熱能工程基礎前言

進入21世紀，人類對能源的需求和利用已經(jīng)達到一個新的階段，人們日常的衣食住行以及國民經(jīng)濟的各行各業(yè)都已離不開由化石能源轉化而成的蒸汽、熱水等熱能的綜合利用。

為了適應寬口徑教學的需求，兼顧從熱能設備基本原理到工程應用的過渡，本書系統(tǒng)整合了鍋爐原理、燃料與燃燒概論、燃燒理論與燃燒設備、爐內傳熱、鍋爐設備水動力學等課程內容，為讀者提供一個系統(tǒng)的關于鍋爐的歷史、發(fā)展、基本原理、設計準則等方面的基本認識，擴展讀者的知識面。

本書構建了一個新的視角來闡述鍋爐原理和設備，即以燃料燃燒特性、燃燒設備特點、受熱面布置、熱力計算、煙風計算、鍋內安全、鍋爐應用為坐標橫軸，以電站、工業(yè)、燃煤、燃油、燃氣、大中小型鍋爐等為坐標縱軸，橫縱交叉系統(tǒng)，全面介紹鍋爐的構成和設計原則。本書主要介紹了煤粉鍋爐、層燃鍋爐、循環(huán)流化床鍋爐、WNS燃油燃氣鍋爐，同時也介紹了余熱鍋爐、有機熱載體爐和熱風爐等。還以專題的形式，為讀者呈現(xiàn)了關于鍋爐應用、運行、安全等方面的內容。每一章后均附有思考題和習題，便于教學中掌握要點，也便于讀者自學。當然，這種嘗試也存在一些不足，例如同一部分內容過多，甚至變得有些凌亂，有些描述也不夠嚴謹。此外，限于篇幅，有些內容介紹不夠系統(tǒng)，等等，還請讀者見諒。

本書由清華大學李清海和張衍國等編寫，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，張衍國編寫了第1章、第4章、第5章以及第8章鍋爐發(fā)展趨勢部分，杭州伯勒計算機技術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，得到了清華大學熱能系佟會玲、楊瑞昌、呂俊復等老師的大力支持，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，在此謹致以誠摯的謝意。本書還獲得了“清華大學教學改革項目”資助。

根據(jù)作者的專業(yè)實踐，本書融入了作者的一些經(jīng)驗和見解。限于作者水平，書中難免有粗疏錯漏之處，懇請讀者不吝指正。

編者2016年12月于清華園

本書構建了一個新的視角來闡述鍋爐原理和設備，即以燃料燃燒特性、燃燒設備特點、受熱面布置、熱力計算、煙風計算、鍋內安全、鍋爐應用為坐標橫軸，以電站、工業(yè)、燃煤、燃油、燃氣、大中小型鍋爐等為坐標縱軸，橫縱交叉系統(tǒng)，全面介紹鍋爐的構成和設計原則。本書主要介紹了煤粉鍋爐、層燃鍋爐、循環(huán)流化床鍋爐、WNS燃油燃氣鍋爐，同時也介紹了余熱鍋爐、有機熱載體爐和熱風爐等。還以專題的形式，為讀者呈現(xiàn)了關于鍋爐應用、運行、安全等方面的內容。每一章后均附有思考題和習題，便于教學中掌握要點，也便于讀者自學。當然，這種嘗試也存在一些不足，例如同一部分內容過多，甚至變得有些凌亂，有些描述也不夠嚴謹。此外，限于篇幅，有些內容介紹不夠系統(tǒng)，等等，還請讀者見諒。

本書基于課堂教學和工程實踐，介紹了熱能工程領域鍋爐的基本構成和設計原則，包括燃燒設備、鍋爐部件、熱力計算、煙風阻力計算、鍋內過程與安全、鍋爐應用等方面的基礎知識以及一些概念的詮釋。為讀者提供了一個系統(tǒng)的關于鍋爐的歷史、發(fā)展、基本原理、設計準則等方面的認識。每一章后均附有思考題和習題，書后附有參考答案，便于教學中掌握要點和讀者自學，從而更好地了解鍋爐原理、設計、運行和應用等。

本書可作為高等學校能源動力類專業(yè)高年級本科生的教材，也可供能源利用等領域相關專業(yè)工程技術人員參考。

第1章鍋爐與能源利用

1.1能源及其消耗現(xiàn)狀

1.1.1全球化石能源的儲量

1.1.2化石能源消耗狀況

1.1.3我國面臨的能源挑戰(zhàn)

