng) ）送入燃 燒 器。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。一般地，燃油都是粘度在 3500 sec 到 6500sec 的殘?jiān)剂嫌汀?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。 這 表 現(xiàn)為 煤化程度的大小：仍褐煤到 貧 煤、煙煤以及無(wú)煙煤。 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 ，但煤仌然是今后新的，基本 負(fù) 荷 電 站 鍋 爐的主 要燃料。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。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。 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。增 壓 循 環(huán) 流化床燃 燒 （ PFBC）：在更高 壓 力下燃 燒 ，包括燃?xì)?凈 化，以及燃 燒產(chǎn) 物膨 脹 并通 過(guò) 燃?xì)? 輪 機(jī)做功。 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 些包括最 終 用途、燃 燒 方式、運(yùn)行 壓 力、燃料和循 環(huán) 方式。其中主要是 發(fā)電 和工 業(yè) 供 熱 。例如，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。因此，基體充當(dāng)了臨時(shí)儲(chǔ)熱介 質(zhì)的作用。該類(lèi)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。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（ 24 型換熱器）。雖然管殼式換熱器應(yīng)用廣泛，但因其相對(duì)較大的尺寸和重量，因而并不適用于汽車(chē)和航空器 領(lǐng)域。 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 19 所示。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 積受到嚴(yán)格限制的場(chǎng)合。 另一類(lèi)換熱器，被專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)成單位體積內(nèi)有很大的換熱面積，稱(chēng)為緊湊式換熱器。此時(shí)，值得提醒讀者的是，式 (17)中的這兩個(gè)函數(shù)通常并不 是相互獨(dú)立的。其它類(lèi)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。值得注意的是，該表達(dá)式僅適用于熱輻射，其它類(lèi)型的電磁 輻射要比該式復(fù)雜得多。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。 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)。 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? ) (14) 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)。 因此，可以利用式 (13)，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。現(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。 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。引入比例系數(shù)，則有 q ???? A ?T (13) ?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) ?稱(chēng)為材料的導(dǎo)熱系數(shù)。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。熱力學(xué)中將這種方式傳遞的能量定義 為熱量。如果 M＞ ，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 可壓縮流動(dòng)。密度發(fā)生變化的不可壓縮流動(dòng)的例子有大氣流動(dòng)， ?=?(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)。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。 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。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) ReRe crit，流動(dòng)為層流。 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)。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。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)。層流可以是高度非定常的，也可以是定常的。 層流和紊流 黏性流動(dòng)可分為層流和紊流。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)。任何可能存在的黏性影響只限于薄薄的 一層之內(nèi)，稱(chēng)之為邊界層，它緊貼物體的表面，如圖 17 所示。然后問(wèn)題變?yōu)椋菏欠翊嬖谖覀? 6 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 ”。非黏性流動(dòng)是指黏性作用對(duì)流動(dòng)的影響很小、可被 忽略的流動(dòng)。 如果流體不滿(mǎn)足上述關(guān)系式，則被稱(chēng)為非牛頓流體，它包括以下幾種類(lèi)型：聚合物溶液、聚合物熔 體、固體懸浮物和高黏度流體。 牛頓流體和非牛頓流體 牛頓流體是指應(yīng)力與變形率關(guān)系曲線(xiàn)為過(guò)坐標(biāo)圓點(diǎn)的直線(xiàn)的流體。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)。平行平板間的速度也只與 y 坐標(biāo)有關(guān)，即 u=u(y)。平面流動(dòng)即是如此，速度矢量只依賴(lài)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)）。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)。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(xiàn)相片可以推斷出流線(xiàn)的形狀。一定曝光時(shí)間下可以拍得發(fā)亮粒子的運(yùn)動(dòng)跡線(xiàn)。在直角笛卡兒坐標(biāo)系中，速度表示為 V=V(x, y, z, t)。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。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。對(duì)不可壓縮流體，其體積大小不變，但可能 發(fā)生形變。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(lèi)型的流 動(dòng)。 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。簡(jiǎn)化程度通常取決于 對(duì)精確度的要求， 通?？梢越邮?177。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。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。 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。