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460MW母管制仿真机培训教材 仿真机培训教材（基础知识篇）滨州魏桥热电有限公司2005年7月25日目 录第一节 流体力学基础知识3第二节 热力学基础知识11第三节 传热学基础知识16第四节 电厂金属材料基础知识18第五节 热工测量基础知识20第一节 流体力学基础知识1. 识记以下基本概念：1.1 流体力学：是研究静止流体的力学规律和运动流体的能量转化及能量损失规律的一门学科。1.2 力：是动力学的基本概念。牛顿第一定律给出力的定义为：力是物体间的一种相互作用。由于有了这种作用，物体才会改变速度，即获得加速度。1.3 力的三要素：力的大小、方向和力的作用点。1.4 质量：物体惯性的量度，是指物体所含物质的多少。物体的质量与其惯性成正比。1.5 表面力、质量力、重力、惯性力。作用在物体上的力分为表面力和质量力两种。表面力：作用在液体表面上的，并与其表面积成正比的力。表面力有外力和内力之分，内力是由于液体质点间相互作用而产生的。液体的内与外力的平衡条件是在液体的边界上。质量力：作用在液体内部每一质点上且与质量成正比的力。质量力分为重力和惯性力两种： 重力：地球对其表面附近物体的引力。用“N”表示，即：式中 物体的重量，N；物体的质量，；g物体的重力加速度，m/s2。惯性力：液体做加速运动时产生的力。1.6 牛顿第一定律（惯性定律）：任何物体都保持静止或匀速直线运动状态，除非它受到作用力而被迫改变这种状态。它包含两个重要的物理概念：一是惯性：物体保持原有运动状态不变的特性与其他物体的作用无关的固有属性。二是力的概念。1.7 牛顿第二定律：物体受到外力的作用时，所获得的加速度a的大小与外力F的大小成正比，与物体的质量m成反比，加速度的方向与外力的方向相同。数学表达为：F=ma式中 F作用力，N；m物体的质量，；a物体的加速度，m/s2。1N=1kgm/s2表示1kg质量的物体产生1m/s2加速度的力。1.8 牛顿第三定律（作用力与反作用力定律）：若物体A以力F1作用于物体B，则同时物体B必以力F2作用于物体A，这两个力的大小相等，方向相反，而且沿同一直线。如果F1、F2的一个力叫作用力，另一个力叫做反作用力。1.9 流体：是液体和气体的总称。1.10 流体的密度：单位体积的流体所具有的质量。用“”表示，即：式中 流体的密度，/m3；m流体的质量，；V流体的容积，m3。在压力一定时，流体的密度随温度的增加而减小；当温度一定时，流体的密度随压力的增加而增加。1.11 流体的比容：单位质量的工质所占的容积。用“v”表示，单位是m3/，即：式中 v流体的比容，m3/；V流体的容积，m3；m流体的质量，。1.12 液体静压力：作用在静止液体任意面积上和总压力。液体静压力的两个特性：一是液体静压力总是垂直并指向作用面的；二是液体内任一点的各个方向的液体静压力均相等。1.13 ：液体静力学基本方程式：式中 p0作用在液面上的压力，N/m2；P 液深为h处的静压力，N/m2；流体的密度，/m3；g物体的重力加速度，m/s2；h 液体的深度，m。上式表明液体的静压力是随深度按直线规律变化的，即点的位置越深，静威力越大。1.14 压力：物体单位面积上所受到的垂直作用力称为压力(压强)，用符号P表示：上式中 P压力，pa；A面积，m2；F作用在面积且上的垂直作用力，N。1.15 标准大气压：包围在地球外表面的大气层由于自身的重力而形成大气压力。大气压力值一般和高度、当地温度和湿度有关。物理学规定，45纬度的海平面上，常年大气压力的平均值为1标准大气压。气压计显示为760mmHg，它与法定计量单位Pa的关系为：1标准大气压=760mmHg=1.013251051.16 工程大气压：工程计算中，以往常用工程大气压表示，换算关系：1工程大气压=1kgf/cm2 =735.6=9.81104Pa=1104mmH2O1.17 绝对压力、表压力的关系：容器内介质压力有的高于大气压力，有的低于大气压力。介质压力高于大气压的称正压，低于大气压的称负压。火力发电厂中处于正压下工作的设备有：锅炉汽包、蒸汽管路、给水管路等；处于负压下工作的设备有：负压燃烧炉膛、吸风机前烟道及制粉系统等。压力按压力基准不同分为绝对压力与表压力。绝对压力是指容器内完全没有压力时作为压力起点算起的压力，为容器内实际的压力；表压力是以大气压力为起点算起的压力。表压力有可能高于或低于大气压力。前者数值为正，后者数值为负。负压有时称真空，如凝汽器真空。上述压力关系： 绝对压力=大气压力+表压力1.18 真空、真空度：真空：当容器内的压力低于大气压力时，把低于大气压的部分叫真空。真空=大气压力绝对压力用百分数来表示真空值的大小，称为真空度。真空度=100%1.19 流量、平均流速、体积流量、质量流量。流量：单位时间内，通过与管内液流方向相垂直的断面的液体数量。其数量用体积表示，叫体积流量，用qv表示，单位m3/s；其数量用质量表示，叫质量流量，用qm表示，单位kg/s。