【導(dǎo)讀】工程熱力學(xué)基礎(chǔ)熱力學(xué)是一門研究能量儲存、轉(zhuǎn)換及傳遞的科學(xué)。引起）、勢能和化學(xué)能的形式儲存。而且能量在邊界上可以以熱和功的形式進(jìn)行傳遞。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。熱力系統(tǒng)是一包圍在某一封閉邊界內(nèi)的具有固定質(zhì)量的物質(zhì)。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。樣的特定體積稱為控制體。變化時(shí)，則稱系統(tǒng)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。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)。如果某一工質(zhì)為液態(tài)并處于其飽和溫度和飽和壓強(qiáng)下，則稱該液體為飽和液體。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。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℃。

　　

【正文】 的 過熱 曲 線 。 輻 射和 對 流式 過熱 器的 設(shè)計(jì) 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(zhì) 量流量。 這 種 設(shè) 置是在允 許壓 降的范 圍 內(nèi) 對 管子內(nèi)部 進(jìn) 行充分的冷卻。 質(zhì) 量流量的 選擇 取決于蒸汽的 壓 力和溫度， 還 有 過熱 器的 熱負(fù)荷。此外，高速下的高 壓損 會改善蒸汽 側(cè) 流 場 分布。 省煤器和空氣 預(yù)熱 器 省煤器和空氣 預(yù)熱 器在提高 鍋 爐 總 的 熱 效率方面 發(fā)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(yù)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(yù)熱 器 則 是加 熱 燃 燒 空氣。 熱 空氣 強(qiáng) 化了多種燃料的燃 燒 ，并保 證 了 穩(wěn) 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(jìn) 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(nèi)流 動 而煙氣在外 側(cè) 反方向（逆流）流 動 。管子 間 盡量 緊 密以 強(qiáng) 化 傳熱 ，同 時(shí) 要求有足 夠 的管子表面清 潔 空 間 和合理的煙氣 側(cè)壓損 。 根據(jù) 設(shè)計(jì) ， 這 些管子內(nèi)一般不會 產(chǎn) 生蒸汽。 最普通、最可靠的省煤器 設(shè)計(jì) 就是光管、 順 列、交叉流省煤器（如 圖 26）。煤燃 燒 后， 飛 灰就會 產(chǎn) 生一種高 污 垢、侵 蝕 的 環(huán) 境。相 對 于如 圖 26 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(jié)合它大重量、大空 間 以及造價(jià) 進(jìn) 行 綜 合 評 估 為 減少投 資 ，大多數(shù) 鍋 爐省煤器 應(yīng) 用了各種 鰭 片以 強(qiáng) 化煙氣 側(cè) 的 傳熱 效率。 鰭 片是廉價(jià)的非承 壓 物件， 它可減少省煤器的 總 尺寸和造價(jià)。然而，成功的 應(yīng) 用 對 于煙氣 環(huán) 境是非常敏感的。表面的清 潔 能力是一關(guān) 鍵 因素。 空氣 預(yù)熱 器 空氣 預(yù)熱 器是利用 經(jīng)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(yù)熱 器的 出口溫度受限于磨煤機(jī)的出口溫度和 調(diào) 溫 風(fēng) 系 統(tǒng) 容量，煙氣出口溫度 則 要考 慮傳熱 表面的 污 染和后面 設(shè)備 的腐 蝕 情況。 在 較 老的 鍋 爐中一般采用管式或板式空 預(yù) 器，體 積 大，很 難 清理，而且壞 損 的 傳熱 表面不易替 換 。 現(xiàn) 代 鍋 爐都采用回 轉(zhuǎn) 式。 回 轉(zhuǎn) 式空氣 預(yù)熱 器的最大特點(diǎn)是 顯 著地 節(jié) 省了空 間 ?；?轉(zhuǎn) 式空 預(yù) 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 到 ，一般被 壓緊 并裝 進(jìn) 置于支撐 結(jié) 極上的 鋼 制 倉 體。 