【正文】 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，并且在運行中可以改 變 煤種。運行中的床溫很低，只有 427℃ (800℉)，在 這 個溫度下的 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。 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(fā) 生在流化床中，典型的是循 環(huán) 流化床。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(yōu)質(zhì) 燃料將會重新得到大量 應(yīng) 用。 因 為 煤在燃 燒 區(qū)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 NO x 的減少必 須 依靠 鍋 爐和燃 燒 器的 設(shè)計 來完成。當(dāng)煤 進(jìn) 入爐膛其化學(xué) 結(jié) 極被破壞 時 ，一些煤中的化合氮就作 為揮發(fā) 分被 釋 放出來。作 為 整個 燃 燒 系 統(tǒng)設(shè)計 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。 實際 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 很好的粉碎，然后由空氣流（一次 風(fēng) ）送入燃 燒 器。目前油燃 燒過 量空氣系數(shù)運行水平 為 2%。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 量空氣 系數(shù)下減少碳排放。酸性污 染 問題 是由石油中的硫 產(chǎn) 生的，硫分的含量有 時 可高達(dá) 3%。一般地，燃油都是粘度在 3500 sec 到 6500sec 的殘渣燃料油。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(shù) 得到了很大程度的提高。 這 套系 統(tǒng) 目的在于確定煤的商 業(yè) 使用價 值 ，并提供關(guān)于煤燃 燒 特性的基本信息。 現(xiàn) 在美國 應(yīng) 用的煤分 類標(biāo) 準(zhǔn)是由美國材料 試驗 學(xué)會（ ASTM）建立的。 這 表 現(xiàn)為 煤化程度的大小：仍褐煤到 貧 煤、煙煤以及無煙煤。中國煤的性 質(zhì) 如表 21 所示。 雖 然天然氣和燃油也 許 是未來化石燃料 電 廠的燃料 選擇 ，但煤仌然是今后新的，基本 負(fù) 荷 電 站 鍋 爐的主 要燃料。 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。然而，在 過 去的幾十年里，至少在 發(fā)電領(lǐng) 域核能開始扮演一個主要角色。 為 充分利用更高的蒸汽參數(shù)和 獲 得 經(jīng)濟(jì) 容量，在接下來的 15 年，機(jī) 組 容量又增加了 20 倍。四十年代后期，隨著 鍋 爐可用性的提高 ， 鍋 爐和汽機(jī)開始可 以相互配套使用。 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 的， 鍋 爐提供蒸汽到母管然后到汽機(jī)。 這 是 經(jīng)過 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 流 過熱 器和 熱 回收表面的基本概念并保留至今。 太陽能蒸汽 發(fā) 生器：利用集 熱 器收集太陽 輻 射 熱產(chǎn) 生蒸汽。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 燃?xì)? 輪 機(jī)做功。 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。 各種附加的系 統(tǒng) 也 產(chǎn) 生蒸汽用于 發(fā)電 及其他 過 程 應(yīng) 用。它 們經(jīng)過優(yōu) 化 設(shè)計 ，可達(dá)到最高的 熱 效率。 這 些包括最 終 用途、燃 燒 方式、運行 壓 力、燃料和循 環(huán) 方式。蒸汽流量和運行參數(shù)的 變 化很 大：仍某一 過 程里 1000 磅 /小 時 （ ）到大型 電 廠超 過 10106 磅 /小 時 （ 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℃ ）。其中主要是 發(fā)電 和工 業(yè) 供 熱 ?？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。例如，冷凝器是流體流經(jīng)它時會 發(fā)生冷卻凝 結(jié)的一種換熱器。轉(zhuǎn)筒作為熱量從熱流體傳遞到 冷流體的媒介。因此，基體充當(dāng)了臨時儲熱介 質(zhì)的作用。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)。該類型換熱器非常適用于液 －液式換熱場合，但需要冷、熱液流的壓強(qiáng)大致相等。冷、熱流體在間隔的每個通道中流動，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。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）。 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。雖然管殼式換熱器應(yīng)用廣泛，但因其相對較大的尺寸和重量，因而并不適用于汽車和航空器 領(lǐng)域。當(dāng)一種流體在管內(nèi)流動，另一種流體在管外流動并穿 過殼體時，就進(jìn)行了熱交換。 工業(yè)應(yīng)用中最常見的換熱器也許是管殼式換熱器，如圖 19 所示。緊湊式 換熱器通常用于氣－氣和氣－液（或液－氣）換熱器，通過增加傳熱面積來抵消氣側(cè)低傳熱系數(shù)所帶來 的影響。緊湊式換熱器能實現(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)格限制的場合。 β＞ 700 m2/m3 的換熱器歸為緊湊式換熱器。 另一類換熱器，被專門設(shè)計成單位體積內(nèi)有很大的換熱面積，稱為緊湊式換熱器。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。此時，值得提醒讀者的是，式 (17)中的這兩個函數(shù)通常并不 是相互獨立的。此外，我們必須考慮這樣一個事實，并非一個表面發(fā)出的所有輻射都可以到達(dá)到另一個表面，因為 電磁輻射是沿直 線傳播的，將有部分能量散失到周圍環(huán)境中。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。兩個表面間的凈輻射換熱量與其絕對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。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。K 4)。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。沸騰和凝結(jié)現(xiàn)象也屬于對流換熱的 范疇。 如果將熱平板置于沒有外部風(fēng)源的房間空氣中，平板附近的密度梯度將造成空氣運動。對某些傳熱過程，可獲得 h 的分析表達(dá)式，而復(fù)雜情形下的傳熱系數(shù)必須通過實驗研究來確定。 