第一章導(dǎo)論1.1能源(熱能)及其利用1.3能量轉(zhuǎn)換與利用的基本定律1.2能源利用與循環(huán)經(jīng)濟(jì)1.4能源有效利用的評(píng)估1.5熱能與動(dòng)力裝置的組成和工作條件及基本要求1.7熱能與動(dòng)力技術(shù)和環(huán)境1.6動(dòng)力機(jī)械與動(dòng)力傳動(dòng)

你知道嗎:

能源有多少種，如何轉(zhuǎn)變成可用的能量？

能源利用的設(shè)備,如汽油機(jī)、鍋爐、汽輪機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、制冷是如何工作的？有共同的規(guī)律嗎？

如何來(lái)使用它們?yōu)槿祟惙?wù)？

本章，就將圍繞能源及其有效利用這一中心，講解共同性的內(nèi)容：

能源、能量利用的概念；

能源利用與經(jīng)濟(jì)的關(guān)聯(lián)度;

能量轉(zhuǎn)換與利用的基本定律；

如何評(píng)估能源的有效利用；

熱能與動(dòng)力裝置的工作條件幾及基本要求；

熱能利用中的環(huán)境問(wèn)題。1.1能源(熱能)及其利用

1.1.1能源及其分類1．能源——可以直接或經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換而能獲得某種能量的自然資源。2．分類1）能源按其形成和來(lái)源大致可分為三大類第一類來(lái)自太陽(yáng)的能量，有——煤炭、石油、天然氣、生物質(zhì)能、水能、風(fēng)能、海洋能、（直接的）太陽(yáng)輻射能等。第二類是來(lái)自地球本身的能量，有——地?zé)崮堋⒑巳剂?即原子能)。第三類是月球和太陽(yáng)等天體對(duì)地球引力作用所產(chǎn)生的能量，如潮汐能。2）按是否經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換來(lái)分一次能源——凡自然界現(xiàn)已存在的、并可直接取得而不改變其基本形態(tài)的能源，有——水能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿取稍偕茉础Ｃ禾?、石油、天然氣、核燃料等……非再生能源。二次能源——由一次能源?jīng)過(guò)加工或轉(zhuǎn)換而成為另一種形態(tài)的能源產(chǎn)品，如電力、蒸汽、焦炭、煤氣、氫氣、各種石油制品等等。此外，在生產(chǎn)過(guò)程中排出的余能、余熱，如高溫?zé)煔?、可燃廢氣、排放的乏汽和有壓流體。3）按能源利用狀況來(lái)分常規(guī)能源——煤炭、石油、天然氣和水能等。新能源——結(jié)合我國(guó)的國(guó)情，有太陽(yáng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、核能、氫能等(圖1-1)。4）按能源的性質(zhì)來(lái)分燃料能源——凡須經(jīng)過(guò)燃燒或反應(yīng)才能被利用的，有礦物燃料、生物燃料(柴草、沼氣等)、化工燃料(丙烷、甲醇、酒精等)、核燃料四種。非燃料能源——水能、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽芎吞?yáng)光能等。圖1-1多種新能源1.1.2能量的形式能量——產(chǎn)生某種效果或變化的一種能力，它是為能源所擁有的。而且，產(chǎn)生某種效果或變化的過(guò)程必然要伴隨著能量的消耗和轉(zhuǎn)化。例如，煤燃燒發(fā)生熱，在這一過(guò)程中，可燃物質(zhì)的化學(xué)能以熱能的形式釋放。能量的形式可分為六種：①機(jī)械能。它包括物質(zhì)的動(dòng)能、勢(shì)能、彈性能及表面張力能等。②熱能。它是與構(gòu)成物質(zhì)的原子和分子的運(yùn)動(dòng)(振動(dòng))有關(guān)的一種能量。它的宏觀表現(xiàn)是溫度的高低。熱能是一種基本的能量形式，所有其他能量形式都能完全轉(zhuǎn)換為熱能。③電能。它是和電子的流動(dòng)和積累有關(guān)的一種能。電能也能方便而有效地轉(zhuǎn)換為其他形式的能。④輻射能。也稱電磁能。這種能量?jī)H以傳遞如光速變遷能量的形式存在。輻射能常依電磁波的波長(zhǎng)分為幾種不同的電磁射線，熱輻射是其中一種由原子振動(dòng)而產(chǎn)生的電磁能，包含紫外線、可見(jiàn)(光)射線和紅外線。⑤化學(xué)能。這是一種僅以貯存能的形式存在的能量，當(dāng)不同物質(zhì)的原子和(或)分子相結(jié)合時(shí)釋放出來(lái)。⑥核能。核能(原子能)又是一種僅以貯存能形式存在的能量形式。它是蘊(yùn)藏在原子核內(nèi)部的能量，又稱核內(nèi)能。核裂變和核聚變反應(yīng)可釋放大量能量，有廣闊的應(yīng)用前景。1.1.3熱能的發(fā)生熱能的發(fā)生途徑：1．直接產(chǎn)生，如地?zé)崮芎秃Ｑ鬅崮埽?．通過(guò)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生，方法有——①化學(xué)能的轉(zhuǎn)換。通過(guò)燃料中可燃質(zhì)的發(fā)熱化學(xué)反應(yīng)即燃燒反應(yīng)，使它們的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能釋放出來(lái)。

②電能的轉(zhuǎn)換。根據(jù)焦耳效應(yīng)，因電路中電阻的存在，電流流過(guò)時(shí)必產(chǎn)生熱。③輻射能的轉(zhuǎn)換。這主要是指能使被照射的物體產(chǎn)生熱效應(yīng)的熱輻射。④核能的轉(zhuǎn)換。這主要是指在核裂變和核聚變反應(yīng)中，大量的核能釋放轉(zhuǎn)換成熱能。⑤機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。這一典型過(guò)程就是摩擦，通常由此產(chǎn)生的熱能都不能被利用。

1.1.4熱能的儲(chǔ)存、傳遞與轉(zhuǎn)換1．儲(chǔ)存——熱能是可以儲(chǔ)存的能量形式之一。熱能的儲(chǔ)存有三種基本方式：顯熱貯存。這是利用升高固體或液體的溫度來(lái)蓄熱。潛熱貯存。當(dāng)物體發(fā)生相變時(shí)會(huì)吸收或釋放大量的熱，實(shí)際應(yīng)用中通常是利用材料從固體到液體的相變蓄熱。熱化學(xué)法儲(chǔ)存。其特點(diǎn)是利用化學(xué)反應(yīng)或濃度差或化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，將熱能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能。2．傳遞——熱能也是可以輸送和傳遞的。熱能常依靠攜帶能量的物質(zhì)通過(guò)管道實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送。熱能可以利用換熱器這種熱傳遞裝置進(jìn)行不同工作物質(zhì)和溫度水平之間的熱傳遞。3．轉(zhuǎn)換——人類利用的各種形式的能量基本上都是由一次能源經(jīng)過(guò)一次或多次轉(zhuǎn)換而來(lái)的。表1-1顯示了各種能源的不同能量間的轉(zhuǎn)換。對(duì)于熱能，通過(guò)一次轉(zhuǎn)換可成為三種能量形式：①機(jī)械能，如推動(dòng)內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)。②電能，如熱電發(fā)電。③化學(xué)能，如吸熱反應(yīng)。

能源種類

轉(zhuǎn)換方式

轉(zhuǎn)換裝置水能，風(fēng)能潮汐，波浪

機(jī)械能→機(jī)械能機(jī)械能→電能水車(chē)，風(fēng)車(chē)，水輪機(jī)水力發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電太陽(yáng)能

光能→熱能光能→熱能→機(jī)械能光能→熱能→機(jī)械能→電能光能→熱能→電能光能→電能太陽(yáng)能取暖，熱水器太陽(yáng)能熱機(jī)熱力發(fā)電裝置熱電及熱電子發(fā)電太陽(yáng)能電池，光化學(xué)電池煤、石油等化石燃料氫、酒精等二次燃料

化學(xué)能→熱能化學(xué)能→熱能→機(jī)械能化學(xué)能→熱能→機(jī)械能→電能化學(xué)能→熱能→電能燃燒裝置、鍋爐各種熱力發(fā)動(dòng)機(jī)鍋爐-渦輪機(jī)-發(fā)電機(jī)組磁流體發(fā)電，熱電發(fā)電，燃料電池地?zé)崮軣崮堋鷻C(jī)械能→電能蒸汽輪機(jī)-發(fā)電機(jī)組核能

