熱能工程基礎(chǔ)

本書構(gòu)建了一個(gè)新的視角來闡述鍋爐原理和設(shè)備，即以燃料燃燒特性、燃燒設(shè)備特點(diǎn)、受熱面布置、熱力計(jì)算、煙風(fēng)計(jì)算、鍋內(nèi)安全、鍋爐應(yīng)用為坐標(biāo)橫軸，以電站、工業(yè)、燃煤、燃油、燃?xì)?、大中小型鍋爐等為坐標(biāo)縱軸，橫縱交叉系統(tǒng)，全面介紹鍋爐的構(gòu)成和設(shè)計(jì)原則。本書主要介紹了煤粉鍋爐、層燃鍋爐、循環(huán)流化床鍋爐、WNS燃油燃?xì)忮仩t，同時(shí)也介紹了余熱鍋爐、有機(jī)熱載體爐和熱風(fēng)爐等。還以專題的形式，為讀者呈現(xiàn)了關(guān)于鍋爐應(yīng)用、運(yùn)行、安全等方面的內(nèi)容。每一章后均附有思考題和習(xí)題，便于教學(xué)中掌握要點(diǎn)，也便于讀者自學(xué)。當(dāng)然，這種嘗試也存在一些不足，例如同一部分內(nèi)容過多，甚至變得有些凌亂，有些描述也不夠嚴(yán)謹(jǐn)。此外，限于篇幅，有些內(nèi)容介紹不夠系統(tǒng)，等等，還請(qǐng)讀者見諒。

第1章鍋爐與能源利用

1.1能源及其消耗現(xiàn)狀

1.1.1全球化石能源的儲(chǔ)量

1.1.2化石能源消耗狀況

1.1.3我國(guó)面臨的能源挑戰(zhàn)

1.2鍋爐發(fā)展簡(jiǎn)史

1.2.1早期鍋爐

1.2.2現(xiàn)代鍋爐

1.2.3我國(guó)鍋爐發(fā)展歷程

1.3鍋爐的分類與系列

1.3.1鍋爐的分類

1.3.2鍋爐的系列和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

1.4鍋爐的典型應(yīng)用

1.4.1民用供熱

1.4.2工業(yè)供熱

1.4.3熱力發(fā)電

1.5閱讀本書可能的收獲

思考題和習(xí)題

參考文獻(xiàn)

第2章燃料與燃燒

2.1燃料

2.1.1氣體燃料

2.1.2液體燃料

2.1.3固體燃料

2.1.4燃料的成分

2.2燃料的成分分析基礎(chǔ)和換算

2.2.1燃料的成分分析基礎(chǔ)

2.2.2煤的工業(yè)分析

2.2.3成分基礎(chǔ)換算

2.2.4發(fā)熱量及其換算

2.3燃料燃燒的空氣量

2.3.1燃料燃燒的理論空氣量

2.3.2燃料燃燒的實(shí)際空氣量

2.4燃料燃燒的產(chǎn)物

2.4.1燃燒產(chǎn)物的理論體積

2.4.2燃燒產(chǎn)物的實(shí)際體積

2.4.3煙氣成分與過量空氣系數(shù)測(cè)試

2.5焓溫表

2.5.1燃燒產(chǎn)物的焓

2.5.2焓溫表編制

本章結(jié)語

思考題和習(xí)題

參考文獻(xiàn)

第3章燃料燃燒與設(shè)備

3.1燃燒過程的化學(xué)反應(yīng)原理

3.1.1燃燒化學(xué)反應(yīng)速率

3.1.2燃燒形式的分類

3.2流體燃料燃燒

3.2.1氣體燃料燃燒原理

3.2.2氣體燃料的燃燒設(shè)備

3.2.3液體燃料燃燒原理

3.2.4液體燃料的燃燒設(shè)備

3.3固體燃料燃燒

3.3.1固體燃料燃燒氣體動(dòng)力學(xué)分類

3.3.2固體燃料燃燒機(jī)理

3.4火室燃燒及設(shè)備

3.4.1煤粉的制備及系統(tǒng)

3.4.2煤粉在燃燒設(shè)備中燃燒

3.4.3煤粉燃燒器

3.5層燃設(shè)備

3.5.1爐排

3.5.2爐拱和二次風(fēng)

3.5.3燃料特性對(duì)層燃的影響

3.6循環(huán)流化床燃燒設(shè)備

3.6.1循環(huán)流化床的發(fā)展與特點(diǎn)