平均流速：流体在流过横断面时，其各点都具有相同的流速，在这个流速下，所流过的流量与同一断面各点以实际流速流动时所流过的流量相当，这个流速称平均流速。记为c，单位为m/s。体积流量Q，等于平均流速c与管子横断面积A之积。qvcA m3/s质量流量等于流体密度，平均流速c与管子断面积A之连乘积。qm=r cA kg/s1.20 雷诺数、层流、紊流。在管道内流动的流体有两种流动状态，即层流和紊流。层流：液体各质点互不掺混的定向分层流动。流体质点只沿管子作轴向运动。紊流：液体的各质点互相掺混的不定向流动。流体质点不仅沿管子作轴向运动，同时作横向流动。当流体在管道内的流速c与管道内径d的乘积再与流体的运动粘度v比的值小于2320时，一定是层流流动；而大于104时，一定是紊流运动；在2320与104之间时为层流向紊流过渡段，数学表达式为：上式中： Re称为雷诺数，单位m/s。1.21 水锤、正水锤、负水锤。液体在压力管道中流动时，由于阀门的突然关闭、开启或水泵突然停止而造成管道中水压力反复急剧的变化并迅速衰减的现象，称为水锤。水水锤产生的内因是液体的惯性和压缩性，外因是外部挠动（如大泵的启停、阀门的开关等）。在管道上，由于阀门迅速关闭或水泵突然停止而引起水流速度迅速减小、压力急剧升高的现象，称为正水锤。正水锤所产生的压力可达正常工作压力的几十倍至几百倍，以致于管壁产生很大的应力。而压力的反复变化将引起管道和设备的振动，管道的应力交变变化，将造成管道、管件和设备的损坏。水锤的破坏作用在下述的情况下容易发生：水泵的排出管爬升高度较大、管道长、排水压力不大，因而管道强度不高的情况下，当遇到断电，泵突然停止时，容易产生严重水锤。当泵突然停转时，大量的排水管道中的水，因受重力和压力的作用而产生急剧的倒流现象，使泵前的逆止阀瞬间关闭，因而在排出管道中产生过高的压力，严重时就会导致管道爆裂。管道上的阀门，由于迅速开大，流速急剧增大，使管道中压力急剧下降而产生的水锤称为负水锤。负水锤时，管道中的压力降低，也会引起管路和设备振动。应力交递变化，对设备有不利的影响。如压力降得过低，可能使管中产生不利的真空，在外界压力的作用下，会将管道挤扁。为预防水锤的危害，保证设备安全运行，可采取以下措施：延长阀门的开闭时间可能缩短管道长度；在管道上装设安全阀或空气室，以限制压力突然升高或压力降得太低等；避免断电事故的发生等。2. 理解：2.1 理解流体的、流动性、压缩性、膨胀性、粘滞性。液体的流动性：是流体的基本特性，它是在流体自身重力或外力作用下产生的，也是流体容易通过管道输送的原因。流体的压缩性：流体体积的大小随它所受压力的变化而变化。作用在流体上的压力增加，流体体积将缩小。流体的压缩性：流体的体积随温度变化而变化，当温度升高时，体积膨胀。流体的粘滞性：流体运动时，流体间产生内摩擦力的性质。内摩擦力具有阻止运动的性质，是流体运动时产生能量损失的原因。气体的粘滞性系数随温度的升高而升高，液体的粘滞性系数则随温度升高而降低。3. 领会：3.1 各不同压力单位之间的换算：1MPa=103kPa=106Pa=106N/m210kgf/cm21kgf/cm2=10mh2O=0.1MPa3.2 水蒸汽流经喷管后，压力下降，温度下降，速度增加，焓值减少。3.3 流体在管道中流动产生的阻力损失有沿程阻力损失和局部阻力损失。沿程阻力损失：沿程阻力是流体运动时，由于液体质点与管壁、液体质点之间存在着相对运动而产生摩擦，因而造成能量损失。沿程能头损失计算式如下：式中 沿程阻力系数；L管子长，m；d管子直径，m；c平均流速，m/s；g重力加速度，m/s2。沿程阻力的影响因素：(1)流体运动状态；Re2320时，为层流流动；Re2320时，为紊流流动。(2)管子粗糙度；任何管子，由于材料、加工及腐蚀等因素的影响，管子壁面总是凹凸不平的。管壁的平均突出高度称为管壁的绝对粗糙度。绝对粗糙度与管径d之比，称为相对粗糙度；管径d与绝对粗糙度之比，称为相对光滑度。显然，相对光滑度越高，管子内壁面越光滑。管内流体作紊流运动时，靠近管壁很薄的一层流体处于层流运动状态。这一层流体，称为层流边界层。如果层流边界层的厚度大于绝对粗糙度，则管壁粗糙度不影响流动阻力损失，这种管子称为光滑管；若层流边界层小于壁面的绝对粗糙度时，管壁的突出部分伸入到紊流中，流体流过突出部分之后形成旋涡，造成额外的能量损失，所以流动阻力与管子粗糙度有关，这种管子称为粗糙管。层流边界层的厚度是随流速的增大而变薄。当管子为光滑管时，随流速的提高变小，使时，光滑管就变成了粗糙管；反之，粗糙管也可以变成光滑管。(3)其他因素：流体的阻力与管路长度成正比，与管径成反比。此外，流体阻力还受流体粘性的影响，当流体粘性增加时，流体阻力增大。局部阻力损失：流体流经管路附件时，出现突然扩大或收缩时，形成涡流，产生较强烈的撞击和掺混造成的能量损失称为局部阻力损失。它与形成局部阻力损失的附件形状有关。局部能头损失计算式为：式中 局部能头损失，m；局部阻力系数；c平均流速，m/s。局部阻力系数是一个无量纲量，此系数的值与管件构造的特点和在流体中形成涡流程度有关通常由实验的方法获得，并可在专门的手册中查到。