【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 itte d 式中， ?為比例系數(shù)，稱為斯忒藩－玻耳茲曼常數(shù)，其值為 108 W/(m2K 4)。式 (15)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 (15)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 q exch a n g e ? ? (T14 ?T24 ) (16) 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 (15)引入另一個(gè)參數(shù)，稱為發(fā)射率 ε，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)? 電磁輻射是沿直 線傳播的，將有部分能量散失到周?chē)h(huán)境中。因此，考慮到這兩種情況，式 (15)引入另 外兩個(gè)新的參數(shù)，則有 q ? F F ? A(T 4 ? T 4 ) (17) ? G 1 2 式中， Fε是發(fā)射率函數(shù)， FG 是幾何角系數(shù)。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。 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(mén)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 β。 β＞ 700 m2/m3 的換熱器歸為緊湊式換熱器。例如汽車(chē)散熱器（ β≈1000 m2/m3）、燃?xì)廨啓C(jī)中的玻璃陶瓷換熱器（ β≈6000 m2/m3）、斯特林機(jī)的回?zé)崞鳎?β≈15,000 m2/m3）以及人的 肺部（ β≈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(chē)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 19 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)較大的尺寸和重量，因而并不適用于汽車(chē)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（ 12 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（ 24 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，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?chē)臻g的換熱器。 第二章 鍋 爐 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：仍某一 過(guò) 程里 1000 磅 /小 時(shí) （ ）到大型 電 廠超 過(guò) 10106 磅 /小 時(shí) （ 1260kg/s）， 壓 力仍一些加 熱應(yīng) 用的 磅 / in2（ ） 212F（ 100℃ ）到先 進(jìn) 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(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)?輪 機(jī) 聯(lián) 合循 環(huán) （ CC）：先 進(jìn) 的燃?xì)?輪 機(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 （ 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。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， 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)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()， 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。 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。 現(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 ，但煤仌然是今后新的，基本 負(fù) 荷 電 站 鍋 爐的主 要燃料。 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 21 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?。喝院置旱?貧 煤、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) 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。 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)剂嫌汀?為 了有效的燃燒 ， 這 些油必 須 被加 熱 到 120~130℃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(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 NO x 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) 極被破壞 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 NO x”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 為 煤在燃 燒 區(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 NO x 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。 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