3.6.2循環(huán)流化床基本原理

3.6.3循環(huán)流化床內(nèi)物料流動(dòng)

3.6.4循環(huán)流化床燃燒

專題1廢棄物的燃燒原理與設(shè)備

本章結(jié)語

思考題和習(xí)題

參考文獻(xiàn)

第4章鍋爐燃燒部件與受熱面布置

4.1鍋爐及其系統(tǒng)的主要部件概述

4.1.1鍋爐本體主要部件

4.1.2鍋爐輔助裝置

4.2鍋爐受熱面整體布置

4.2.1鍋爐受熱面布置的要求

4.2.2煙氣側(cè)流程

4.2.3工質(zhì)側(cè)流程

4.2.4蒸汽參數(shù)影響鍋爐循環(huán)方式及受熱面布置

4.2.5鍋爐熱力系統(tǒng)的選擇

4.3燃燒方式選擇與燃燒設(shè)備布置

4.3.1煤粉爐總體布局及燃燒設(shè)備布置

4.3.2層燃鍋爐整體布置與燃燒設(shè)備布置

4.3.3循環(huán)流化床鍋爐的燃燒設(shè)備

4.3.4油氣鍋爐設(shè)備與布置

4.4受熱面的結(jié)構(gòu)和布置

4.4.1水冷壁

4.4.2鍋爐管束和凝渣管

4.4.3過熱器

4.4.4再熱器

專題2過熱器和再熱器汽溫的調(diào)節(jié)

4.4.5省煤器

4.4.6空氣預(yù)熱器

專題3受熱面磨損與腐蝕的工藝考慮

本章結(jié)語

思考題和習(xí)題

參考文獻(xiàn)

第5章鍋爐設(shè)計(jì)與熱力計(jì)算

5.1鍋爐熱平衡

5.1.1正平衡效率

5.1.2反平衡效率

5.1.3鍋爐效率估算

5.1.4鍋爐熱效率限定值

5.2室燃爐爐膛結(jié)構(gòu)與傳熱計(jì)算

5.2.1爐膛容積熱負(fù)荷和截面熱負(fù)荷

5.2.2煤粉爐爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.2.3煤粉爐爐膛傳熱計(jì)算

5.2.4爐內(nèi)傳熱相似理論解法

5.2.5燃油、氣鍋爐的爐膛結(jié)構(gòu)與傳熱計(jì)算

專題4鍋爐設(shè)計(jì)的一些系數(shù)的選取和計(jì)算

5.3層燃爐爐膛結(jié)構(gòu)與傳熱計(jì)算

5.3.1層燃爐的爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.3.2層燃爐爐膛傳熱計(jì)算

5.4循環(huán)床爐膛結(jié)構(gòu)與傳熱計(jì)算

5.4.1循環(huán)床爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.4.2循環(huán)床爐膛傳熱計(jì)算

專題5爐膛出口煙溫

5.5對(duì)流受熱面的設(shè)計(jì)與傳熱計(jì)算

5.5.1對(duì)流受熱面的結(jié)構(gòu)

5.5.2基本傳熱方程

5.5.3換熱系數(shù)的計(jì)算

5.6鍋爐設(shè)計(jì)和熱力計(jì)算的基本步驟

5.6.1設(shè)計(jì)計(jì)算與校核計(jì)算

5.6.2熱力計(jì)算的基本步驟

專題6煤粉鍋爐燃燒調(diào)整

本章結(jié)語

思考題和習(xí)題

參考文獻(xiàn)

第6章鍋爐煙風(fēng)阻力計(jì)算與風(fēng)機(jī)選用

6.1概述

6.1.1煙風(fēng)阻力計(jì)算的目的

6.1.2煙風(fēng)阻力計(jì)算的原則和方法

6.2鍋爐煙風(fēng)道的流阻計(jì)算

6.2.1沿程摩擦阻力

6.2.2局部流阻計(jì)算

6.3鍋爐受熱面的流阻計(jì)算

6.3.1氣流橫向沖刷光管管束

6.3.2管式空氣預(yù)熱器的阻力計(jì)算

6.3.3回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器的阻力計(jì)算

6.4自生通風(fēng)力計(jì)算

6.5風(fēng)機(jī)的選擇與調(diào)節(jié)

6.5.1風(fēng)機(jī)的選擇

6.5.2風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)

專題7爐膛外爆與內(nèi)爆

本章結(jié)語

思考題和習(xí)題

參考文獻(xiàn)