如果在某一管路，有两种以上的局部阻力，则总局部阻力系数等于各局部阻力系数之和。流体流过某一管路时，其总阻力等于沿程阻力与局部阻力之和。例题：有一台离心泵，在吸水管上装有弯头一个，逆止阀及进水网一个，设离心泵的吸水量qv0.016m3/s，吸水管道的直径d=0.15m，管长L=10m，试求吸水管的总能头损失。已知弯头的局部阻力系数0.2，逆止阀及进水网的局部阻力系数=6.0，沿程阻力系数0.02。解：局部能头损失：沿程能头损失：总能头损失：=0.2630.057=0.32 (mh2O)第二节 热力学基础知识工程热力学是研究热能与机械能相互转换规律的学科。1. 识记基本概念：1.1 工质、温度、压力、比容、密度、内能、焓、熵。工质：热机中热能转变为机械能的一种媒介物质（如蒸汽、燃气等），依靠它在热机的状态变化（如膨胀）才能获得功。火电厂的工质应具有良好的膨胀性，流动性和热力性能稳定，其次还要求价廉、易取、无毒、无腐蚀性等。目前广泛采用水蒸汽作为工质。描写工质状态特性的物理量称为状态参数。常用工质状态参数有温度、压力、比容、焓、熵、内能等。基本状态参数有温度、压力、比容。温度：衡量物体冷热程度的物理量，也表示分子运动的平均动能的大小。对温度高低量度的标尺称为温标。常用温标有摄氏温标和热力学温标。二者换算关系为：t = T273.15()压力：分子不规则运动垂直作用于单位面积上的力。用Pa表示，1Pa=1N/m2；1mmH2O=9.81N/m2。内能：气体内部分子运动所形成的内动能和由于分子相互之间的吸引力所形成的内位能的总和。用U表示：U=mu式中 U mkg气体的内能；u1气体的内能。气体的内动能与温度有关，内位能与比容有关。比焓：在某一状态下单位质量工质比容为v，所受压力为p，该工质必须具备pv的压力位能。单位质量工质的内能和压力位能之和称为比焓，符号h，单位J/kg。定义式：对于mkg的工质，其内能和压力位能之和称为焓，单位kJ。定义式为：式中 H焓，J；U内能，J；P压力，Pa；V体积，m3。由上式可看出，工质的状态一定，则内能U及pv一定，焓一定，即焓仅由状态参数决定，故焓也是状态参数。熵：是气体的重参数之一。在没有摩擦的平衡过程中，单位质量的工质吸收的热量与工质吸热时的绝对温度T的比值叫熵的增加量。表达式为：熵的单位是J/(K)，在可逆过程中：0，熵增加，表示气体进行吸热过程；0，熵减少，表示气体进行放热过程；= 0，熵不变，表示气体经历绝热过程。状态参数熵在动力工程中的的作用：1) 利用熵的变化，判断工质与外界热交换的方向性；2) 熵与热力学温度组成的示热图，可以表示1工质在任意过程中所吸收（或放出）的热量。3) 利用熵增的原理，判定自发的，不可逆过程所进行的方向和程度。4) 利用熵增大小分析工质做功能力损失。1.2 热量：温度不同的两个物体互相接触时，高温物体逐渐变冷，低温物体逐渐变热。显然有一部分热能从高温物体传给了低温物体，两个物体间所传递的这个热能称为热量。单位质量的物质传递的热量用符号表示，单位为/。一定质量的物质传递的热量用符号Q表示，单位为kJ。热力工程上规定：系统吸热时，热量为正值；系统放热时，热量为负值。1.3 比热容：单位数量（质量或或容积）经物质温度升高（或降低）1吸收的热量称为气体的单位热容量，简称气体的比热也称比热容。比热表示了单位数量的物质容纳或贮存热量的能力。质量比热容用“c”表示，单位为J/（）。 影响比热容的主要因素有温度和加热条件，一般说来，随温度的升高，物质比热容的数值也增大；定压加热的比热容大于定容加热的比热容。此外，分子中原子数目、物质性质、气体的压力等因素也会对比热容产生影响。1.4 热容量：质量为m的物质，温度升高(或降低)1所吸收(或放出)的热量称为该物质的热容。热容C=mc，热容的大小等于物体质量与比热的乘积，热容与质量有关，比热容与质量无关。对于相同质量的物体，比热容大的热容大；对于同一物质，质量大的热容大。1.5 等容过程、等温过程、等压过程、绝热过程。等容过程：容积（比容）保持不变的情况下进行的过程。等温过程：温度不变的情况下进行的热力过程。等压过程：工质的压力保持不变的过程。绝热过程：在与外界没有热量交换情况下所进行的过程。1.6 汽化、凝结、汽水动态来衡、饱和状态、饱和水、饱和压力、饱和温度。汽化：物质从液态变成汽态的过程。分为蒸发和沸腾两种形式。蒸发：液体表面在任何温度下进行的比较缓慢的汽化现象。沸腾：液体表面和内部同时进行的剧烈的汽化现象。凝结：物质从气态变成液态的现象，也叫液化。水蒸汽凝结的特点：l 一定压力下的水蒸汽，必须降到该压力所对应的凝结温度才开始凝结成液体。这个凝结温度叫液体沸点，压力降低，凝结温度随之降低，反之则凝结温度升高。l 在凝结温度下，水从水蒸汽中不断吸收热量，则水蒸汽可以不断凝结成水、并保持温度不变。汽水动态平衡：一定压力下汽水共存的密封容器内，液体和蒸汽的分子在不停地运动，有的跑出液面，有的返回液面。当从水中飞出分子数目等于因相互碰撞而返回水中的分子数时，这种状态称为汽水动态平衡。