核裂變→熱能→機(jī)械能→電能核裂變→熱能→電能核發(fā)電裝置磁流體發(fā)電，熱電發(fā)電，熱電子發(fā)電1.1.5熱能的利用熱能在一些主要工農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用，如：1)電力工業(yè)，如燃燒煤、天然氣、油等火力發(fā)電及使用核燃料的核發(fā)電等。2)鋼鐵工業(yè)，如平爐、轉(zhuǎn)爐、電爐煉鋼，軋鋼加熱爐、高爐煉鐵等。3)有色金屬工業(yè)，如鋁、銅等各種有色金屬的冶煉。4)化學(xué)工業(yè)，如酸、堿、合成氨等生產(chǎn)過(guò)程。5)石油工業(yè)，如油的開(kāi)采、煉制、輸送等。6)建材工業(yè)，如水泥、陶瓷等行業(yè)中各種窯爐的大量耗熱。7)機(jī)械工業(yè)，如各種設(shè)備制造過(guò)程中所需要的鑄造、鍛壓、焊接等。8)輕紡工業(yè)，如造紙、制糖、化纖、印染等過(guò)程中需要消耗大量蒸汽。9)交通運(yùn)輸，如汽車(chē)、火車(chē)、船舶、飛機(jī)等的動(dòng)力拖動(dòng)。10)航天領(lǐng)域，如宇宙飛船、航天飛機(jī)等火箭的推進(jìn)。11)農(nóng)業(yè)及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，如電力灌溉、溫室培植、魚(yú)池加溫等。12)生活需要，如供暖、空調(diào)、烹飪等。有關(guān)熱能利用方面需要關(guān)注兩大問(wèn)題：①提高能源利用率。②減少環(huán)境污染。在全社會(huì)的持續(xù)發(fā)展中，這是首要關(guān)注的問(wèn)題。

1.2能源利用與循環(huán)經(jīng)濟(jì)、低碳經(jīng)濟(jì)

1.2.1我國(guó)能源利用所面臨的挑戰(zhàn)我國(guó)是能源資源的大國(guó)，但是人均擁有量的小國(guó)；能源生產(chǎn)和消費(fèi)的大國(guó)，但卻是利用效率不高的“小國(guó)”?？傮w能源利用率只有33%左右，單位GDP能耗是世界平均水平的1.9倍、發(fā)達(dá)國(guó)家的3倍至4倍，約67%的能源在工業(yè)生產(chǎn)中被直接排放。我們不能以消耗大量能源為代價(jià)來(lái)獲得經(jīng)濟(jì)的小幅增長(zhǎng)(插圖1-1).

插圖1--1我國(guó)正處在工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的發(fā)展階段，需要大量的能源為支撐。我國(guó)的能源面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn):1.總量需求的巨大壓力

我國(guó)已是全球第一大煤炭消費(fèi)國(guó)和第二大石油、電力消費(fèi)國(guó)。到2050年，我國(guó)的能源消耗總量起碼要控制在65億噸標(biāo)準(zhǔn)煤以內(nèi)。2.能源安全問(wèn)題日趨突出

我國(guó)已經(jīng)成為煤炭、石油、天然氣和鈾資源全品種的凈進(jìn)口國(guó)，總體對(duì)外依存度超過(guò)10%，其中石油對(duì)外依存度近60%，天然氣超過(guò)30%。3.生態(tài)環(huán)境日益惡化

長(zhǎng)期高強(qiáng)度的煤炭資源開(kāi)采嚴(yán)重影響礦區(qū)及周邊

地區(qū)的土地資源、水資源和生態(tài)環(huán)境.目前我國(guó)有30%%—40%%的地區(qū)出現(xiàn)酸雨現(xiàn)象.近年來(lái)，霧霾問(wèn)題更成為舉國(guó)之痛.已影響到我國(guó)25個(gè)省份，受影響人口達(dá)6億。予計(jì)到2015年，我國(guó)化石能源的利用比例還高達(dá)92%以上（見(jiàn)圖1-2）。4.溫室氣體減排壓力空前嚴(yán)峻

目前我國(guó)溫室氣體排放已居世界第2位，溫室氣體的排放量還會(huì)繼續(xù)增加。

總體來(lái)看，我們?cè)谫Y源的開(kāi)發(fā)和利用上都是粗放式的，這不僅造成浪費(fèi)，還會(huì)帶來(lái)更嚴(yán)重后果。

我們?cè)诮?jīng)濟(jì)發(fā)展上應(yīng)該遵循循環(huán)經(jīng)濟(jì)和低碳經(jīng)濟(jì)的模式，以保持社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

圖1-22015年我國(guó)能源利用比例(預(yù)測(cè))

1.2.2循環(huán)經(jīng)濟(jì)與低碳經(jīng)濟(jì)的含義傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的模式:

由“資源—產(chǎn)品—污染排放”所構(gòu)成的物質(zhì)單向流動(dòng)的線性經(jīng)濟(jì)(圖1—3).

特征是:“高開(kāi)采、低利用、高排放”。

后果是:引發(fā)全球資源枯竭、環(huán)境惡化，帶來(lái)

種種人類生存和社會(huì)發(fā)展的問(wèn)題。循環(huán)經(jīng)濟(jì)(現(xiàn)代經(jīng)濟(jì))的模式:

減量化－再使用－再循環(huán)(資源化)的物質(zhì)循環(huán)流動(dòng)的循環(huán)經(jīng)濟(jì).

特征是:“低開(kāi)采、高利用、低排放”。

后果是:社會(huì)可持續(xù)發(fā)展.

圖1-3傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式圖

低碳經(jīng)濟(jì)的模式:

以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)模式.

是新世紀(jì)新階段應(yīng)對(duì)氣候變化而催生的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式低碳經(jīng)濟(jì)的實(shí)質(zhì):

能源高效利用、清潔能源開(kāi)發(fā)和追求綠色GDP循環(huán)經(jīng)濟(jì)的實(shí)質(zhì):

減少資源消耗和減輕環(huán)境惡化。

是適應(yīng)工業(yè)化和城市化全過(guò)程的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式.低碳經(jīng)濟(jì)是循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念在能源領(lǐng)域的延伸，循環(huán)經(jīng)濟(jì)是發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。對(duì)我國(guó)均必須.

1.2.3循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式與低碳經(jīng)濟(jì)施行現(xiàn)狀目前世界各國(guó)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)可歸納為四個(gè)階段和四種模式：①單一企業(yè)內(nèi)部的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式②區(qū)域生態(tài)工業(yè)園區(qū)模式③城市層面上的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式④全社會(huì)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，把整個(gè)社會(huì)建成循環(huán)型社會(huì)我國(guó)十分重視發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2009年1月1日就開(kāi)始施行《循環(huán)經(jīng)濟(jì)促進(jìn)法》。如，2006年國(guó)家發(fā)改委等六部委正式起動(dòng)了曹妃甸工業(yè)區(qū)、天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)等十三個(gè)國(guó)家循環(huán)經(jīng)濟(jì)試點(diǎn)園區(qū)的工作。通過(guò)試點(diǎn)，總結(jié)凝煉出包括區(qū)域、園區(qū)和企業(yè)3個(gè)層面的60個(gè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)典型模式（在能源利用上都體現(xiàn)了低碳）案例。2015年4月又印發(fā)了《2015年循環(huán)經(jīng)濟(jì)推進(jìn)計(jì)劃》.1.2.4能源的合理有效利用原則為保障我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)展，建立起資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的社會(huì)，必須發(fā)展與推行循環(huán)經(jīng)濟(jì)，在能源利用上要遵循低碳經(jīng)濟(jì)。因而，對(duì)于能源的合理、有效利用應(yīng)遵循以下原則：①最小外部損失原則。②高能源利用效率原則。③最佳推動(dòng)力原則，使過(guò)程在最佳熱力勢(shì)差（溫度差、壓力差、化學(xué)位差等）推動(dòng)下完成。④回收利用原則。⑤綜合利用原則。⑥節(jié)約優(yōu)先，適度消費(fèi)原則。⑦積極開(kāi)發(fā)與利用可再生能源和清潔能源的原則，以減少不可再生能源和易污染能源的消耗和污染。

1.3能量轉(zhuǎn)換與利用的基本定律

1.3.1熱力循環(huán)

熱力循環(huán)——就是工質(zhì)從某一熱力狀態(tài)起始，經(jīng)過(guò)一系列狀態(tài)變化后又回到原來(lái)初始狀態(tài)的熱力過(guò)程。在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上，循環(huán)成為一封閉曲線，如，圖1—4。循環(huán)有正循環(huán)和逆向循環(huán)之分。

圖1--4循環(huán)在p--v圖上表示正循環(huán)（熱機(jī)循環(huán)）——如圖1-1所示，當(dāng)循環(huán)按順時(shí)針1a2b1的方向時(shí)。該循環(huán)凈功大于零，即（|w1a2|―|w2b1|）＞0，如，實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電的循環(huán)。逆向循環(huán)——當(dāng)循環(huán)按逆鐘向即1b2a1進(jìn)行時(shí)。該循環(huán)凈功(|w1b2|―|w2a1|)＜0,如，制冷循環(huán)。工程上實(shí)際的熱力循環(huán)有多種形式(如，單一工質(zhì)的水蒸汽熱力發(fā)電循環(huán)；雙工質(zhì)的水蒸汽-燃?xì)鉄崃Πl(fā)電循環(huán))，但從其進(jìn)行的總方向或總結(jié)果來(lái)看可分屬這兩種或?yàn)檫@兩者的復(fù)合。1.3.2熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律就是能量轉(zhuǎn)換與守恒定律在伴有熱效應(yīng)的物理及化學(xué)等過(guò)程中的應(yīng)用，它廣泛地適用于熱能和其他能量形式之間的轉(zhuǎn)換。今以一簡(jiǎn)單的具有代表性的例子說(shuō)明熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。圖1-5表示一個(gè)熱力系，根據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)換定律，工質(zhì)能量的增量△E必等于工質(zhì)從外界吸收的熱量Q和工質(zhì)的膨脹作功W之差△E＝Q﹣W