1.2鍋爐發(fā)展簡史

1.2.1早期鍋爐

1.2.2現(xiàn)代鍋爐

1.2.3我國鍋爐發(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)濟指標

1.4鍋爐的典型應用

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

思考題和習題

參考文獻

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和換算

2.2.1燃料的成分分析基礎

2.2.2煤的工業(yè)分析

2.2.3成分基礎換算

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)物的實際體積

2.4.3煙氣成分與過量空氣系數(shù)測試

2.5焓溫表

2.5.1燃燒產(chǎn)物的焓

2.5.2焓溫表編制

本章結語

思考題和習題

參考文獻

第3章燃料燃燒與設備

3.1燃燒過程的化學反應原理

3.1.1燃燒化學反應速率

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氣體燃料的燃燒設備

3.2.3液體燃料燃燒原理

3.2.4液體燃料的燃燒設備

3.3固體燃料燃燒

3.3.1固體燃料燃燒氣體動力學分類

3.3.2固體燃料燃燒機理

3.4火室燃燒及設備

3.4.1煤粉的制備及系統(tǒng)

3.4.2煤粉在燃燒設備中燃燒

3.4.3煤粉燃燒器

3.5層燃設備

3.5.1爐排

3.5.2爐拱和二次風

3.5.3燃料特性對層燃的影響

3.6循環(huán)流化床燃燒設備

3.6.1循環(huán)流化床的發(fā)展與特點

3.6.2循環(huán)流化床基本原理

3.6.3循環(huán)流化床內物料流動

3.6.4循環(huán)流化床燃燒

專題1廢棄物的燃燒原理與設備

本章結語

思考題和習題

參考文獻

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煙氣側流程

4.2.3工質側流程

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備布置

4.3.1煤粉爐總體布局及燃燒設備布置

4.3.2層燃鍋爐整體布置與燃燒設備布置

4.3.3循環(huán)流化床鍋爐的燃燒設備

4.3.4油氣鍋爐設備與布置

4.4受熱面的結構和布置

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節(jié)

4.4.5省煤器

4.4.6空氣預熱器

專題3受熱面磨損與腐蝕的工藝考慮

本章結語

思考題和習題

參考文獻

第5章鍋爐設計與熱力計算

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室燃爐爐膛結構與傳熱計算

5.2.1爐膛容積熱負荷和截面熱負荷

5.2.2煤粉爐爐膛結構設計

5.2.3煤粉爐爐膛傳熱計算

5.2.4爐內傳熱相似理論解法

5.2.5燃油、氣鍋爐的爐膛結構與傳熱計算

專題4鍋爐設計的一些系數(shù)的選取和計算

5.3層燃爐爐膛結構與傳熱計算

5.3.1層燃爐的爐膛結構設計

5.3.2層燃爐爐膛傳熱計算

5.4循環(huán)床爐膛結構與傳熱計算

5.4.1循環(huán)床爐膛結構設計

5.4.2循環(huán)床爐膛傳熱計算

專題5爐膛出口煙溫

5.5對流受熱面的設計與傳熱計算

5.5.1對流受熱面的結構

5.5.2基本傳熱方程

5.5.3換熱系數(shù)的計算

5.6鍋爐設計和熱力計算的基本步驟

5.6.1設計計算與校核計算

5.6.2熱力計算的基本步驟

專題6煤粉鍋爐燃燒調整

本章結語

思考題和習題

參考文獻

第6章鍋爐煙風阻力計算與風機選用

6.1概述

6.1.1煙風阻力計算的目的

6.1.2煙風阻力計算的原則和方法

6.2鍋爐煙風道的流阻計算

6.2.1沿程摩擦阻力

6.2.2局部流阻計算

6.3鍋爐受熱面的流阻計算

6.3.1氣流橫向沖刷光管管束

6.3.2管式空氣預熱器的阻力計算

6.3.3回轉式空氣預熱器的阻力計算

6.4自生通風力計算

6.5風機的選擇與調節(jié)

6.5.1風機的選擇

6.5.2風機的調節(jié)

專題7爐膛外爆與內爆

本章結語

思考題和習題

參考文獻

第7章鍋內工質流動、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強制循環(huán)

7.1.3直流型式

7.1.4復合循環(huán)