饱和状态：处于动态平衡的汽、液共存的状态。饱和温度：在饱和状态时，液体和蒸汽的温度相同，这个温度称为饱和温度；饱和压力：液体和蒸汽的压力也相同，该压力称为饱和压力。饱和水：饱和状态的水称为饱和水；饱和蒸汽：饱和状态下的蒸汽称为饱和蒸汽。饱和压力随饱和温度升高而增高：温度升高，分子的平均动能增大，从水中飞出的分子数目越多，因而使汽侧分子密度增大。同时蒸汽分子的平均运动速度也随着增加，这样就使得蒸汽分子对器壁的碰撞增强，其结果使得压力增大，所以说，饱和压力随饱和温度升高而增高。湿饱和蒸汽：在水达到饱和温度后，如定压加热，则饱和水开始汽化，在水没有完全汽化之前，含有饱和水的蒸汽叫湿饱和蒸汽，简称湿蒸汽。干饱和蒸汽：湿饱和蒸汽继续在定压条件下加热，水完全汽化成蒸汽时的状态叫干饱和蒸汽。过热蒸汽：干饱和蒸汽继续定压加热，蒸汽温度上升而超过饱和温度时，就变成过热蒸汽。干度：1湿蒸汽中含有干蒸汽的重量百分数叫做干度，用符号x，表示x =干蒸汽的重量湿蒸汽的重量干度是湿蒸汽的一个状态参数，它表示湿蒸汽的干燥程度；x值越大，则蒸汽越干燥。湿度：1kg湿蒸汽中含有饱和水的重量百分数称为湿度，以符号(1x)表示。1.7 水蒸汽的产生过程：水蒸气是电厂中的主要工作物质，它是水在锅炉中进行定压加热产生的，如图1其形成过程是：如图2所示，取1kg 0水，装在带有活塞的汽缸中，设活塞上承受一个不变的压力p，此时水温低于压力p下的饱和温度，称之为未饱和水，它对应于坐标图上d点。对未饱和水加热，随着水的温度升高，其比容也增大，因水的膨胀性很小，故比容变化不明显。当水温升高到饱和温度时，水内部发生汽化，此时的水为饱和水，对应坐标图中b点。若对饱和水继续加热，汽缸中的水不断地变为蒸汽，使得汽量增加而水量减少。这时水和汽的温度都不变，仍然等于饱和温度，此时汽缸中的汽水混合物称为湿饱和蒸汽，对应于图中的x点。对湿蒸汽继续加热至某一瞬间，如图中c点所示，汽缸中最后一滴水也变成了蒸汽，这种不含水分的饱和蒸汽称为干饱和蒸汽。对干饱和蒸汽继续加热，蒸汽温度高于相应压力下的饱和温度，此时的蒸汽称为过热蒸汽。对1kg水加热，直至其变为过热蒸汽所需要的热量，可采用过热蒸汽的焓减去未饱和水的焓求得，即：式中 q吸热量，kJ/kg；h过热蒸汽焓，kJ/kg；h0未饱和水焓，kJ/kg。图1 图1 水蒸汽定压形成过程的pv图图1 水蒸汽定压形成过程的Ts图1.8 热力循环、循环的热效率。热力循环：工质从某一状态点开始，经过一系列的状态变化又回到原来这一状态点的封闭变化过程叫做热力循环，简称循环。循环热效率：工质每完成一个循环所做的净功w和工质在循环中从高温热源吸收的热量q的比值叫做循环热效率，即：循环的热效率说明了循环中热转变为功的程度，越高，说明工质从热源吸收的热量中转变为功的部分就越多，反之转变为功的部分越少。1.9 水击。水击，是指蒸汽或汽水混合物进入比其饱和温度低的水中产生蒸汽骤然凝结时发出敲击声并产生振动的现象。其物理过程是蒸汽或汽水混合物以一定的速度冲入冷水中形成许多汽泡，这些汽泡遇冷急剧凝结形成高真空，同时周围的水以很高的速度向真空区冲去，形成强烈的冲击，其局部压力可高达几十个兆帕(几百个大气压)，同时产生很大的响声和振动。1.10 节流。节流：工质在管道内流动时，由于流道截面积突然缩小，使工质的压力降低，流速增高，这种现象称为节流。2. 理解：2.1 朗肯循环。朗肯循环是由蒸汽锅炉（省煤器、水冷壁、过热器）、汽轮机、凝汽器和给水泵组成。如下图：朗肯循环的工作过程：给水进入锅炉的省煤器、水冷壁定压下加热生成饱和蒸汽，然后在过热器中定压加热成过热蒸汽，其吸收的热量等于过热蒸汽的焓与给水的焓之差，即；过热蒸汽进入汽轮机绝热膨胀做功，在汽轮机中转变为膨胀功的热量等于过热蒸汽焓与乏汽焓之差，即；最后蒸汽排入凝汽器定压放热冷凝成水，放热量为。朗肯循环中有效热等于锅炉中吸收的热与在凝汽器中放出的热量之差，即：，凝结水焓与给水焓相等。这样朗肯循环效率为：式中 朗肯循环效率；1kg蒸汽在汽轮机中转变为功的热，也称焓降，kJ/kg；1kg蒸汽在锅炉中定压吸收的热量，kJ/kg。朗肯循环效率等于汽轮机中转变为功的有用热与锅炉吸收的总热量之比。蒸汽参数对朗肯效率的影响：初温初压对效率的影响：由右边式子可知：在背压(乏汽压力)一定的情况下，其凝结水焓不变，提高锅炉的初始压力、温度后，过热蒸汽焓将提高，由下式可知，即：锅炉的吸热量随锅炉参数提高而增加；另一方面由于背压不变，则乏汽向冷凝汽排放的热量亦不变，因而 的比值将变小，显然，朗肯循环效率随蒸汽初参数的提高而提高，这就是随着锅炉的发展，蒸汽初参数不断提高的原因。2.2 卡诺循环的概念；卡诺循环是由等温吸热(12)、绝热膨胀(23)、等温放热(34)和绝热压缩(41)四个可逆过程组成的一个可逆循环。从得出以下几点结论：(1)卡诺循环的热效率决定于热源温度T1，和冷源温度T2，而与工质性质无关，提高T1，降低T2，可以提高循环热效率。(2)卡诺循环热效率只能小于1，而不能等于1，因为要使T1=(无穷大)或T2=0(绝对零度)都是不可能的。