或Q＝△E﹢W該式就是熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

圖1—5氣體受熱膨脹作功對(duì)于圖1-5，可忽略工質(zhì)宏觀的動(dòng)能和位能變化。這樣，則Q＝△U﹢W對(duì)于微小變化過(guò)程，則有

δQ＝dU﹢δW如工質(zhì)為單位質(zhì)量，則上式為

δq＝du﹢δw

圖1-5所示的熱力系為閉口系。工質(zhì)的膨脹功大部分用于推動(dòng)重塊，對(duì)外界作出有用功Wu。少量用于克服大氣壓力所作功為大氣壓力p0與體積變化△V之乘積，即p0△V，因它不用于推動(dòng)重塊，故稱無(wú)用功。它們的關(guān)系可以表達(dá)為

Wu=W-p0△V當(dāng)工質(zhì)的膨脹為可逆過(guò)程時(shí)，則工程應(yīng)用的熱力設(shè)備中能量轉(zhuǎn)換情況概念性地表示于圖1-6，并討論其能量轉(zhuǎn)換與守恒問(wèn)題。對(duì)于這樣的穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)，能量變化有：①熱力學(xué)能變化②動(dòng)能變化③重力位能變化

圖1--6穩(wěn)定流動(dòng)熱力系④工質(zhì)流過(guò)熱力系進(jìn)、出口界面時(shí)必須克服界面右邊阻力而作流動(dòng)功，故總的流動(dòng)功為⑤外界加入的熱量Q；⑥熱力系對(duì)外界作出的有用功Wu，對(duì)于流動(dòng)系常稱軸功，以Ws表示。顯然，工質(zhì)對(duì)外所做的功應(yīng)為兩者之和，即（Ws+△pV）。

熱力系儲(chǔ)存能量的變化△E應(yīng)為則得按焓的定義式H=（U+pV），則上式可表示為

(1-7)

對(duì)于微小的過(guò)程

(1-8)如工質(zhì)為單位質(zhì)量，則上式成為

(1-9)

式(1-7)～式(1-9)即為熱力學(xué)第一定律應(yīng)用于工質(zhì)在穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

1.3.3熱力學(xué)第二定律對(duì)于能量傳遞和轉(zhuǎn)換過(guò)程的全面描述，除了要用熱力學(xué)第一定律說(shuō)明過(guò)程的進(jìn)行必須遵守能量守恒外，還必須要說(shuō)明過(guò)程進(jìn)行的方向性，即要應(yīng)用熱力學(xué)第二定律。熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)就是指出一切自發(fā)過(guò)程都是不可逆過(guò)程，它們無(wú)需外加條件就能自動(dòng)地進(jìn)行。對(duì)于一個(gè)非自發(fā)過(guò)程，則它的實(shí)現(xiàn)一定要以另一個(gè)自發(fā)過(guò)程的進(jìn)行來(lái)推動(dòng)。例如，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)就是實(shí)現(xiàn)了熱能變?yōu)闄C(jī)械能這一非自發(fā)過(guò)程，但為了完成這一過(guò)程并保證其延續(xù)性，必須有一部分熱量由溫度較高物體傳向溫度較低物體這一自發(fā)過(guò)程，如內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)要向外界排氣，將熱量散給了大氣。關(guān)于熱力學(xué)第二定律，也可以用熵增原理來(lái)表達(dá)，即實(shí)際過(guò)程不論其是自發(fā)的或非自發(fā)的過(guò)程，最后的結(jié)果總是使(孤立的)熱力系的熵向增加的方向進(jìn)行。用數(shù)學(xué)的形式表達(dá)為△S≥0對(duì)于一個(gè)孤立的熱力系，其中工質(zhì)完成一個(gè)如圖1-7

所示的不可逆循環(huán)12341。則該孤立熱力系總的比熵變化量為由圖可見(jiàn)，由于該孤立熱力系內(nèi)進(jìn)行的是一個(gè)不可逆循環(huán)，顯然存在著所以△Ss＞0

圖1--7孤立熱力系內(nèi)的不可逆循環(huán)

實(shí)際的過(guò)程和循環(huán)都是不可逆的，所以在孤立熱力系中熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的結(jié)果，其熵必然是增加的。一個(gè)極端的情況是假設(shè)循環(huán)為可逆，如體現(xiàn)在圖1-7中過(guò)程2—3改為2—3′?？梢?jiàn)，此時(shí)△SH﹦△SL，亦即孤立熱力系的熵不變，△Ss＝0。1.4能源有效利用的評(píng)估

1.4.1能源有效利用的常用評(píng)估指標(biāo)

有兩種類型：能源經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)——單位產(chǎn)值能耗和單位產(chǎn)品能耗；能源技術(shù)效率指標(biāo)——能源利用效率。以下闡述的是其中用得較多的幾個(gè)具有代表性的指標(biāo)。

1．單位GDP（國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值）能耗是指某一年或某一個(gè)時(shí)期，實(shí)現(xiàn)單位國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值所平均消耗的能源數(shù)量。單位GDP能耗即單位產(chǎn)值能耗，屬于宏觀經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的指標(biāo)，其表達(dá)式為

r﹦E/M

式中，E—能源消耗量(指標(biāo)準(zhǔn)煤)；M—同期國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值。

單位為噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元。

由此可以來(lái)對(duì)比分析能源利用狀況。如，

2005年全國(guó)單位GDP能耗為1．22噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元上海0．88浙江0．90寧夏則為4．14

單位GDP能耗用于國(guó)際間比較時(shí)要進(jìn)行外匯匯率折算，并以萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤/億美元為單位。如2001年，我國(guó)的單位GDP能耗為11．64萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤/億美元印度為9.36美國(guó)為3.19日本為1.77我國(guó)的單位GDP能耗高是由于能源結(jié)構(gòu)不合理（以煤為主）、設(shè)備落后、管理粗糙等原因所致，同時(shí)這也反映了我國(guó)在節(jié)能方面有很大的潛力。為了科學(xué)地評(píng)定能源利用,人們提出了以綠色GDP來(lái)衡量經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。就是考慮了環(huán)境污染等多種因素后的真實(shí)的國(guó)民財(cái)富總量,可稱為可持續(xù)發(fā)展國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值。2．單位產(chǎn)品能耗是指每單位產(chǎn)品產(chǎn)量所消耗的能量，屬于微觀經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的指標(biāo)。它又分為單耗和綜合能耗兩種，可用一個(gè)式子來(lái)表達(dá)

C﹦Ep/A

式中，A為產(chǎn)品產(chǎn)量；Ep為產(chǎn)品能耗。當(dāng)Ep是指某種能的消耗量時(shí)，C為單耗，如生產(chǎn)1kWh電的煤耗；如果Ep是指生某種產(chǎn)品過(guò)程中所消耗的各種一次能源、二次能源的總消耗量，則C為綜合能耗。3．能源利用效率它為被有效利用的能量(或獲得的能量)與消耗的能量(或投入的能量)之比。它被用來(lái)考察用能的完善程度，其定義式為

η﹦Ee/Ec

η—為能源利用效率；Ee—有效利用的能量；

Ec—消耗的能量。

下列為用于三種不同對(duì)象時(shí)的具有代表性的技術(shù)名詞：⑴能源效率能源效率是指在利用能源資源的各項(xiàng)活動(dòng)（從開(kāi)采到終端利用）中，所得到的起作用的能源量與實(shí)際消費(fèi)的能源量之比。它常用于考察一個(gè)國(guó)家或一個(gè)地區(qū)的能源利用水平。如，我國(guó)從1980—2000年，由26%提高到33%，但仍比中東歐國(guó)家的平均效率低1—8個(gè)百分點(diǎn)。⑵能源（或能量）利用率能源利用率是指為終端用戶提供的能源服務(wù)與所消費(fèi)的能源量之比。在評(píng)定一個(gè)工序、一個(gè)企業(yè)、一個(gè)部門(mén)或一個(gè)地區(qū)的能源利用水平時(shí)，常采用能源利用率。如，對(duì)于企業(yè)的能源利用率，定義為企業(yè)能源利用率﹦也可定義為企業(yè)能源利用率﹦⑶設(shè)備（或裝置）效率設(shè)備（或裝置）效率是指對(duì)某臺(tái)設(shè)備（或某套裝置），向它所提供的能量被有效利用的程度。對(duì)于設(shè)備，如鍋爐的熱效率、汽輪機(jī)的絕對(duì)有效效率及內(nèi)燃機(jī)的有效熱效率等；對(duì)于裝置，如汽輪發(fā)電機(jī)組的絕對(duì)電效率、制冷裝置的制冷系數(shù)等均屬于此。

1.4.2(火用)及(火用)效率

(一)(火用)

為了在評(píng)判能量的合理利用時(shí)能同時(shí)考慮到能量的數(shù)量和質(zhì)量，引入一個(gè)與作功能力密切相關(guān)的參數(shù)“(火用)”。所謂(火用)，是指處于某一狀態(tài)的熱力系，可逆地變化到與周?chē)h(huán)境狀態(tài)相平衡時(shí)，可以轉(zhuǎn)化為有用功(即最大有用功)的能量。此值即為該熱力系的(火用)，或可更直觀地稱為有效能，以符號(hào)Ex表示，單位為J。對(duì)單位質(zhì)量工質(zhì)而言，它的(火用)稱為比(火用)，以ex表示，單位為J／kg。1．工質(zhì)(火用)