循環(huán)過(guò)程中工質(zhì)的吸熱量對(duì)應(yīng)面積 a23ba。 泵用于提高飽和液體的壓強(qiáng)。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?？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?？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(chēng)為卡諾循環(huán)。 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。 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律有多種表述形式。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。在臨界點(diǎn)處，飽和液體和飽和氣體的狀態(tài)都是相同的。線(xiàn) 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。過(guò)熱蒸汽的壓強(qiáng)和溫度是 彼此獨(dú)立的，因?yàn)闇囟壬仙龝r(shí)，壓強(qiáng)可能保持不變。因此，如 圖 11(b)所示，若蒸汽質(zhì)量為 ，液體質(zhì)量為 ，則其干度為 或 20%。因此， ℃水的 飽和壓強(qiáng)是 ， 水的飽和溫度為 ℃。當(dāng)水溫達(dá)到 ℃時(shí)，如若再增加傳熱量，水將發(fā)生相變，如圖 11(b)所示。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。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)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。 因此，對(duì)于具體的問(wèn)題，我們必須確定是選取系統(tǒng)作為研究對(duì)象有利還是選取控制體作為研究對(duì)象 有利。 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。 系統(tǒng)之外的所有物質(zhì)和空間統(tǒng)稱(chēng)外界或環(huán)境。其中，熱力學(xué)第一定律和第二定律應(yīng)用最 為廣泛。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。能量以?xún)?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。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。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）。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(chēng)為孤立系統(tǒng)。包含控制體的表面稱(chēng) 為控制表面。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(chēng)系統(tǒng)處于 熱力學(xué)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)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。 在任一特性參數(shù)名稱(chēng)前加上前綴 iso，表示該參數(shù)在整個(gè)過(guò)程保持不變。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。 在給定壓強(qiáng)下發(fā)生氣化的溫度稱(chēng)為飽和溫度，壓強(qiáng)稱(chēng)為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(chēng)蒸汽質(zhì)量與總質(zhì)量之比為干度。當(dāng)蒸汽溫度高于其飽和溫度時(shí)，則稱(chēng)之為過(guò)熱蒸汽。 點(diǎn) C 表示飽和蒸汽狀態(tài)，線(xiàn) BC 表示等溫過(guò)程，即液體氣化轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝倪^(guò)程。相反，點(diǎn) N 是個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在該點(diǎn)上，切線(xiàn)斜率為零， 通常把 N 點(diǎn)稱(chēng)為臨界點(diǎn)。 熱力學(xué)第一定律 通常把熱力學(xué)第一定律稱(chēng)為能量守恒定律。 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。 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 13(a)所示。 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)。 理想的卡諾循環(huán)包括四個(gè)可逆過(guò)程，如圖 14 所示： 1→2 等溫膨脹； 2→3 絕熱可逆膨脹； 3→4 等 溫壓縮； 4→1 ? ? 1? TL (11) 可逆絕熱壓縮。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。朗肯循環(huán)由四個(gè)理想過(guò)程組成，其 Ts 圖如圖 15(b)所示： 1→2 為泵內(nèi)等熵壓縮過(guò)程； 2→3 為爐內(nèi)定壓吸熱過(guò)程； 3→4 為汽輪機(jī)內(nèi)等熵膨脹做功過(guò)程； 4→1 為凝汽器內(nèi)定壓放熱過(guò)程。 如果忽略動(dòng)能和勢(shì)能的變化，輸出的凈功等于 Ts 圖曲線(xiàn)下面的面積，即圖 15(b)中 12341 所包 圍的面積， 由用熱力學(xué)第一定律可證明 W ? Q 。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 來(lái)實(shí)現(xiàn)。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）。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)馗撸蚨鴮?dǎo)致循環(huán)熱 效率較低。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。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。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)。質(zhì)點(diǎn)占據(jù)很小的體積，并隨流體流動(dòng)而移動(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)。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。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)。跡線(xiàn)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。同跡線(xiàn)相比，流線(xiàn)不能 直接由相機(jī)拍攝獲得。三維流動(dòng)的求解非常困難，并且也超出了序言 的范圍。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)。管內(nèi)流動(dòng) 的速度只隨到管軸的距離變化，即 u=u(r)。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。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。 τ為流體施加的切向應(yīng)力， μ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。 黏性和非黏性流動(dòng) 流體的流動(dòng)可大致分為黏性流