也就是说，q2损失只能减少，而无法避免。(3)当T1=T2时，卡诺循环的热效率为零。也就是说，在没有温差的体系中，无法实现热能转变为机械能的热力循环，或者说，只有一个热源装置而无冷却装置的热机是无法实现的。2.3 热力学第零定律；热力学第一定律、热力学第二定律。1) 热力学第零定律若两个热力系分别与第三个热力系平衡时，那么，这两个热力系彼此也处于热平衡。这是热力学的一个基本实验结果，称为热力学第零定律。热力学第零定律；说明一切系统必定有一个共同的表征宏观热状况的状态参数。对于所有处于热平衡的系统，该参数具有相同的数值，这个状态参数就是温度。热力学第零定律还指出了比较和测量温度的可能性。当比较两个热力系的温度时，不必将它们互相接触，而只要用第三个热力系分别与上述两个热力系接触，则可比较它们的温度，这第三个热力系就是测量温度的温度计。温度计的温度数值表示法称为温标。2) 热力学第一定律、热力学第二定律热力学第一定律和第二定律是热力工程上很重要的两个基本定律。在热力工程上，热力学第一定律主要是说明热能与机械能之间相互转换和总量守恒。表述为：“热可以变功(机械能)，功也可以变热，一定数量的热逍失，必产生一定数量的功；反之，一定数量的功消失，必产生与之对应的一定数量的热。热功之间的当量关系，用数学形式表达为：Q = W式中：Q热量；W表示功。m kg气体所做的功，单位用kJ表示，但功率的单位为W或kW。它们之间关系：1W=1J/s ； 1kW=1kJ/s。工程上习惯将功的单位用kWh表示，kWh与 kJ的换算关系为：1 kWh3600 kJ热力学第二定律着重说明热功转换的方向、条件和深度问题。其表述方法很多，这里介绍开尔文普朗特说法：“不可能制造成只从一个热源取得热量，使之完全变成功，而不引起其它变化的发动机。”此说法可理解为：热转换为功是非自发过程，实现这种过程需要有一定的补充条件。也就是说热机工作时，不仅要有供吸热用的热源，而且还需要有供放热用的冷源。在热变功的同时，必定有一部分热要从热源传至冷源，热机的效率一定小于100。因而要想制造出效率为100的热机是绝对不可能的。3. 领会：3.1 热量、热能、内能的区别和联系。热量是热能传递的量度；热能是组成工质内部热运动所具有的能量；内能在热力学中是储存在工质内部的热能（仅是内动能和内位能产总和）。热量和内能都是与热能有关的量。3.2 功与热量的共性。功与热量的共性在于：都是能量转换或传递的量度，都是与过程有关的量，不是状态量。3.3 工质节流前、后的状态参数变化。节流前、后工质的焓值不变，压力降低，温度降低，熵和比容都增加；绝大多数湿蒸汽节流后，干度增加。湿饱和蒸汽节流后可以变为干饱和蒸汽；干饱和蒸汽节流后可以变为过热蒸汽。蒸汽在节流前后虽然焓值不变，但因熵增加，使蒸汽的品质下降，做功能力减小。3.4 节流过程不等焓，节流前后焓值相等。节流过程不是等焓过程。节流前，后焓值相等所依据的条件之一是节流前后流量不变，且满足于远离节流孔处才近似正确。事实上气流在节流孔处速度变化很大，焓值是降低的，此焓降用来增加气流的动能，并使它变成涡流与扰动。而涡流与扰动的动能又转化为热能，重新被气流吸收，使焓值又恢复到节流前的数值。所以，节流前、后虽然焓值相等，但节流过程不是一个等焓过程。3.5 节流在热力工程上的应用：1) 利用节流减小汽轮机汽封系统中蒸汽的泄漏量；2) 利用节流来测定蒸汽、给水的流量；3) 利用节流调节汽轮机的功率。3.6 理想气体、实际气体、理想的状态方程式。4) 理想气体：气体分子间不存在引力，分子本身不占有体积的气体叫理想气体。5) 实际气体：气体分子间存在着引力分子本身占有体积的气体叫实际气体。在火力发电厂中，空气、燃气、烟气可以作为理想气体看待，因为它们远离液态，与理想气体的性质很接近。在蒸汽动力设备中，作为工质的水蒸气，因其压力高，比容小，即气体分子间的距离比较小，分子间的吸引力也相当大，离液态接近，所以水蒸气应作为实际气体看待。6) 理想气体状态方程式：当理想气体处于平衡状态时，在确定的状态参数P、v、T之间存在着一定的关系，即：1kg理想气体状态方程式。表达式为：如果气体质量为mkg，则气体状态方程式为：式中 p气体的绝对压力，N/m2；T气体的绝对温度，K；R气体常数，J/(kgK)；V气体的体积，m3。气体常数R与状态无头，但对不同的气体却有不同的气体常数。例如，空气的R=287 J/(kgK)；氧气的R=259.8 J/(kgK)。第三节 传热学基础知识传热学是一门研究热量传递规律的学科。1. 识记基本概念：1.1 传热过程、热交换、热传导、热对流、热辐射、黑体、黑度、温度场。传热过程：热量从热流体通过固体壁面传递给冷流体的过程。热量传递有三种基本方式：导热、对流和热辐射。热交换：由于温度的不同而引起的两物体产或一个物体内各部分之间热量传递的过程。热传导：指直接接触的物体各部分间的热交换过程，简称导热。如锅炉各受热面管壁，炉墙、保温层等的热量传递。热对流：流体流过壁面时同壁面之间产生的热量交换现象。