設(shè)今有圖1-3所示的一個(gè)穩(wěn)定流動(dòng)熱力系，W為該熱力系由某一起始狀態(tài)可逆地變化到環(huán)境狀態(tài)0時(shí)對(duì)外作出的最大功，則利用熱力學(xué)第一、二定律可導(dǎo)得最大功，亦即(火用)為

Ex﹦Wmax﹦（H-T0S）﹣（H0﹣T0S0）式中，H、S分別為熱力系在某起始狀態(tài)時(shí)的焓和熵；H0、S0分別為熱力系在環(huán)境狀態(tài)T0時(shí)的焓和熵。則比(火用)為

ex﹦(h﹣T0s)﹣(h0﹣T0s0)

2．熱(火用)由熱力學(xué)第二定律知，任何熱源當(dāng)其溫度為T(mén)時(shí)所傳出的熱量Q中能轉(zhuǎn)換為功的最大值，應(yīng)是在溫度范圍T及T0內(nèi)卡諾循環(huán)的作功量，即根據(jù)前述關(guān)于(火用)的概念，熱量中這部分能轉(zhuǎn)換為功的最大可用部分也可稱之為(火用)。由于這是單指熱量而言，為區(qū)別于前面所定義的(火用)，則可稱其為熱(火用)，以ExQ表示，即熱(火用)是由熱量Q熱源放熱時(shí)的溫度所決定的；而工質(zhì)(火用)只決定于熱力狀態(tài)，故可認(rèn)為是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，但兩者都表示能的可用性。

3．燃料(火用)

燃料(火用)可以表達(dá)為：燃料與氧氣可逆地進(jìn)行燃燒反應(yīng)和變化后，與周?chē)h(huán)境達(dá)到平衡時(shí)，所能提供的最大有用功。所以，也可稱為燃料的化學(xué)(火用)或燃料的化學(xué)有效能。計(jì)算燃料的化學(xué)(火用)時(shí)通常取環(huán)境壓力p0﹦101kPa,環(huán)境溫度T0﹦298.15K(即25℃)的飽和濕空氣為環(huán)境空氣，整個(gè)計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜。理論證明，燃料的化學(xué)

(火用)可近似地取為燃料的高發(fā)熱值，即

Ef≈QH(二)(火用)效率我們可以廣義地定義(火用)損失。對(duì)于某一個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備，投入或耗費(fèi)的(火用)Exi與被利用或收益的(火用)Exg之差，即為該系統(tǒng)或設(shè)備的(火用)損失ExL，可表示為

ExL=Exi﹣Exg

而被有效利用（或收益）的(火用)與投入（或耗費(fèi)）的(火用)之比，則為該系統(tǒng)或設(shè)備的(火用)效率ηex，也稱為有效能效率從(火用)的概念來(lái)理解，(火用)效率實(shí)際上就是獲得的效果對(duì)所供給能量的最大作功能力之比，所以它是同時(shí)從能的量與質(zhì)來(lái)衡量熱力系統(tǒng)或設(shè)備完善程度的尺度。有些學(xué)者也把(火用)效率稱為熱力學(xué)第二定律效率，而前述的能源利用效率則稱為熱力學(xué)第一定律效率。

在裝置中產(chǎn)生(火用)損失的原因可歸納為三方面：①副產(chǎn)品和廢料帶走的(火用)，如鍋爐的排煙。②由于散熱，如換熱器中通過(guò)對(duì)流和輻射，從換熱器外表面向環(huán)境散熱造成的(火用)損失。③因裝置內(nèi)部發(fā)生的不可逆過(guò)程所造成，如不可逆的化學(xué)反應(yīng)，溫差傳熱等。對(duì)于同一種設(shè)備或裝置，由于人們可以從不同的角度去理解“收益”和“投入”，致使(火用)效率的表達(dá)式也會(huì)不同。下面列出幾種常用設(shè)備和裝置的(火用)效率(即有效能效率)表達(dá)式。

1．熱力發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)進(jìn)入和離開(kāi)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的工質(zhì)的有效能分別為Ex1、Ex2，產(chǎn)生的功為W12，則熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中的能量損耗主要由氣體摩擦所引起，其有效能效率的高低主要反映這一損失的影響。

2．壓氣機(jī)對(duì)壓氣機(jī)而言，輸入的有效能是壓氣機(jī)所消耗的功Wi，收益則為工質(zhì)有效能的增加，即與熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中的情況類似，其能量損耗主要也是由氣體摩擦所引起。

3．間壁式換熱器以熱流體進(jìn)、出換熱器的有效能差為投入（考慮熱流體出口火用還會(huì)被利用），以冷流體進(jìn)、出換熱器的有效能差為收益，則

如果換熱器無(wú)散熱損失，即冷流體吸熱量等于熱流體放熱量，換熱器的熱效率為100%。但熱量由熱流體傳給冷流體，其“質(zhì)”卻降低了，利用(火用)的定義式不難證明(火用)效率必小于100%。這表明溫差傳熱將造成有效能的損失。

4．鍋爐如以高溫?zé)煔鈱?duì)水蒸氣的加熱作為有效能的投入，并設(shè)煙氣在某一平均溫度Tm下放熱，則投入的有效能為Q（1-T0/Tm），鍋爐的有效能效率為由于在此認(rèn)為有效能的投入是從煙氣對(duì)水蒸氣的加熱來(lái)計(jì)算的，故其有效能效率主要反映在溫差傳熱造成的有效能損失上。

我們也可以把鍋爐消耗燃料的有效能Exf理解為輸入鍋爐的有效能，則鍋爐的這一有效能效率同時(shí)反映了溫差傳熱、燃燒過(guò)程和排煙等不可逆過(guò)程造成的有效能損失的影。5．動(dòng)力循環(huán)設(shè)動(dòng)力循環(huán)工質(zhì)的平均加熱溫度為T(mén)m、加熱量為Q、輸出功為W、大氣環(huán)境溫度為T(mén)0，則例1-1設(shè)汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)為3.5MPa、435℃，背壓為0.0087MPa，排汽干度為93.5％，求其(火用)效率。

解由水蒸氣的焓熵圖及(火用)熵圖分別查得水蒸氣在進(jìn)口狀態(tài)時(shí)的比焓和比(火用)為(設(shè)環(huán)境溫度為20℃)h1＝3302kJ／kg，ex1=1265kJ／kg

在排汽狀態(tài)時(shí)為

h2=2423kJ／kg，ex2＝165kJ／kg

則其(火用)效率為

例1—2設(shè)今有一臺(tái)水一水換熱器，熱水平均溫度為300℃，冷水平均溫度為100℃，散熱損失為熱水放熱量的5%，試求該換熱器的能源利用效率和

(火用)效率(取環(huán)境溫度為0℃)。

解設(shè)熱水放熱量為Qh，冷水吸熱量為Qc，則

Qc=Qh-5%Qh=0.95Qh，故換熱器的能源利用效率，即換熱器的熱效率為熱水輸出的(火用)為冷水得到的(火用)為故與此相應(yīng)的有用能效率，即(火用)效率為可見(jiàn)，因溫差傳熱，使(火用)效率降低。而且，如果傳熱量不變，則冷熱流體間溫差越大，則(火用)效率越低。1.4.3總能系統(tǒng)及其評(píng)價(jià)（一）總能系統(tǒng)總能系統(tǒng)可認(rèn)為是，指某系統(tǒng)所需的能量幾乎都由該系統(tǒng)中所設(shè)置的唯一的能源供給，按照能量品位的高低進(jìn)行梯級(jí)利用，總的安排好功、熱(冷)與物料熱力學(xué)能等各種能量之間的配合關(guān)系與轉(zhuǎn)換使用。

總能系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例有：1．聯(lián)合循環(huán)如燃?xì)廨啓C(jī)一蒸汽輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)2．不同能量聯(lián)供例如，熱電聯(lián)產(chǎn)3．余熱利用如余熱發(fā)電4．先熱利用可以按照溫度對(duì)口、梯級(jí)利用的原則。如，對(duì)于高溫?zé)崮埽蚱肺桓?，更宜用于作功，故可采用高溫燃?xì)廨啓C(jī)等先熱利用方案。

5．能源工廠(能源大系統(tǒng))

這是把總能系統(tǒng)的概念擴(kuò)大到包含若干個(gè)不同的生產(chǎn)領(lǐng)域，甚至還可以擴(kuò)大到一個(gè)區(qū)域或一個(gè)城市，以提高能源利用效率。例如，坑口能源聯(lián)合體，使煤炭產(chǎn)地既產(chǎn)電，又產(chǎn)熱(冷)，還產(chǎn)各種化工原料，可稱之為多聯(lián)產(chǎn)。（二）總能系統(tǒng)的評(píng)價(jià)1．基于熱力學(xué)第一定律的能源利用率(也常稱為總能利用系數(shù)、總能利用效率、熱效率等)。2．基于熱力學(xué)第二定律的火用效率(有效能效率)

3．經(jīng)濟(jì)(火用)效率ηex,e，這是從經(jīng)濟(jì)角度用價(jià)格的差別來(lái)區(qū)別熱與功的品位。式中，W為作出功；Q為供熱量；R為供熱售價(jià)與供電(功)售價(jià)之比；B為燃料消耗量；QL為燃料低位熱值。