這 些板子的形狀 經(jīng)過優(yōu) 化，具有很高 的 傳熱 效率，同 時(shí) 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(jī) 組 配有兩臺空氣 預(yù)熱 器，每臺直徑 ，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(yīng) 是煙氣 進(jìn) 口 335℃，出口 120℃，空氣 進(jìn) 口 32℃，出口 290℃?？諝?預(yù)熱 器的性能主要表 現(xiàn) 在 傳熱 效率、 壓損 以及空氣 對 煙氣 側(cè) 的泄漏上。 ? 前兩 項(xiàng) 能被理想的表示 為 一 組 無量 綱 數(shù)：雷 諾 數(shù)、普朗特?cái)?shù)和斯坦 頓 數(shù)的關(guān)系。通 過實(shí)驗(yàn) 室 規(guī) 模 試 18 驗(yàn) 可以確立每種空氣 預(yù)熱 器 組 件的關(guān)系式。 這 就可以 進(jìn) 行 優(yōu) 化 設(shè)計(jì) ，估算新開 發(fā) 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。 鍋 爐在 線 吹灰 是否高效的燃 燒 化石燃料來生 產(chǎn)電 力很大程度上取決于蒸汽 產(chǎn) 生 設(shè)備對 煤燃 燒產(chǎn) 物（煤灰）的適 應(yīng) 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(zhì) 大部分用蒸汽而在美國一般用空氣。 能量守恒 ? 由 熱 力學(xué)第一定律，蒸汽 發(fā) 生器系 統(tǒng) 的能量平衡如下所述： 進(jìn) 入系 統(tǒng) 的能量 － 離開系 統(tǒng) 的能量 = 系 統(tǒng) 內(nèi)部能量的 積 累 ? 因 為 蒸汽 發(fā) 生器 應(yīng) 在 穩(wěn)態(tài) 下 檢測 ， 這樣積 累 的能量就 為 0，其方程 為 ： 進(jìn) 入系 統(tǒng) 的能量 = 離開系 統(tǒng) 的能量 進(jìn) 入系 統(tǒng) 的能量就是 進(jìn) 入系 統(tǒng) 的 質(zhì) 量流所攜 帶 的能量，以及 輔 助 設(shè)備 的 驅(qū)動 能量。離開系 統(tǒng) 的能量就是離開系 統(tǒng) 的 質(zhì) 量流所攜 帶 的能量，以及通 過 蒸汽 發(fā) 生器表面 傳遞給環(huán) 境的能量。 ? 效率 為輸 出能量和 輸 入能量的比 值 ，以百分?jǐn)?shù)的形式表示： 當(dāng) 輸 入能量定 義為 燃料 釋 放的所有能量 時(shí) ，所得的效率通常稱 為 燃料效率 效率 能量平衡法（反平衡法） ? 在能量平衡法中，采用能量 損 失和外來 熱 量來 計(jì) 算效率。能量平衡法是確定效率的首 選 方法。因 為 測 量 誤 差 僅 影響著各 項(xiàng) 損 失而不影響 總 能量，所以它一般情況下比 輸 入－ 輸 出法更精確。例如：如 總損失占 總輸 入能量的 10%， 則 1%的 測 量 誤 差 僅 會 導(dǎo) 致 %的效率 誤 差，而在 測 量燃料流量中 1%的誤 差將會 導(dǎo) 致效率的 1%的 誤 差。 能量平衡法的另一個 優(yōu) 點(diǎn)就是可以確 認(rèn) 兩次效率 測試結(jié) 果不同的原因，另外， 對 于 諸 如燃料分析數(shù)據(jù)等 試驗(yàn) 條件的 變 化， 該 方法可以容易的將效率修正到基準(zhǔn)工況或保 證 工況。 效率 輸 入 輸 出法（正平衡法） 根據(jù) 輸 入－ 輸 出法 計(jì) 算的效率是基于 測 定燃料量和 計(jì) 算 輸 出能量所必需的 鍋 爐汽水 側(cè) 參數(shù)。 該 方法 計(jì) 算 的效率 的不確定度直接與燃料 測 量、 樣 本燃料分析和 鍋 爐 輸 出能量求取等的不確定度成正比。所以，要 獲 得可靠的 結(jié) 果，在精確 測 量上述各 項(xiàng)時(shí) 必 須 格外 謹(jǐn) 慎。 第三章蒸汽輪機(jī) 引言 蒸汽 輪 機(jī)是最重要的 渦輪發(fā)動 機(jī)之一，是 發(fā)電領(lǐng) 域的主要原 動 機(jī)。本文 簡單討論 了作 為 蒸汽 輪 機(jī) 發(fā)電 廠部件之一的蒸汽 輪 機(jī)的作用。 對 于一個 簡單 的蒸汽 輪 機(jī) 發(fā)電 廠，第一個部件就是把蒸汽提高到汽 輪 機(jī)所需 壓 力和溫度的蒸汽 鍋爐。蒸汽 鍋 爐接受 經(jīng)過 不同回 熱 和 熱 回收裝置提高了溫度的 給 水。在大多數(shù) 電 廠中，采用了 過熱 蒸汽；大型 電 廠中，蒸汽在汽 輪 機(jī)的一些 級 中膨 脹 后， 要 經(jīng)過 一次或兩次再 熱 。 