第7章鍋內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)、傳熱與安全

7.1鍋爐水循環(huán)的方式

7.1.1自然循環(huán)

7.1.2強(qiáng)制循環(huán)

7.1.3直流型式

7.1.4復(fù)合循環(huán)

7.2自然循環(huán)回路內(nèi)的水循環(huán)及計(jì)算

7.2.1自然循環(huán)回路

7.2.2自然循環(huán)的水循環(huán)計(jì)算

7.3自然循環(huán)鍋爐蒸汽品質(zhì)的凈化

7.3.1蒸汽中雜質(zhì)的來源及危害

7.3.2排污及鍋水品質(zhì)

7.3.3蒸汽凈化的措施

專題8鍋筒內(nèi)的水位與安全

7.4鍋內(nèi)工質(zhì)的傳熱

7.4.1流動(dòng)的流型

7.4.2鍋內(nèi)傳熱

7.5流動(dòng)、傳熱安全問題及其對(duì)策

7.5.1流動(dòng)過程安全問題及對(duì)策

7.5.2傳熱過程的安全及對(duì)策

本章結(jié)語

思考題和習(xí)題

參考文獻(xiàn)

第8章其他類型鍋爐和應(yīng)用

8.1余熱鍋爐

8.1.1余熱利用

8.1.2余熱鍋爐應(yīng)用案例

8.1.3余熱鍋爐設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)

8.2有機(jī)熱載體爐

8.2.1有機(jī)熱載體爐發(fā)展簡(jiǎn)述

8.2.2有機(jī)熱載體爐的基本原理及分類

8.2.3有機(jī)熱載體爐的結(jié)構(gòu)

8.2.4有機(jī)熱載體爐的工作系統(tǒng)

8.3熱風(fēng)爐

8.3.1熱風(fēng)爐分類

8.3.2熱風(fēng)爐的特性

8.3.3幾種熱風(fēng)爐介紹

結(jié)語：鍋爐的發(fā)展趨勢(shì)

思考題和習(xí)題

參考文獻(xiàn)

附錄A鍋爐熱力計(jì)算的軟件實(shí)現(xiàn)

A.1計(jì)算機(jī)算法的基本方法和步驟

A.2傳統(tǒng)計(jì)算使用的圖表的處理

A.3工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算軟件BBDCs

A.4熱力計(jì)算程序

A.4.1熱力計(jì)算基本方法

A.4.2軟件使用基本過程

A.4.3項(xiàng)目參數(shù)設(shè)置

A.4.4燃料參數(shù)設(shè)置

A.4.5熱平衡參數(shù)設(shè)置

A.4.6鍋爐模型構(gòu)造

A.4.7輸入部件數(shù)據(jù)

A.4.8進(jìn)行熱力計(jì)算

A.4.9查看初步計(jì)算書

A.4.10煙氣焓溫特性表

A.4.11計(jì)算結(jié)果匯總表

A.4.12輸出正式計(jì)算書

A.5計(jì)算過程軟件實(shí)現(xiàn)方法

A.5.1鍋爐模型構(gòu)造

A.5.2部件參數(shù)輸入

A.5.3參數(shù)設(shè)置

A.5.4部件的計(jì)算

A.5.5部件參數(shù)輸出

A.5.6文件存儲(chǔ)

A.5.7圖表處理和Excel導(dǎo)出

A.6熱力計(jì)算框圖匯總

A.6.1熱力計(jì)算總框圖(圖A.18)

A.6.2燃料計(jì)算總框圖(圖A.19)

A.6.3熱平衡計(jì)算總框圖(圖A.20)

A.6.4爐膛熱力計(jì)算框圖(圖A.21)

A.6.5對(duì)流受熱面熱力計(jì)算框圖(圖A.22)

A.6.6空預(yù)器熱力計(jì)算框圖(圖A.23)

A.7130t/h煤粉爐計(jì)算示例

A.8習(xí)題

參考文獻(xiàn)

附錄B思考題和習(xí)題參考答案要點(diǎn)