如在經(jīng)濟(jì)(火用)效率的基礎(chǔ)上，再考慮燃料價(jià)格的影響，則有

式中，ZW/ZF為單位能量的功與單位燃料的價(jià)格比。ηex,g實(shí)際上是熱力裝置售熱與售電總收入與投入燃料成本之比，通常大于1。它比較簡(jiǎn)單、概括地反映了裝置在投運(yùn)后在能量轉(zhuǎn)換上的經(jīng)濟(jì)增值情況，故稱為增值系數(shù)或經(jīng)濟(jì)(火用)系數(shù)。

1.4.4能源利用評(píng)估方法展望一種新的分析法——能值（Emergy）分析法已經(jīng)被提出。它可用于評(píng)價(jià)一種新型的以多種能源轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行有機(jī)耦合和集成的多聯(lián)產(chǎn)集成系統(tǒng)。

1.5熱能與動(dòng)力裝置的組成和工作條件及基本要求

1.5.1熱能與動(dòng)力裝置的組成熱能與動(dòng)力裝置可包含以下幾部分：①發(fā)生裝置在專用的設(shè)備內(nèi)，應(yīng)用某種技術(shù)使熱能產(chǎn)生的裝置，如爐子。通常以熱效率等來(lái)表示熱性能。②儲(chǔ)能裝置通過(guò)某種方法使熱能得以儲(chǔ)存的裝置，如蒸汽蓄熱器。以熱效率及其它相關(guān)指標(biāo)來(lái)表示性能。

③傳遞裝置這是僅使熱能傳遞而不起能量型式轉(zhuǎn)換的裝置，換熱器。通常以傳熱系數(shù)和壓力降作為熱性能指標(biāo)。④轉(zhuǎn)換裝置各種型式的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，它們的熱性能指標(biāo)因發(fā)動(dòng)機(jī)種類不同等因素而異。⑤輔助設(shè)備用于輸送流體的泵與風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備及控制閥等部件。

1.5.2熱能與動(dòng)力設(shè)備的工作條件

1．溫度工作流體的溫度可能極高或極低。

2．壓力工作流體的壓力可能極高或極低。

3．速度動(dòng)力機(jī)械的運(yùn)動(dòng)部件常處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

4．負(fù)荷外界負(fù)荷的急劇變化，使工作流體的溫度、壓力、流量發(fā)生劇烈變動(dòng)。

5．振動(dòng)由于負(fù)荷變化的沖擊、動(dòng)態(tài)不平衡等造成振動(dòng)。

6．腐蝕由于工作流體（如，地?zé)崴┑母g等造成。1.5.3熱能與動(dòng)力設(shè)備的基本要求1．滿足額定負(fù)載并有一定安全余量，以保障在突然超載情況下仍能正常運(yùn)行。2．設(shè)備的性能指標(biāo)值（如，鍋爐的熱效率；汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率；汽輪發(fā)電機(jī)組的熱耗率；內(nèi)燃機(jī)的比油耗）應(yīng)在合理范圍內(nèi)。3．設(shè)備的可靠性指標(biāo)值（如，使用壽命）應(yīng)達(dá)到要求。

4．設(shè)備材料應(yīng)具有良好的耐溫（高溫防蠕變，低溫防脆化）、耐壓、耐沖擊和耐腐蝕性能。5．承壓設(shè)備（如，鍋爐，換熱器）必須進(jìn)行耐壓試驗(yàn)和負(fù)壓設(shè)備（如，溴化鋰制冷容器）必須進(jìn)行密封性試驗(yàn)，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。6．高速運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備部件（如，內(nèi)燃機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子）必須通過(guò)動(dòng)平衡試驗(yàn)。7．設(shè)備必須進(jìn)行定期檢修（如，鍋爐的定期大修），以確保安全可靠和良好的性能。1.6動(dòng)力機(jī)械與動(dòng)力傳動(dòng)

動(dòng)力機(jī)械是指將某能源直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能并拖動(dòng)其他機(jī)械進(jìn)行工作的機(jī)械。動(dòng)力系統(tǒng)可按工質(zhì)的不同而分為蒸汽動(dòng)力、燃?xì)鈩?dòng)力、水動(dòng)力和風(fēng)動(dòng)力四大系統(tǒng)。動(dòng)力系統(tǒng)中除動(dòng)力機(jī)械外，還包括閥、管道、傳動(dòng)設(shè)備等部件。例如，圖1-8所示為汽輪機(jī)一發(fā)電機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)。

圖1-8汽輪機(jī)一發(fā)電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)

1-主汽閥2-汽輪機(jī)3-聯(lián)軸器4-發(fā)電機(jī)5-冷凝器

1.6.1動(dòng)力機(jī)械的類型

1．按作功的物質(zhì)分，有蒸汽動(dòng)力機(jī)（如汽輪機(jī)、蒸汽機(jī)）燃?xì)鈩?dòng)力機(jī)(如汽油機(jī)、柴油機(jī)、煤氣機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等)、水動(dòng)力機(jī)(如水輪機(jī))風(fēng)動(dòng)力機(jī)(如風(fēng)力機(jī))。2．按加熱方式分，有內(nèi)燃動(dòng)力機(jī)(如柴油機(jī)、汽油機(jī)、煤氣機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等)外燃動(dòng)力機(jī)（如汽輪機(jī)、蒸汽機(jī)等)水和風(fēng)動(dòng)力機(jī)(無(wú)加熱，如水輪機(jī))。廣而言之，動(dòng)力機(jī)械除原動(dòng)機(jī)外還有另一類機(jī)械，如電動(dòng)機(jī)等。由于它們的動(dòng)力輸出是通過(guò)兩次能量轉(zhuǎn)換，故常稱二次動(dòng)力機(jī)；原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出是通過(guò)能量的一次直接轉(zhuǎn)換，則也稱一次動(dòng)力機(jī)。通常，動(dòng)力機(jī)械指原動(dòng)機(jī)。

1.6.2動(dòng)力機(jī)械的性能動(dòng)力機(jī)械應(yīng)具有良好的性能指標(biāo)值和運(yùn)行特性。如，內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，有效熱效率就是內(nèi)燃機(jī)軸端輸出功與所耗燃料熱量之比；汽輪機(jī)，如汽輪機(jī)裝置的絕對(duì)有效效率就是汽輪機(jī)軸端輸出功與工質(zhì)吸熱量之比；汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率就是汽輪機(jī)中蒸汽的實(shí)際焓降與理想焓降之比，以此來(lái)說(shuō)明本體內(nèi)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程接近可逆的程度。在經(jīng)濟(jì)性方面，內(nèi)燃機(jī)常用有效熱效率、比油耗（有效油耗率）等性能指標(biāo)；汽輪一發(fā)電機(jī)組，則有機(jī)組的汽耗率和熱耗率及電廠的煤耗率。在運(yùn)行特性方面，因用途不同而異。如用于發(fā)電時(shí)，內(nèi)燃機(jī)，用油耗率、油耗量、排氣溫度與負(fù)荷之間的關(guān)系來(lái)描述；汽輪機(jī)，則以汽輪機(jī)組的功率(即負(fù)荷)與蒸汽消耗量、汽耗率之間的關(guān)系來(lái)描述。1.6.3動(dòng)力傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力需要通過(guò)某種機(jī)構(gòu)傳遞給工作機(jī)械，這種傳遞叫動(dòng)力傳動(dòng)。直接動(dòng)力傳動(dòng)——工作機(jī)械直接與原動(dòng)機(jī)聯(lián)結(jié)(如用聯(lián)軸器來(lái)聯(lián)結(jié)動(dòng)力機(jī)械與工作機(jī)械)。動(dòng)力損失少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但不能滿足變速離合、改變轉(zhuǎn)矩、改變轉(zhuǎn)向、長(zhǎng)距離的能量傳遞、差動(dòng)傳動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)等。

間接動(dòng)力傳動(dòng)——①機(jī)械傳動(dòng)，包括摩擦傳動(dòng)(如帶傳動(dòng))、嚙合傳動(dòng)(如齒輪傳動(dòng))及推壓傳動(dòng)(如杠桿傳動(dòng))。②流體動(dòng)力傳動(dòng)，有液壓傳動(dòng)(如汽車(chē)的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng))、液力傳動(dòng)(如裝載機(jī)中的液力傳動(dòng))及氣壓傳動(dòng)(如全氣控震壓造型機(jī)的氣動(dòng)系統(tǒng))。③電力或磁力傳動(dòng)，有電力拖動(dòng)、電磁離合或制動(dòng)傳動(dòng)。工程應(yīng)用上往往是多種動(dòng)力傳動(dòng)方式的組合，以便最有效和方便地將動(dòng)力傳遞給工作機(jī)械。1.7熱能與動(dòng)力技術(shù)和環(huán)境

1.7.1環(huán)境污染的主要方面因熱能利用與動(dòng)力技術(shù)的應(yīng)用所造成的環(huán)境污染，有以下幾個(gè)主要方面。1．熱污染在所有熱能利用和動(dòng)力技術(shù)應(yīng)用中都不可避免地伴隨著能量損失，而這些損失最終都以處于某種溫度下的熱能的形式傳給環(huán)境，使環(huán)境溫度升高，由此進(jìn)一步造成對(duì)環(huán)境的危害，稱為熱污染。如插圖1—2為電站冷卻水塔（及其它熱和動(dòng)力裝置）的大量水汽向大氣排放，會(huì)改變大氣的組成，使大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的透過(guò)率發(fā)生改變，進(jìn)而影響到氣候。插圖1—2