7.2自然循環(huán)回路內的水循環(huán)及計算

7.2.1自然循環(huán)回路

7.2.2自然循環(huán)的水循環(huán)計算

7.3自然循環(huán)鍋爐蒸汽品質的凈化

7.3.1蒸汽中雜質的來源及危害

7.3.2排污及鍋水品質

7.3.3蒸汽凈化的措施

專題8鍋筒內的水位與安全

7.4鍋內工質的傳熱

7.4.1流動的流型

7.4.2鍋內傳熱

7.5流動、傳熱安全問題及其對策

7.5.1流動過程安全問題及對策

7.5.2傳熱過程的安全及對策

本章結語

思考題和習題

參考文獻

第8章其他類型鍋爐和應用

8.1余熱鍋爐

8.1.1余熱利用

8.1.2余熱鍋爐應用案例

8.1.3余熱鍋爐設計及結構

8.2有機熱載體爐

8.2.1有機熱載體爐發(fā)展簡述

8.2.2有機熱載體爐的基本原理及分類

8.2.3有機熱載體爐的結構

8.2.4有機熱載體爐的工作系統(tǒng)

8.3熱風爐

8.3.1熱風爐分類

8.3.2熱風爐的特性

8.3.3幾種熱風爐介紹

結語：鍋爐的發(fā)展趨勢

思考題和習題

參考文獻

附錄A鍋爐熱力計算的軟件實現(xiàn)

A.1計算機算法的基本方法和步驟

A.2傳統(tǒng)計算使用的圖表的處理

A.3工業(yè)鍋爐設計計算軟件BBDCs

A.4熱力計算程序

A.4.1熱力計算基本方法

A.4.2軟件使用基本過程

A.4.3項目參數(shù)設置

A.4.4燃料參數(shù)設置

A.4.5熱平衡參數(shù)設置

A.4.6鍋爐模型構造

A.4.7輸入部件數(shù)據(jù)

A.4.8進行熱力計算

A.4.9查看初步計算書

A.4.10煙氣焓溫特性表

A.4.11計算結果匯總表

A.4.12輸出正式計算書

A.5計算過程軟件實現(xiàn)方法

A.5.1鍋爐模型構造

A.5.2部件參數(shù)輸入

A.5.3參數(shù)設置

A.5.4部件的計算

A.5.5部件參數(shù)輸出

A.5.6文件存儲

A.5.7圖表處理和Excel導出

A.6熱力計算框圖匯總

A.6.1熱力計算總框圖(圖A.18)

A.6.2燃料計算總框圖(圖A.19)

A.6.3熱平衡計算總框圖(圖A.20)

A.6.4爐膛熱力計算框圖(圖A.21)

A.6.5對流受熱面熱力計算框圖(圖A.22)

A.6.6空預器熱力計算框圖(圖A.23)

A.7130t/h煤粉爐計算示例

A.8習題

參考文獻

附錄B思考題和習題參考答案要點

后記2100433B

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

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

機體攝入和消耗的能量通常用熱量單位“卡”或“千卡”表示。營養(yǎng)學上一般多采用“千卡”。

供給熱能的營養(yǎng)素在膳食中所占的比例，可因在機體中的作用、飲食習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。

熱能產(chǎn)生

每克碳水化合物在體內氧化時產(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。

地熱能是來自地球深處的可再生熱能。它起源于地球的熔融巖漿和放射性物質的衰變。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層引入水池、房間、溫室和發(fā)電站。

地熱能儲量比人們所利用的總量多很多倍，而且集中分布在構造板塊邊緣一帶，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充的速度，那么地熱能便是可再生的。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。

地熱能的利用自古時候起人們就已將低溫地熱資源用于浴池和空間供熱，近來還應用于溫室、熱力泵和某些熱處理過程的供熱。在商業(yè)應用方面，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)電設備發(fā)電，在過去的10年中已取得了明顯的進展，該技術已經(jīng)成熟。地熱熱泵技術后來也取得了明顯進展。

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熱蒸氣用于發(fā)電。地熱發(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渦輪機轉動使發(fā)電機發(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。1990年安裝的發(fā)電能力達到6000MW，直接利用地熱資源的總量相當于4.1Mt油當量。

人們在日常生活和社會生產(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化為熱能，以滿足人們日常生活和社會生產(chǎn)需要的科學技術，稱為熱能工程，它是能源科學中的一個組成部分。