后記2100433B

本書基于課堂教學(xué)和工程實(shí)踐，介紹了熱能工程領(lǐng)域鍋爐的基本構(gòu)成和設(shè)計(jì)原則，包括燃燒設(shè)備、鍋爐部件、熱力計(jì)算、煙風(fēng)阻力計(jì)算、鍋內(nèi)過程與安全、鍋爐應(yīng)用等方面的基礎(chǔ)知識(shí)以及一些概念的詮釋。為讀者提供了一個(gè)系統(tǒng)的關(guān)于鍋爐的歷史、發(fā)展、基本原理、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等方面的認(rèn)識(shí)。每一章后均附有思考題和習(xí)題，書后附有參考答案，便于教學(xué)中掌握要點(diǎn)和讀者自學(xué)，從而更好地了解鍋爐原理、設(shè)計(jì)、運(yùn)行和應(yīng)用等。

本書可作為高等學(xué)校能源動(dòng)力類專業(yè)高年級(jí)本科生的教材，也可供能源利用等領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)工程技術(shù)人員參考。

進(jìn)入21世紀(jì)，人類對(duì)能源的需求和利用已經(jīng)達(dá)到一個(gè)新的階段，人們?nèi)粘５囊率匙⌒幸约皣?guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)都已離不開由化石能源轉(zhuǎn)化而成的蒸汽、熱水等熱能的綜合利用。

為了適應(yīng)寬口徑教學(xué)的需求，兼顧從熱能設(shè)備基本原理到工程應(yīng)用的過渡，本書系統(tǒng)整合了鍋爐原理、燃料與燃燒概論、燃燒理論與燃燒設(shè)備、爐內(nèi)傳熱、鍋爐設(shè)備水動(dòng)力學(xué)等課程內(nèi)容，為讀者提供一個(gè)系統(tǒng)的關(guān)于鍋爐的歷史、發(fā)展、基本原理、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等方面的基本認(rèn)識(shí)，擴(kuò)展讀者的知識(shí)面。

本書構(gòu)建了一個(gè)新的視角來闡述鍋爐原理和設(shè)備，即以燃料燃燒特性、燃燒設(shè)備特點(diǎn)、受熱面布置、熱力計(jì)算、煙風(fēng)計(jì)算、鍋內(nèi)安全、鍋爐應(yīng)用為坐標(biāo)橫軸，以電站、工業(yè)、燃煤、燃油、燃?xì)?、大中小型鍋爐等為坐標(biāo)縱軸，橫縱交叉系統(tǒng)，全面介紹鍋爐的構(gòu)成和設(shè)計(jì)原則。本書主要介紹了煤粉鍋爐、層燃鍋爐、循環(huán)流化床鍋爐、WNS燃油燃?xì)忮仩t，同時(shí)也介紹了余熱鍋爐、有機(jī)熱載體爐和熱風(fēng)爐等。還以專題的形式，為讀者呈現(xiàn)了關(guān)于鍋爐應(yīng)用、運(yùn)行、安全等方面的內(nèi)容。每一章后均附有思考題和習(xí)題，便于教學(xué)中掌握要點(diǎn)，也便于讀者自學(xué)。當(dāng)然，這種嘗試也存在一些不足，例如同一部分內(nèi)容過多，甚至變得有些凌亂，有些描述也不夠嚴(yán)謹(jǐn)。此外，限于篇幅，有些內(nèi)容介紹不夠系統(tǒng)，等等，還請(qǐng)讀者見諒。

本書由清華大學(xué)李清海和張衍國(guó)等編寫，李清海編寫了第2章、第3章、第6章、第7章、第8章第1~3節(jié)、附錄A和附錄B，張衍國(guó)編寫了第1章、第4章、第5章以及第8章鍋爐發(fā)展趨勢(shì)部分，杭州伯勒計(jì)算機(jī)技術(shù)有限公司侯士杰參與編寫了附錄A，向杰參與了校稿，全書由李清海統(tǒng)稿。

在本書編寫過程中，得到了清華大學(xué)熱能系佟會(huì)玲、楊瑞昌、呂俊復(fù)等老師的大力支持，在此向他們表示由衷的感謝。本書引用了一些書籍中的圖、表等，在文中均注明了引用來源，也引用了一些鍋爐廠或其他公司近期產(chǎn)品的圖紙和資料，在此謹(jǐn)致以誠摯的謝意。本書還獲得了“清華大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目”資助。

根據(jù)作者的專業(yè)實(shí)踐，本書融入了作者的一些經(jīng)驗(yàn)和見解。限于作者水平，書中難免有粗疏錯(cuò)漏之處，懇請(qǐng)讀者不吝指正。