2．空氣污染以燃料為能源的各種車(chē)輛、供熱設(shè)備、熱力發(fā)電廠、工業(yè)加工用爐等的廢氣、廢料向環(huán)境的排放及廢物在大氣中的燃燒所造成對(duì)大氣的污染，為空氣污染。污染空氣的物質(zhì)有二氧化碳、氮氧化合物、氧化硫、碳?xì)浠衔?、一氧化碳、石油揮發(fā)物、碳煙、灰燼、鉛、金屬氧化物和各種煤煙等等。①二氧化碳②氮氧化合物③硫化物④微細(xì)顆粒。如插圖1--3顯示煙囪排放的大量黑煙及油井排氣的燃燒火焰對(duì)大氣的污染；插圖1--4顯示硫化物排放形成的酸雨對(duì)森林造成的危害;插圖1—5顯示因微粒等形成的霧霾天氣.插圖1—3

插圖1—4

插圖1---5霧霾天氣3．噪聲污染鍋爐、發(fā)動(dòng)機(jī)、空壓機(jī)等設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，由于機(jī)械振動(dòng)、進(jìn)氣或排氣中氣流的高速流動(dòng)和擴(kuò)張或收縮、燃料油的噴射霧化、燃燒過(guò)程中的壓力脈動(dòng)和傳播、氣體的高速噴射等等，都會(huì)形成噪聲。噪聲對(duì)人的心理、生理、聽(tīng)力、工作和睡眠都會(huì)造成不利的影響。4．放射性污染目前，放射性污染主要來(lái)自于核電站及燃煤電站的排煙。如插圖1—6顯示了切爾諾貝利核電站事故所造成的對(duì)周?chē)参锖屯寥赖奈：Α?．其他污染如熱電廠的粉塵(包括炭黑和飛灰)和灰渣，汽、水、油輸送過(guò)程中的跑冒滴漏，油船運(yùn)輸事故造成漏油使大面積水域受到污染等等。

插圖1—6

1.7.2環(huán)境污染的防治1)改善動(dòng)力機(jī)械和熱能利用的各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)，并研制新型高效裝置。2)采用高效、低污染的新型動(dòng)力循環(huán)。如煤氣化燃?xì)庖徽羝?lián)合循環(huán)。3)采用代用燃料與代用工質(zhì)，并禁用某些工質(zhì)。如以天然氣代替煤氣。4)開(kāi)發(fā)利用新能源和可再生能源。如太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等。5)研制性能優(yōu)良的技術(shù)部件。如新型的燃燒器、高效的脫硫除塵器。如插圖1—6為一種聯(lián)合的脫硫脫硝工藝。6)建立“噪聲綜合控制區(qū)”和進(jìn)行“環(huán)境噪聲達(dá)標(biāo)區(qū)”的建設(shè)。7)綜合治理環(huán)境。合理排放和處理廢氣、廢水、廢液、廢料。8)從可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)出發(fā)，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，推行環(huán)境無(wú)害化技術(shù)和清潔生產(chǎn)。第二章鍋爐結(jié)構(gòu)及原理

產(chǎn)生蒸汽或熱水的熱發(fā)生裝置可分為兩類：鍋爐——伴隨有燃燒反應(yīng)的、以產(chǎn)生蒸汽或熱水為目的的熱發(fā)生裝置。余熱鍋爐或廢熱鍋爐——在熱轉(zhuǎn)換裝置中并不伴隨有燃燒反應(yīng)，而是利用系統(tǒng)的余熱或廢熱產(chǎn)生蒸汽或熱水的熱發(fā)生裝置。

在這樣一個(gè)復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)化、熱量傳遞過(guò)程中:

燃料具有那些性質(zhì)？

如何組織燃料燃燒？

燃料燃燒放出的熱量如何傳遞給工質(zhì)？

如何實(shí)現(xiàn)工質(zhì)加熱、汽化、蒸發(fā)過(guò)熱過(guò)程?

在燃燒、傳熱過(guò)程中工質(zhì)的流動(dòng)、傳熱安全如何保證？

本章將從以下三個(gè)主要方面來(lái)講解:

燃料及燃燒設(shè)備;

鍋爐結(jié)構(gòu)及受熱面布置;

傳熱流動(dòng)與水循環(huán)特性.

第一節(jié)概述

鍋爐本體的組成可分成兩大部分：“爐子”——使燃料燃燒以獲得足夠熱能的設(shè)備?！板仭薄⒀b水及蒸汽的耐壓容器，并具有能吸收足夠熱量的受熱面。鍋爐的型式很多，圖2-1所示是具有中等容量和參數(shù)的火力發(fā)電廠鍋爐簡(jiǎn)圖。插圖2-1為電站鍋爐外形圖。

1—鍋筒，2--下降管，3—分隔屏過(guò)熱器，4—后屏過(guò)熱器，5—屏式再熱器，6--末級(jí)再熱器，7—末級(jí)過(guò)熱器，8—懸吊管，9—包覆管，10—過(guò)熱蒸汽出口，11—墻式輻射再熱器，12—低溫過(guò)熱器，13—省煤器，14—燃燒器，15—循環(huán)泵，16—水冷壁，17—空氣預(yù)熱器，18—磨煤機(jī)，19—除渣機(jī)，20、21—一、二次風(fēng)機(jī)，22—再熱蒸汽出口，23—給水泵圖2-12008t/h電站鍋爐示意圖插圖2-1電站鍋爐

一、鍋爐的基本構(gòu)造 鍋爐本體——爐膛、燃燒設(shè)備、鍋筒、水冷壁、過(guò)熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器和爐墻構(gòu)架。輔助設(shè)備——燃料供給、煤粉制備、送引風(fēng)、水處理及給水、除塵除灰和自動(dòng)控制等裝置。

現(xiàn)代大型自然循環(huán)高壓鍋爐所具有的主要部件及其作用如下：（1）爐膛保證燃料燃盡并使出口煙氣冷卻到對(duì)流受熱面能安全工作。由水冷壁與鍋筒、集箱和爐墻構(gòu)架所組成。爐膛火焰中心1500～1600℃，爐膛出口1000～1200℃左右。（2）鍋筒是自然循環(huán)鍋爐各受熱面的集散容器，將鍋爐各受熱面聯(lián)結(jié)在一起并和水冷壁，下降管等組成水循環(huán)回路。直流鍋爐無(wú)鍋筒。（3）水冷壁是鍋爐的主要輻射受熱面；另一作用是保護(hù)爐墻。其中凝渣管，防止過(guò)熱器結(jié)渣。

（4）燃燒設(shè)備按其燃燒方式可分為火床、火室、沸騰和旋風(fēng)爐燃燒設(shè)備。鍋爐所用燃燒方式因燃料不同，鍋爐容量不同而有差異。（5）過(guò)熱器將飽和蒸汽加熱到額定的過(guò)熱蒸汽溫度。煙氣從爐膛出口流過(guò)屏式過(guò)熱器和對(duì)流過(guò)熱器后，溫度降到500～600℃。（6）再熱器將汽輪機(jī)高壓缸排汽加熱到較高溫度，然后再送到汽輪機(jī)中壓缸膨脹作功。（7）省煤器利用鍋爐尾部煙氣的熱量加熱給水，降低排煙溫度，節(jié)約燃料。

（8）空氣預(yù)熱器加熱燃燒用的空氣，以加強(qiáng)著火和燃燒；吸收煙氣余熱，降低排煙溫度，提高鍋爐效率；為煤粉鍋爐制粉系統(tǒng)提供干燥劑。（9）爐墻是鍋爐的保護(hù)外殼，起密封和保溫作用。（10）構(gòu)架支承和固定鍋爐各部件，并保持其相對(duì)位置。

插圖2-2及2-3分別顯示了一臺(tái)正在安裝中的鍋爐側(cè)面和中部結(jié)構(gòu)，其中的水冷壁管清晰可見(jiàn)。

插圖2-2鍋爐側(cè)面

插圖2-3鍋爐中部

二、鍋爐的工作過(guò)程以火室燃燒的煤粉鍋爐為例：

1、煤粉制備與輸送流程原煤

煤斗

給煤機(jī)

磨煤機(jī)

粗細(xì)分離器

煤粉倉(cāng)

空氣預(yù)熱器

空氣

給粉機(jī)

爐膛

煤粉細(xì)粉

2、煙氣流程熱煙氣從爐膛

過(guò)熱器

省煤器

空氣預(yù)熱器

除塵器

引風(fēng)機(jī)

煙囪

水冷壁凝渣管140-170℃

3、工質(zhì)流程從除氧器來(lái)的給水

省煤器

鍋筒（經(jīng)水冷壁循環(huán)）

過(guò)熱器

回鍋爐再熱器

汽輪機(jī)中壓缸、低壓缸

冷凝器

汽輪機(jī)

高壓缸

三、鍋爐的分類

1．按用途分電站鍋爐、工業(yè)鍋爐、船用鍋爐、余熱鍋爐、機(jī)車(chē)鍋爐等。

2．按循環(huán)方式分(如圖2-2及圖2-45)