热辐射：凡是温度高于0K的物体总是不断地把热能变为辐射能，向外发现热辐射。热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的。辐射力：单位时间内，物体单位表面积对外辐射的能量叫辐射力。黑体：辐射能力最强的辐射体称为黑体。黑度：反映物体表面辐射能力强弱的物理量，与物体种类、表面状态等有关，称为黑度。温度场：在某一瞬间，空间所有点的温度分布的总称叫温度场。不随时间而变的温度场称为稳定温度场；而随时间变化的温度场称为不稳定温度场。在温度场中，同一瞬间温度相同的点（称为等温点）所组成的面称为等温面，一切等温面或者形成封闭的曲面，或者终止于物体的边缘。由等温点所连成的线称为等温线。等温面上的线都是等温线。1.2 加热器、表面式加热器、混合式加热器。火力发电厂的热交换设备对完成回热循环，减少汽、水损失和热量损失，提高发电厂的热经济性，起着很重要的作用。换热器：能进行热量交换的设备，如高、低压加热器，凝汽器，省煤器，空气预热器等。按照传热方式不同可分为表面式加热器和混合式加热器两大类。混合式加热器：是两种介质在加热器内相互掺混直接传热，被加热的介质(给水)可达到加热蒸汽压力下的饱和温度，不存在传热端差，充分利用了加热蒸汽的热量，提高了发电厂的热经济性。混合式加热器优点：构造简单、造价低，便于收集不同温度的疏水，有可能完全除掉水中的气体等。缺点：由于进入加热器内的蒸汽和水的压力相等，因而需要在每一个混合式加热器后边设置水泵，才能将水送至下级较高压力的加热器，因而系统复杂，设备增多。为了保证水泵的进水量，必须在每个水泵前装设一个有一定容积的水箱，才能保持水泵入口具有必要的水头，以防止水泵产生汽蚀现象。为保持水泵入口具有必要的压力，混合式加热器的水箱必须距水泵入口处有一定高度，这就使电厂在设备布置上增加了困难，同时也增加了厂房的造价。因此，混合式加热器在发电厂中得不到普遍采用，只是用来作为锅炉给水除氧器。表面式加热器：两种介质之间的热量传递是通过金属表面来实现的。汽轮机抽汽或其它热源在加热器中放热，通过受热面金属壁将热量传递给管内的凝结水或给水。缺点：由于管壁存在热阻，给水不可能被加热到加热蒸汽压力下的饱和温度，不可避免地要存在着传热端差。所以表面式加热器的热经济性比混合式加热器低。加热器的传热端差是加热蒸汽压力下的饱和温度与加热器给水出口温度之差。加热器的端差愈小，则加热器的热经济性愈高。减小加热器端差的方法：增大加热器的加热面积；在加热器结构上作改进，充分地利用蒸汽的过热度，在加热器给水出口处对给水进行加热。以上两种减小加热器端差的措施都使加热器的造价提高，增加了电厂建设投资。合理的加热传热端差应在对机组的燃料消耗和设备折旧费用进行综合经济分析后确定。目前我国制造的加热器的端差一般为37，在设计高压加热器时，端差一般取为3，低压加热器端差取为5。表面式加热器除了热经济性较差外，还有金属消耗量大，造价高，加热器本身安全可靠性较差，需要配置疏水排出器，增加疏水排出管道等缺点。优点：表面式加热器组成的回热系统比混合式加热器组成的回热系统简单，运行也较可靠，并且在运行中监视工作量也较小。还能使加热与被加热介质彼此分开，保证加热蒸汽的凝结水回收。因此在现代电厂中表面式加热器得到广泛应用。表面式加热器可分为以下几类：(1)按加热介质分为汽、水加热器和水加热器。(2)按加热器的加热面布置和构造分直管式加热器和弯管式加热器，直管式的构造以活动管板构成，而弯管式的构造则做成U形管或螺旋管的形式。(3)按加热器的放置分为立式或卧式加热器。(4)按加热器的加热参数分为低压加热器和高压加热器。(5)按冷、热流体的流动方向可分顺流式、逆流式、叉流式、混合式四种。立式表面式加热器便于检修、占地面积小，已在发电厂中得到了普遍使用。卧式表面式加热器，其特点是传热效果好。当蒸汽在管于外表面凝结而形成水膜时，水膜在管子外表面聚集越厚则管壁的传热效果下降越大。根据理论分析和实践证明，卧式管于外表面的水膜比立式管子外表面的水膜薄。在立式加热器中，蒸汽沿管子横向流动的同时又作垂直向下流动，因而水膜沿着汽流方向也越来越厚，影响了传热效果。以单管为例，在凝结情况相同时，横管的放热系数是竖管放热系数的1.7倍。在卧式加热器的管束中其凝结水由上排流向下排，使下排管子表面的水膜聚积得比较厚，放热系数也相应降低，但总的来说，卧式的换热效果要比立式的好。卧式加热器在结构上除了便于布置蒸汽冷却段和凝结段以外，还便于布置疏水冷却段，有利于进一步提高经济效益。此外，卧式与立式加热器相比较，卧式加热器在安装和检修中，在吊出和装入管束芯子时不够方便，占地面积大，在厂房设备布置时有一定困难。1.3 传热系数、绝热材料、热导率。传热系数：工程上将冷热流体温差为1时，在单位时间内，单位面积上所传递的热量叫传热系数。热导率（导热系数）：在数值上等于单位温度梯度作用下物体内所产生的热流密度，反映了物体的导热能力，与材料的种类、温度有关。绝热材料：习惯上将热导率小于0.23W/(mK)的材料称为绝热材料。2. 理解：2.1 黑度取决于材料的热辐射性能，与温度及表面状况有关。