過熱 蒸汽 經(jīng)過調(diào)節(jié)閥進(jìn) 入蒸汽 輪 機(jī)。蒸汽 輪 機(jī) 總 是多 級 汽 輪 機(jī)，根據(jù)汽 輪 機(jī)容量的大小采用一個或多個缸。 在汽 輪 機(jī)中膨 脹 后的蒸汽在凝汽器中以低 壓 凝 結(jié) （ 到 MPa）。凝 結(jié) 水以及抽汽用 泵 打入 鍋 爐。 19 蒸汽輪機(jī)的類型 蒸汽 輪 機(jī)可用以下方式分 為許 多 類 型。 根據(jù)流向 ? 軸 向 ? 徑向 根據(jù)膨脹過程 ? 沖 動 式 ? 反 動 式 ? 沖 動 反 動 混合式 根據(jù)級的個數(shù) ? 單級 ? 多 級 根據(jù)汽輪機(jī)入口結(jié)構(gòu) ? 全周 進(jìn) 汽 ? 部分 進(jìn) 汽 根據(jù)汽流個數(shù) ? 單 流 ? 雙流 ? 單軸 或雙 軸 根據(jù)轉(zhuǎn)速 ? N=3000rpm, f=50Hz ? N=3600rpm, f=60Hz ? N=1500rpm ? 變 速機(jī) 組 根據(jù)應(yīng)用 ? 發(fā)電 ? 工廠用 ? 船用 根據(jù)蒸汽參數(shù) ? 低 壓 汽 輪 機(jī)，采用 壓 力 為 到 MPa 的蒸汽 。 ? 中 壓 汽 輪 機(jī)，蒸汽 壓 力達(dá)到 MPa； ? 高 壓 汽 輪 機(jī)，采用 壓 力 為 到 MPa 或更高 壓 力，溫度 為 535℃或更高溫度的蒸汽； ? 超 臨 界 壓 力汽 輪 機(jī)，采用蒸汽 壓 力 為 MPa 或大于此 壓 力。 沖動式 汽輪機(jī) 沖 動 式汽 輪 機(jī)是指在 轉(zhuǎn) 子中沒有流體靜 壓頭 改 變 的汽 輪 機(jī)。 轉(zhuǎn) 子葉片 僅僅 引起能量的 傳遞 而沒有仸何能量的 轉(zhuǎn)變 。由 壓 能 轉(zhuǎn)變?yōu)閯?能或 動 能 轉(zhuǎn)變?yōu)閴?能的能量 轉(zhuǎn)換僅僅發(fā) 生在靜葉片中。如在沖 動 式汽 輪機(jī)中，高速流體的 動 能 傳遞 到 轉(zhuǎn) 子上 僅僅 由于作用在 轉(zhuǎn) 子上的流體沖 動 力。 圖 31 給 出了典型的沖 動級速度三角形 圖 。 動 葉出口蒸汽的相 對 速度 (W2)小于 動 葉入口的相 對 速度 (W1)。 這 表示了在 動 葉中 發(fā) 生了動 能向機(jī)械功的 轉(zhuǎn) 化。由于在沖 動 式汽 輪 機(jī)中 轉(zhuǎn) 子葉片通道不會引起流體的仸何加速，在葉片表面由于附面 層 的增加引起流體分離的機(jī)率要大一些。由 此，沖 動 式汽 輪 機(jī)中 轉(zhuǎn) 子葉片通道的 損 失 較 大， 導(dǎo) 致了較 低的 級 效率。 20 w2 C2 C1 w2 u C2 C1 w w1 1 圖 .31 沖 動級 速度三角形 圖 圖 .32 反 動級 速度三角形 圖 U=動 葉 輪 周速度 , m/s c1 =動 葉入口蒸汽的 絕對 速度 , m/s C2 =動 葉出口蒸汽 絕對 速度 , m/s w1 =動 葉入口蒸汽的相 對 速度 , m/s w2 =動 葉出口蒸汽相 對 速度 , m/s 反動式汽輪機(jī)渦輪 機(jī)械 級 的反 動 度定 義為轉(zhuǎn) 子中 發(fā) 生的 壓頭 改 變 與整 級 的全部壓頭 改 變 之比。 在 轉(zhuǎn) 子葉片通道和靜子葉片通道都有 壓頭 改 變 的 渦輪 機(jī)或 級 稱作 為 反 動 式 渦輪 機(jī)或反 動級 。其中，在靜葉和 動 葉中都有能量的 轉(zhuǎn)換 。 轉(zhuǎn) 子上既有能量 傳遞 又有能量 轉(zhuǎn)變 。因此在反 動 式汽 輪 機(jī)中，由于流體的 連續(xù) 加速及 較 低的 損 失，它的效率 應(yīng) 當(dāng)高一些。 反 動 度 為 50%或一半的 渦輪 機(jī)有一些特殊的特點(diǎn)。反 動 度 為 50%的 軸 流式 渦輪 機(jī)和 壓縮 機(jī) 轉(zhuǎn) 子和靜子上的葉片 對 稱。 對 于反 動 度 為 50%的 級 ，可看出它的出口和入 口速度三角形也是 對 稱的。 圖 32 給 出了典型的反 動級 的速度三角形。 動 葉出口的蒸汽相 對 速度 (W2)大于 動 葉入口的蒸汽相 對 速度 (W1)：這 是由于 動 葉的 焓 降 導(dǎo) 致通 過動 葉的速度增加。 多級汽輪機(jī) 后面可以看到，當(dāng) 轉(zhuǎn) 速 給 定 時(shí) ，在 渦輪 機(jī)械的一 級 中，流體能量水平的改 變 是有限的。 這對 于 渦輪機(jī)、 壓縮 機(jī)、 泵 和吹灰器是一 樣 的。因此，在能量水平改 變 很大的 應(yīng) 用中，采用了多 級 。 在多 級 汽 輪 機(jī)中，可 僅 采用沖 動級 或采用反 動級 或沖 動級 和反 動