編者2016年12月于清華園

人體的熱能來源于每天所吃的食物，但食物中不是所有營(yíng)養(yǎng)素都能產(chǎn)生熱能的，只有碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)這三大營(yíng)養(yǎng)素會(huì)產(chǎn)生熱能。

人體每時(shí)每刻都在消耗能量，這些能量是由所攝取食物的化學(xué)能轉(zhuǎn)變而來的。食物中能產(chǎn)生能量的營(yíng)養(yǎng)素是蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化物，它們經(jīng)過氧化產(chǎn)生能量，供給機(jī)體維持生命、生長(zhǎng)發(fā)育、從事各種活動(dòng)的需要。

機(jī)體攝入和消耗的能量通常用熱量單位“卡”或“千卡”表示。營(yíng)養(yǎng)學(xué)上一般多采用“千卡”。

供給熱能的營(yíng)養(yǎng)素在膳食中所占的比例，可因在機(jī)體中的作用、飲食習(xí)慣和各地食品的種類而不同。一般情況下，人們膳食中大約總熱量的60~70%來自碳水化物，16~25%來自脂肪，10~14%來自蛋白質(zhì)。

熱能產(chǎn)生

每克碳水化合物在體內(nèi)氧化時(shí)產(chǎn)生的熱能為16.74千焦耳（4千卡），脂肪每克為37.66千焦耳（9千卡），蛋白質(zhì)每克為16.74千焦耳（4千卡） 。

熱能單位換算

熱能的單位常指能使1升水升高1攝氏度所需的熱量，就相當(dāng)于4.184千焦耳的熱能。單位換算如下： 1千卡=4.184千焦耳， 1千焦耳=0.239千卡。

地?zé)崮苁莵碜缘厍蛏钐幍目稍偕鸁崮堋Ｋ鹪从诘厍虻娜廴趲r漿和放射性物質(zhì)的衰變。地下水的深處循環(huán)和來自極深處的巖漿侵入到地殼后，把熱量從地下深處帶至近表層。在有些地方，熱能隨自然涌出的熱蒸汽和水而到達(dá)地面，自史前起它們就已被用于洗浴和蒸煮。通過鉆井，這些熱能可以從地下的儲(chǔ)層引入水池、房間、溫室和發(fā)電站。

地?zé)崮軆?chǔ)量比人們所利用的總量多很多倍，而且集中分布在構(gòu)造板塊邊緣一帶，該區(qū)域也是火山和地震多發(fā)區(qū)。如果熱量提取的速度不超過補(bǔ)充的速度，那么地?zé)崮鼙闶强稍偕?。高壓的過熱水或蒸汽的用途最大，但它們主要存在于干熱巖層中，可以通過鉆井將它們引出。

地?zé)崮艿睦米怨艜r(shí)候起人們就已將低溫地?zé)豳Y源用于浴池和空間供熱，近來還應(yīng)用于溫室、熱力泵和某些熱處理過程的供熱。在商業(yè)應(yīng)用方面，利用干燥的過熱蒸汽和高溫水發(fā)電已有幾十年的歷史。利用中等溫度（100℃）水通過雙流體循環(huán)發(fā)電設(shè)備發(fā)電，在過去的10年中已取得了明顯的進(jìn)展，該技術(shù)已經(jīng)成熟。地?zé)釤岜眉夹g(shù)后來也取得了明顯進(jìn)展。

意大利的皮也羅·吉諾尼·康蒂王子于1904年在拉德雷羅首次把天然的地?zé)嵴魵庥糜诎l(fā)電。地?zé)岚l(fā)電是利用液壓或爆破碎裂法把水注入到巖層，產(chǎn)生高溫蒸氣，然后將其抽出地面推動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使發(fā)電機(jī)發(fā)出電能。在這過程中，將一部分沒有利用到的水蒸氣或者廢氣，經(jīng)過冷凝器處理還原為水送回地下，這樣循環(huán)往復(fù)。1990年安裝的發(fā)電能力達(dá)到6000MW，直接利用地?zé)豳Y源的總量相當(dāng)于4.1Mt油當(dāng)量。

人們?cè)谌粘Ｉ詈蜕鐣?huì)生產(chǎn)中都需要大量的熱能，這些熱能來自于自然界中各種形式的能源。將自然界的能源直接或間接地轉(zhuǎn)化為熱能，以滿足人們?nèi)粘Ｉ詈蜕鐣?huì)生產(chǎn)需要的科學(xué)技術(shù)，稱為熱能工程，它是能源科學(xué)中的一個(gè)組成部分。