自然循環(huán)鍋爐——工質(zhì)依靠下降管中的水與上升管中汽水混合物之間的密度差進(jìn)行循環(huán)?？刂蒲h(huán)鍋爐——在蒸發(fā)受熱面的下降管與上升管之間裝有循環(huán)泵，用來(lái)提高循環(huán)回路的流動(dòng)壓頭，循環(huán)倍率約在3～5。

復(fù)合循環(huán)鍋爐直流鍋爐——工質(zhì)的循環(huán)是依靠給水泵的壓頭來(lái)完成的。

3、按出□工質(zhì)壓力分低壓鍋爐——壓力一般小于1.275MPa，用于工業(yè)鍋爐。中壓鍋爐——∽3.825MPa，用于電站、熱電站或工業(yè)鍋爐。高壓鍋爐——∽9.8MPa，用于電站、熱電站鍋爐。圖2-2自然循環(huán)、強(qiáng)制循環(huán)及直流鍋爐a)自然循環(huán)鍋爐b)強(qiáng)制循環(huán)鍋爐c)直流鍋爐

超高壓鍋爐——∽13.73MPa，用于電站鍋爐。亞臨界壓力鍋爐——∽16.67MPa，用于電站鍋爐。超臨界壓力鍋爐——23～25MPa，用于電站鍋爐。超超臨界壓力鍋爐——般大于27MPa，用于電站鍋爐。

4、按燃燒方式分火床燃燒鍋爐、火室燃燒鍋爐、流化床燃燒鍋爐和旋風(fēng)燃燒鍋爐。5、按所用燃料或能源分固體燃料鍋爐、液體燃料鍋爐、氣體燃料鍋爐、余熱鍋爐、原子能鍋爐和廢料鍋爐。

6、按排渣方式分固態(tài)排渣鍋爐和液態(tài)排渣鍋爐(如旋風(fēng)爐)。

7、按爐膛煙氣壓力分平衡通風(fēng)鍋爐、微正壓鍋爐和增壓鍋爐。

8、按整體外形分倒U（或稱п型）、塔型、箱型、T型、U型、N型、L型、D型、A型等。D型、A型用于工業(yè)鍋爐，其他爐型一般用于電站鍋爐。四、鍋爐容量、參數(shù)和型號(hào)

1、鍋爐的基本特性通常用：①鍋爐的蒸發(fā)量（t/h）——

連續(xù)額定蒸發(fā)量(ECR)—銘牌上所標(biāo)示的值；最大蒸發(fā)量(BMCR)。②蒸汽壓力(MPa)、蒸汽溫度(℃)——過(guò)熱器主汽閥出口處的過(guò)熱蒸汽壓力和過(guò)熱蒸汽溫度。③給水溫度(℃)——指進(jìn)省煤器的給水溫度，或者熱功率(MW)、出口熱水壓力(MPa)、出口熱水溫度(℃)和給水溫度或回水溫度（℃）等主要參數(shù)來(lái)描述。

2、鍋爐的參數(shù)系列。表2-1(略)是我國(guó)工業(yè)鍋爐參數(shù)系列；表2-2(略)是電站鍋爐參數(shù)系列。對(duì)于超臨界、超超臨界機(jī)組鍋爐尚無(wú)確定的系列參數(shù)。

3、我國(guó)鍋爐產(chǎn)品的型號(hào)表示法

圖2-3工業(yè)蒸汽鍋爐型號(hào)形式圖2-4電站鍋爐型號(hào)形式五、鍋爐的大氣污染與控制

插圖2-4顯示了因燃燒不良使?jié)鉄煗L滾，造成大

氣污染。插圖2-4鍋爐排煙的污染

鍋爐煙氣排入大氣，其中的重要污染環(huán)境物質(zhì)是：①煤灰——碳黑和飛灰； ②硫的氧化物(SOX)——二氧化硫、三氧化硫和硫酸氣體等；③氮的氧化物(NOX)——一氧化氮和少量二氧化氮。為保護(hù)環(huán)境，國(guó)家制定了鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，如表2-3、表2-4、表2-5及表2-6(略).第二節(jié)燃料特性與熱工計(jì)算一、鍋爐使用的燃料（一）燃料的分類燃料是一種由有機(jī)可燃質(zhì)、不可燃無(wú)機(jī)礦物質(zhì)（灰分）和水分等物質(zhì)組成的復(fù)雜的混合物。目前地球上的燃料可分為兩大類，即核燃料和有機(jī)燃料，鍋爐大都燃用有機(jī)燃料。鍋爐燃用的有機(jī)燃料分類見(jiàn)表2-5。表2-5燃料的分類類別天然燃料人工燃料固體燃料生物質(zhì)燃料，煤炭，煤矸石、油頁(yè)巖木炭，焦炭，泥煤磚，煤矸石，甘蔗渣，可燃垃圾等液體燃料石油汽油，煤油，柴油，瀝青，焦油氣體燃料天然氣高爐煤氣，發(fā)生爐煤氣，焦?fàn)t煤氣，液化石油氣

（二）燃料的組成固體燃料的成分有：碳(C)、氫(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)、水分（M）、灰分(A)。其中C、H、S為可燃元素。液體燃料的成分也是碳、氫、氧、氮、硫、水分和灰分，但碳和氫含量較高。氣體燃料有天然氣和人造氣兩類。天然氣分氣田氣和油田伴生氣兩種。氣田氣主要成分是甲烷；油田氣除含甲烷外，還有丙、丁烷等烷烴類，CO2含量也比氣田氣高。

（1）碳（C）——燃料中基本可燃元素，以各種碳?xì)浠衔锖吞佳趸衔锏臓顟B(tài)存在（2）氫（H）——燃料中熱值最高的元素，它多以碳?xì)浠衔锏臓顟B(tài)存在。（3）氧(O)和氮(N)——燃料中不可燃元素，以游離狀態(tài)和化合物狀態(tài)存在。氮是有害元素。（4）硫(S)——常以有機(jī)硫、黃鐵礦硫和硫酸鹽硫的形式存在，也是有害元素。硫是評(píng)價(jià)油質(zhì)的重要指標(biāo)。（5）灰分(A)——燃料中不可燃的礦物質(zhì)。灰分是影響燃料質(zhì)量的重要指標(biāo)。（6）水分(M)——也是不可燃成分，其含量變化很大。（三）燃料成分的基準(zhǔn)及其換算常用的基準(zhǔn)有以下四種：（1）收到基。以收到狀態(tài)的燃料為基準(zhǔn)計(jì)算燃料中全部成分的組合稱為收到基。以下角標(biāo)ar表示。（2-1）（2）空氣干燥基。以與空氣溫度達(dá)到平衡狀態(tài)的燃料為基準(zhǔn)?？諝飧稍锘韵陆菢?biāo)ad表示。（2-2）（3）干燥基。以假想無(wú)水狀態(tài)的燃料為基準(zhǔn)，以下角標(biāo)d表示（2-3）

（4）干燥無(wú)灰基。以假想無(wú)水、無(wú)灰狀態(tài)的煤為基準(zhǔn)，以下角標(biāo)daf表示。（2-4）干燥無(wú)灰基可作為燃料分類的依據(jù)。燃料成分及其各種基準(zhǔn)的關(guān)系如圖2-5，各種成分的基準(zhǔn)換算可按以下公式進(jìn)行：（2-5）換算系數(shù)可由表2-6(略)查出。圖2-5燃料成分及其各種基準(zhǔn)的關(guān)系示意圖（四）燃料的性質(zhì)

1、煤的基本性質(zhì)、成分及發(fā)熱量（1）煤的基本性質(zhì)（a）無(wú)煙煤干燥無(wú)灰基揮發(fā)分一般在10%以下。含碳量通常在40%以上(高的可達(dá)95%)。發(fā)熱量約在21000～32500千焦/千克。無(wú)煙煤揮發(fā)分析出溫度較高，著火和燃盡都比較困難。 （b）煙煤煙煤干燥無(wú)灰基揮發(fā)分含量較高，一般在20～45%，含碳量約在40～60%或更高。煙煤發(fā)熱量一般在20000～30000千焦/千克。煙煤較易著火和燃盡，但對(duì)高灰分劣質(zhì)煙煤除外。

（c）貧煤貧煤碳化程度略低于無(wú)煙煤，揮發(fā)分一般在10～20%，燃燒特性優(yōu)于無(wú)煙煤，但仍屬反應(yīng)性能較差的煤。 （d）褐煤干燥無(wú)灰基揮發(fā)分含量約40～50%，揮發(fā)分析出溫度較低，所以很容易著火和燃燒。但其水分和灰分都較高。發(fā)熱量一般僅10000～20000千焦/千克。

（2）煤的成分 （a）煤的元素分析成分——指煤中碳、氫、氧、氮和硫。元素成分分析時(shí)，只要測(cè)出碳、氫、氮和硫，氧可用下式計(jì)算：（2-6）（b）煤的工業(yè)分析成分——包括水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳。工業(yè)分析成分時(shí)，只要測(cè)出水分、灰分、揮發(fā)分可按下式計(jì)算出固定碳：（2-7）（3）煤的發(fā)熱量 煤?jiǎn)挝毁|(zhì)量完全燃燒時(shí)所放出的熱量稱為煤的發(fā)熱值。高位發(fā)熱值——將燃燒后所產(chǎn)生的水蒸汽的潛熱計(jì)入時(shí)，以Qgrt表示；低位發(fā)熱值——將燃燒后所產(chǎn)生的水蒸汽的潛熱不計(jì)入時(shí)，以