2.2 传热量与传热系数、传热面积、冷热流体间的温差成正比例关系。3. 领会：3.1 热流密度与两侧壁温差正比，与壁面厚度成反比；3.2 运行中对于外壁敷有灰层和内壁结垢的管子，降低了热流密度，可能引起管壁超温，采取吹灰和改善给水品质的方法解决。3.3 增强传热的方法有：1、提高传热系数；2、在传热面上加肋片；3、换热面的合理安排和清洗。3.4 锅炉水冷壁的传热过程；高温烟气经辐射、对流换热给水冷壁管外壁经导热给水冷壁管内壁经对流换热使管内的水变成汽水混合物。3.5 锅炉炉墙的散热过程；第四节 电厂金属材料基础知识1. 识记以下概念：1.1 金属的使用性能和工艺性能。使用性能：材料的物理、化学性能和力学性能；工艺性能：指金属的铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削性能。金属材料适应冷热加工的能力，称为工艺性能。1.2 金属的铸造性能、锻造性能、弯曲性能。铸造性能：液体金属浇注成型的能力。它包括流动性、收缩率和偏析倾向等。流动性是指金属对铸型填充的能力。收缩率是指铸件冷凝过程中体积的减少率，称为体积收缩率。金属自液态凝结成固态时体积要减少，使铸件形成缩孔铸件或铸锭集中的孔洞和疏松（数量很多而分散的小缩孔），即形成集中或分散的孔洞，严重影响金属零件的质量。铸件冷凝时，由于种种原因会造成化学成分的不均匀，叫做偏析。偏析使整体冲击韧性降低，质量变坏。缩孔、疏松和偏析等铸造缺陷都是不允许产生的，在生产过程中应予以消除。锻造性能：重要零件是毛坯往往要经过锻造工序，如汽轮机、发电机的主轴、轮毂、叶片、在型水泵和磨煤机的主轴、齿轮等。材料承受锻压成型的能力，称为可锻性。金属的锻造性能可用金属的塑性和变形抗力（强度）来衡量。 金属的锻造性能可用金属的塑性和变形抗力(强度)来衡量。金属承受锻压时变形程度大而不产生裂纹，其锻造性能就好。换句话说，金属承受锻压时变形抗力(变形时抵抗外力的大小)越小，即锻压时消耗的能量越小时，其锻造性能就越好。金属的锻造性能取决于材料的成分、组织和加工条件，如锻造温度(始锻、终锻温度)、变形速度、应力状态等加工条件。通常碳钢具有较好的可锻性，低碳钢的可锻性最好。随着含碳量的增加，钢的可锻性降低。合金钢的可锻性略逊于碳钢。一般情况下，合金钢中合金元素含量越多，其可锻性越差。铸铁则不能承受锻造加工。弯曲性能：材料承受弯曲而不出现裂纹的能力，称为弯曲性能。它取决于材料的塑性和强度。电厂锅炉蒸汽管道弯头和水冷壁管道弯头是经过冷热弯曲成型的。一般用弯曲角度或弯心直径与材料厚度的比值来衡量弯曲性能。1.3 金属的可焊性、碳当量。焊接性能在电厂中有大量金属结构件是用焊接方法连接的，如锅炉管道、支架、蒸汽导管、输粉管道、风管、汽包、联箱等。金屑材料采用一定的焊接工艺、焊接材料及结构形式，获得优质焊接接头的能力，称为金属的焊接性，也称为可焊性。金属的焊接性能主要取决于材料的化学成分，也取决于所采用的焊接方法、焊接材料(焊条、焊丝、焊药)、工艺参数、结构形式等。衡量一种材料的焊接性，需要做焊接性试验，其方法是按国家标准焊接成十字形试样，再切片检验或做力学性能试验。钢的焊接性还可用碳当量方法进行估算。影响钢的焊接性能的主要因素是钢的含碳量，随着含碳量的增加，焊后产生裂纹的倾向增大。钢中其它合金元素的影响相应小些。将合金元素对焊接性的影响都折合成碳的影响，即为碳当量，用符号Ce表示。其计算公式为：式中，C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu为钢中该元素的百分含量。当 Ce0.4时，焊接性优良，焊接时可不预热。Ce=0.40.6时，焊接性较差，焊接时需采用适当预热等工艺措施。Ceo.6时，焊接性很差，焊接时需采用较高预热温度和较严格的工艺措施。金属材料的热加工性能还包括热处理性能，如淬透性、淬硬性等。1.4 金属的切削性能、力学性能、强度、塑性、硬度。切削性能：金属零件往往要经过机械加工成型，如车、铣、刨、磨、钻、镗等。金属材料承受切削加工的难易程度：称为切削性能。切削性能包括能否得到高的切削速度，是否容易断屑，能否获得较高的光洁度，表，面质量如何等。金属的切削性能与材料及切削条件有关，如纯铁很容易切削，但难以获得较高的光洁度；不锈钢可在普通车床上加工，但在自动车床上，却难以断屑，属于难加工材料。通常，材料硬度低时切削性能较好，但是对于碳钢来说，硬度如果太低时，容易出现“粘刀”现象，光洁度也较差。一般情况下，金属承受切削加工时的硬度在HB170230之间为宜。金属材料的力学性能：力学性能是指金属材料在在外力作用下，所表现出来的抵抗变形和破坏的能力以及接受变形的能力，也称为力学性能。机械设备能否安全运行，在很大程度上取决于金属材料的力学性能。金属在常温时的力学性能指标有强度、塑性、韧性、硬度、断裂韧性等。这些性能指标均是通过一定的试验方法测试出来的。强度：强度是指金属在受到外力作用时，抵抗变形和破坏的能力。