9 為描述對流換熱的整體效應(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，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(guān)系。 因此，可以利用式 (13)，以及壁面上的流體導(dǎo)熱系數(shù)和溫度梯度來計算傳熱量。速度分布如圖所示，受黏性作用， 平板上的速度減小為零?，F(xiàn)在，我們來簡要 描述對流換熱的物理機(jī)理，并且說明它和傳導(dǎo)過程的聯(lián)系。對流這個術(shù)語給讀者提供了有關(guān)傳熱過程 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)到對某一問題進(jìn)行充分的分析和處理。 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(zhuǎn)動的風(fēng)扇前的熱金屬板會更快地冷卻。式 (13)稱為傅立葉導(dǎo)熱定律， 以法國數(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)。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) ?稱為材料的導(dǎo)熱系數(shù)。 熱傳導(dǎo) 當(dāng)物體內(nèi)部存在溫度梯度時，經(jīng)驗表明，就有能量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞。傳熱學(xué)提供了可用于計算傳熱速率的實驗關(guān)聯(lián)式，從而 對熱力學(xué)第一定律和第二定律進(jìn)行補(bǔ)充。事實上， 傳熱速率正是一個分析所期望的目標(biāo)，它指明了傳熱學(xué)和熱力學(xué)間的差別。熱力學(xué)中將這種方式傳遞的能量定義 為熱量?？蓧嚎s流動包括 高速飛行器周圍的氣體流動，通過噴氣式發(fā)動機(jī)的氣體流動，電站中通過汽輪機(jī)的蒸汽流動，壓縮機(jī)中 的氣體流動以及內(nèi)燃機(jī)中空氣和燃?xì)饣旌衔锏牧鲃?。如? M＞ ，密度的變化將影響流動，則必須考慮流體壓縮性帶來的影響，這樣的流動就是 可壓縮流動。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 ?? ??RT?。密度發(fā)生變化的不可壓縮流動的例子有大氣流動， ?=?(z)， z 為垂直方向的坐標(biāo)， 以及江河流入海洋時淡水與鹽水相鄰的分層流動。這并 不要求各處的密度值均相等。在大多數(shù)工程應(yīng)用中， 通常假設(shè)壁面為粗糙壁面，或者自由來流的脈動 水平較高時，相應(yīng)的臨界雷諾數(shù)約為 3105。在某一特定的 xT 下， Re 變?yōu)? Recrit，流動從層流過渡到紊流。 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。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(shù)可能增大，曾經(jīng)實測到 40 000 以上的臨界值。通過定義臨界雷諾數(shù) Recrit，可更加精確地進(jìn)行表述，當(dāng) ReRe crit，流動為層流。例如，在管道流中， L 為管徑， V 為平均速度。 上述三個參數(shù)可以整理成一個參數(shù)，用于預(yù)測流動狀態(tài)。第二個參數(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。第一個參數(shù)是流場的特征長度，如邊界層厚度或管道直徑。注意，紊流從相對較小的流量下開始發(fā)展而成。層流和紊流可用一個水龍頭進(jìn)行簡單實驗來觀察其流動狀態(tài)。在這個意義上，可定義 “定常 ”紊流：即時均值不隨時間變化的紊流。層流可以是高度非定常的，也可以是定常的。如果在流動中注入染料，除了分子運動的影響外，流體質(zhì)點不與周圍流體混合，并將在相當(dāng)長的一段 時間內(nèi)保持其狀態(tài)。 層流和紊流 黏性流動可分為層流和紊流。在這些流動中，黏性作 用造成相當(dāng)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。管道系統(tǒng)中收縮 段的流動，以及內(nèi)部流動中黏性影響均可忽略不計的小段區(qū)域都可簡化成 非黏性流動。對于許多流動情形，邊界層非常薄，當(dāng)研究繞流線型流動的總體特征時，可以忽略邊界 層的影響。任何可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 17 所示。 根據(jù)經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)可以用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。然后問題變?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？答案是： “存在，只要流動中的切向應(yīng)力很小，而且其作用范 圍小到不會顯著影響流場就可以 ”。 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。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。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 個概念對不具有時間相關(guān)性行為的流體非常有用。 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。用 τ=μdu/dy 這個簡單的關(guān)系式來描述 牛頓流體的特性。 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)系曲線為過坐標(biāo)圓點的直線的流體。例如：管內(nèi)的高速流動和溪水的流動。有許多流體力學(xué)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(shù)在整個區(qū)域內(nèi)均為常數(shù)。 對于完全發(fā)展的流動，其速度輪廓線并不隨流動方向上的空間坐標(biāo)而改變。平行平板間的速度也只與 y 坐標(biāo)有關(guān)，即 u=u(y)。這類流動常發(fā)生在長直管內(nèi)和平行平板間。平面流動即是如此，速度矢量只依賴于 x， y 兩個空間坐標(biāo)，而與 z 坐標(biāo)無關(guān)（如， V=V(x, y)）。例如，對于一個很寬的大壩，受壩兩端條件的影響，水流經(jīng)大 壩時的流動為三維流動；但遠(yuǎn)離壩端的中間部分的流動可看作是二維的。即使假設(shè)流動為定常的（如， V=V(x, y, z)），該流動仍為三維流動。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(biāo)。對于一般的非定常流動，根據(jù)大量質(zhì)點的短跡線相片可以推斷出流線的形狀。 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。一定曝光時間下可以拍得發(fā)亮粒子的運動跡線。 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。在直角笛卡兒坐標(biāo)系中，速度表示為 V=V(x, y, z, 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。然而，由于實 際流體包