Qnet表示。我國(guó)在鍋爐計(jì)算中以低位發(fā)熱值為準(zhǔn)。由氧彈測(cè)熱器所測(cè)出的發(fā)熱值為空氣干燥基氧彈發(fā)熱值Qdt,v,ad

，可用下式換算成空氣干燥基高位熱值Qgr,v,ad（2-8）

由空氣干燥煤樣的高位發(fā)熱值可換算出空氣干燥基低位發(fā)熱值（2-9）上述也適用于收到基。對(duì)于干燥基和干燥無(wú)灰基：（2-10）

（2-11）

2、生物質(zhì)生物質(zhì)由C,H,O,N,S，P，K，A和M等元素組成,是空氣中的CO2

、水和太陽(yáng)光通過(guò)光合作用的產(chǎn)物。生物質(zhì)分為四類:木本植物、草本植物、水生植物和肥料。廣義的生物質(zhì)還包括城市垃圾、工農(nóng)業(yè)廢棄物等。生物質(zhì)燃料中可燃部分主要是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素。熱值為17600～22600kJ/kg,隨著含濕量的增加,生物質(zhì)的熱值線性下降。表2-7(略)是幾種生物質(zhì)的工業(yè)和元素成分。

3、燃料油鍋爐常用燃料油有柴油和重油兩大類。柴油——一般多用于中、小型工業(yè)鍋爐和生活鍋爐；重油——多用于電廠鍋爐的點(diǎn)火及低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)燃。燃料油的特性指標(biāo)有粘度、凝固點(diǎn)、閃點(diǎn)、燃點(diǎn)、含硫量和含灰分量等。（1）粘度粘度是表征液體燃料流動(dòng)性能的指標(biāo)，常用恩氏粘度oE來(lái)表示。

（2）凝固點(diǎn)凝固點(diǎn)是表征燃油喪失流動(dòng)性能時(shí)的溫度。含石蠟高的油，其凝固點(diǎn)高。（3）閃點(diǎn)及燃點(diǎn)燃油的閃點(diǎn)——當(dāng)油氣和空氣的混合物與明火接觸而發(fā)生短促閃光時(shí)的油溫。燃點(diǎn)——油面上的油氣和空氣的混合物遇到明火能著火燃燒并持續(xù)5s以上的最低油溫。閃點(diǎn)和燃點(diǎn)是燃油防火的重要指標(biāo)。

（4）含硫量燃油的含硫量高，會(huì)對(duì)鍋爐低溫受熱面產(chǎn)生腐蝕。（5）灰分重油的灰分雖少，但灰中常含有釩、鈉等元素的化合物，對(duì)壁溫高于610℃的受熱面會(huì)產(chǎn)生高溫腐蝕。

4、氣體燃料氣體燃料分為天然氣體燃料和人工氣體燃料兩大類。主要的可燃?xì)怏w成分有甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)等，不可燃?xì)怏w成分有二氧化碳(CO2)等。

天然氣體燃料——有氣田氣、油田氣、煤田氣。氣田天然氣主要成分是甲烷，熱值較高。油田氣主要成分也是甲烷，其的體積分?jǐn)?shù)為80％左右。煤田氣通常稱為礦井瓦斯或礦井氣。熱值較低。人工氣體燃料——是以煤、石油產(chǎn)品或各種有機(jī)物為原料，經(jīng)過(guò)各種加工方法而得到。主要的人工氣體燃料有：氣化爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣、液化石油氣、油制氣、沼氣。各種氣體的成分都不一樣。二、燃燒計(jì)算與熱平衡計(jì)算（一）燃燒計(jì)算鍋爐燃燒計(jì)算主要確定燃料燃燒所需的空氣量、煙氣產(chǎn)物、煙氣量以及它們的焓；在完全燃燒時(shí)（碳）（2-12）（氫）（2-13）（硫）（2-14）

如不完全燃燒，則生成一氧化碳，所放出的反應(yīng)熱也相應(yīng)減少，即（碳）（2-15）在進(jìn)行燃燒計(jì)算時(shí)，把空氣和煙氣均看作為理想氣體。

1、固體及液體燃料的理論空氣量

1kg固體及液體燃料完全燃燒并且燃燒產(chǎn)物(煙氣)中無(wú)自由氧存在時(shí)，所需要的空氣量(指干空氣)稱為理論空氣量或化學(xué)計(jì)量空氣量，并以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(m3／kg)或(kg／kg)來(lái)表示。lkg燃料完全燃燒所需要的理論空氣量為（2-16）用質(zhì)量表示的理論空氣量為（2-17）

2、實(shí)際空氣量、過(guò)量空氣系數(shù)和漏風(fēng)系數(shù)實(shí)際空氣量與理論空氣量的比值稱為過(guò)量空氣系數(shù)或空氣燃料當(dāng)量比，用或表示，即或（2-18）式中：用于煙氣量的計(jì)算；用于空氣量的計(jì)算。

通常所指的過(guò)量空氣系數(shù)是爐膛出口處的值，它是一個(gè)影響鍋爐燃燒工況及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的非常重要的指標(biāo)。通常最佳數(shù)值，對(duì)于燃煤鍋爐為1.2～1.3；燃油鍋爐為1.05～1.10；燃?xì)忮仩t為1.03～1.10。

鍋爐實(shí)際運(yùn)行中的過(guò)量空氣系數(shù)一般通過(guò)測(cè)量煙氣中的三原子氣體、氧氣和可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)按下式計(jì)算：

（2-19）許多鍋爐為微負(fù)壓燃燒，外界空氣將從爐膛、煙道的不嚴(yán)密處漏入爐內(nèi)，使得鍋爐的煙氣量隨著煙氣流程而一路增大。

各部件所在煙道處漏入的空氣量的與理論空氣量比值，稱為該煙道的漏風(fēng)系數(shù)，以表示，即（2-20）鍋爐各煙道漏風(fēng)系數(shù)的大小取決于負(fù)壓的大小及煙道的結(jié)構(gòu)型式，一般為0.01～0.1。若鍋爐為微正壓燃燒，則煙道的漏風(fēng)系數(shù)為零。

3、固體及液體燃料理論煙氣量和實(shí)際煙氣量①理論煙氣量——當(dāng)只供給理論空氣量時(shí)，燃料完全燃燒后產(chǎn)生的煙氣量。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1kg固體及液體燃料燃燒時(shí)的理論煙氣量為（2-21）式中（2-22）（2-23）

用表示三原氣體的體積，則（2-24）理論氮?dú)怏w積包括兩部分：（2-25）于是，不含有水蒸氣的理論干煙氣的體積為

（2-26）理論水蒸氣的體積來(lái)源三個(gè)方面，故為

（2-27）

對(duì)于蒸汽霧化燃油的鍋爐，其理論水蒸氣容積為：（2-28）理論煙氣量為：（2-29）

②實(shí)際煙氣量——因有過(guò)量空氣及隨過(guò)量空氣帶入的水蒸氣。實(shí)際煙氣體積（2-30）式中（2-31）（2-32）則得（2-33）

實(shí)際氮?dú)獾捏w積為：（2-34）過(guò)量空氣中的氧氣體積為：（2-35）因此，實(shí)際煙氣體積也可寫(xiě)成：（2-36）

4、煙氣焓值的確定煙氣焓的計(jì)算是以1kg固體及液體燃料或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1m3氣體燃料為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算的，并且以0℃作為起算點(diǎn)。煙氣焓值等于理論煙氣焓、過(guò)量空氣焓和飛灰焓之和，即（2-37）式中，為理論煙氣體積的焓（kJ/kg或kJ/m3）。當(dāng)溫度為℃時(shí)，其值為（2-38）

由于煙氣中SO2的含量較CO2的含量少得多，計(jì)算中可取。為理論空氣焓，其值為（2-39）

（2-40）

一般來(lái)說(shuō)，只有當(dāng)時(shí)，飛灰焓才需計(jì)入煙氣焓中，否則可略去不計(jì)。例2．1一臺(tái)的煤粉爐，燃料主要成分﹝w﹞，﹝w﹞，

﹝w﹞，﹝w﹞，

﹝w﹞，﹝w﹞，

﹝w﹞，﹝w﹞，，在爐膛出口溫度1100℃時(shí)，煙氣各成分的焓為：，，，，。爐膛出口平均過(guò)量空氣系數(shù)，求理論空氣量、爐膛出口實(shí)際煙氣量和煙氣的焓。

解：(1)理論空氣量和實(shí)際煙氣量理論空氣量：三原子氣體容積：理論氮?dú)馊莘e：理論水蒸汽容積：實(shí)際水蒸汽容積：實(shí)際煙氣量：

(2)

爐膛出口煙氣焓理論空氣焓：理論煙氣焓：煙氣焓：(二)鍋爐熱平衡計(jì)算熱平衡計(jì)算主要確定鍋爐的各項(xiàng)熱損失、鍋爐效率以及燃料消耗量。

1、熱平衡基本原理 所謂鍋爐熱平衡是指鍋爐的輸入熱量與輸出熱量(包括有效利用熱和各項(xiàng)熱損失)之間的平衡。

圖2-6為鍋爐熱平衡示意圖根據(jù)圖2-6可以寫(xiě)出如下熱平衡方程式：

(2-41)圖2-6鍋爐熱平衡示意圖1—上聯(lián)箱2—上