金属材料由于受力、变形及破坏情况不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、扭转强度、剪切强度和疲劳强度等。由于某些特殊用途的轻质高强度材料的出现，又出现比强度(强度比重)的概念。电厂设备在几百摄氏度的高温下运行，金属还有高温强度等。按照国家标准对材料进行各种破坏性试验(如拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切、疲劳试验等)，可测得金属相应的强度指标。这些试验中最常用的是拉伸试验，通常所说的材料强度，就是指抗拉强度。例如，金属材料手册中所载的普通碳钢，是根据拉伸试验所测得的抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率等作为主要考核指标。低碳钢的应力伸长曲线拉伸试验：依照材料试验的国家标准，将材料制成拉伸试样，在拉伸试验机上施加一个缓慢增加的拉力F，试样便随着拉力的增加而变形，直至断裂。强度和塑性：从低碳钢的拉伸曲线右图中可以看出，oa段是直线，材料处于弹性变形阶段，这时如果去掉外力，试样仍可恢复到未变形前的状态。a点所对应的应力，过去称为比例强度。b点所对应的应力过去称为弹性强度，去掉外力后试样会保留微小的塑性变形量。c点所对应的应力值称为屈服强度，所谓屈服强度是指当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形而外力并不增加的应力点，过去又称屈服强度，也有人称之为屈服点，过去用符号fI来表示。屈服强度可分为上屈服强度和下屈服强度，上屈服强度是指试样发生屈服而外力首次下降前的最高应力；下屈服强度是指在屈服期间，不计初始瞬时的最低应力。一般机械零件和工程结构件都不允许在使用中产生塑性变形，否则会因失效而发生事故。所以屈服强度是机械设计和工程设计中的重要依据。抗拉强度，也是机械设计和工程设计的重要依据。金属的塑性：是指材料产生塑性变形而不破坏的能力。在拉伸试验中，材料的塑性用断后伸长率和断面收缩率表示。拉伸试验的试样被拉断后，其标距部分所增加的长度与原标距的比值的百分率称为断后伸长率或延伸率。拉伸试样被拉断后，其横截面积的缩减量与试验前试样的截面积之比的百分率，称为断面收缩率。工程上以材料的断后伸长率或断面收缩率确定材料的塑性。脆性材料：塑性很差的材料称为脆性材料。一般认为A5的材料称为脆性材料。硬度：硬度是金属表面局部体积内抵抗外物压人的能力，即材料抵抗局部塑性变形的能力。可作为衡量材料软硬程度的指标。硬度试验较之拉伸试验有许多优点，可不必像拉伸试验那样将材料制成试样再做破坏性试验，只在工件表面试验即可；特别适合于脆性材料，如淬火钢、硬质合金和表面硬化处理的材料；其方法简便，对工件的试验条件要求不高，塑性材料的硬度值还可以近似地换算成强度指标。布氏硬度：布氏硬度试验是用一定直径D(mm)的钢球或硬质合金球为压头，施以一定的试验力F(kgf或N)，将其压人试样表面，经规定的保持时间t(s)，卸除试验力后试样表面将留下压痕。布氏硬度值的书写表示方法，应包含下列几个部分：硬度数据；布氏硬度符号；球体直径；试验力；试验力保持时间(1015s不标准)。由所用的压头材质不同，因此布氏硬度值必须用不同的符号来区分。当压头为钢球时(适用于HB450以下的材料)，其符号为HBS；如果压头是用硬质合金球(适用于HB在450650较硬的材料)，符号则为HBW。例1 120HBS10100030，表示直径10mm的钢球在9.807kN(1000kgf)试验力作用下，保持了30s测得的布氏硬度值数据为120。例2 500HBW5750，表示直径5mm的硬质合金球在7.355kN(750kgf)试验力作用下，保持了1015s所测得的布氏硬度数据为500。洛氏硬度：洛氏硬度测量原理与布氏硬度基本相同，但洛氏硬度不是根据压痕的面积，而是根据压痕深度确定硬度值，压痕越深，硬度越小。它将硬度值直接刻在表头上，以深度表示的硬度值可以从表上直接读出来，而不必像布氏硬度那样查表和计算。洛氏硬度以HR表示，如果用120圆锥金刚石压头和1.471kN外力，就以HRC表示了。HRC硬度值为两位数，适用范围在HRC20-70之间。这种测试硬度的方法，应用得最为广泛。由于采用了金刚石压头和较小的外力，HRC适合于硬度较大的材料。若用洛氏硬度测量退火钢、有色金属等较软的材料(HRC20)，则需用压头是直径为1/16英寸的淬火钢球及980N的外力以HRB表示；对于薄小工件，用120角的圆锥金刚石压头和588N的外力，以HRA表示。洛氏硬度的优点是测量时操作简便，直接读数，在工件上留下的压痕较小，对工件的表面破坏程度小。但当被测材料的组织不均匀时，测量的结果不够精确，最好多测几个点，取其平均值。洛氏硬度适合测量较硬材料的硬度，如淬火钢等。维氏硬度：工程上常用的布氏和洛氏硬度(Hb和HRC)分别适宜测量较软和较硬的材料，而维氏硬度却可测量从极软直到极硬的材料。维氏硬度的测定原理基本上和布氏硬度相同，也是以压痕面积和力的商表示硬度值。维氏硬度值的范围很宽，从HV103000，适合于