清华大学热能工程教学课件第1章热能转换装置

1、热能转换装置1什么是能源？科学技术百科全书能源是可从其获得热、光和动力之类能量的资源。大英百科全书 能源是一个包括着所有燃料、流水、阳光和风的术语，人类用适当的转换手段便可让它为自己提供所需的能量。能源百科全书能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源。 日本大百科全书 在各种生产活动中，我们利用热能、机械能、光能、电能等来作功，可利用来作为这些能量源泉的自然界中的各种载体，称为能源。2能量资源可分为三类来自太阳的能量。有直接来自太阳的辐射能，即通常所说的太阳能；有间接来自太阳的能源，如化石燃料、水能、风能、海洋能。地球本身贮存的能量。如地球内部的地热能，地球上

2、的可用铀、钍、氘、氚等裂变聚变的核能。月亮、太阳、地球之间产生的能量。如潮汐能。 3能量有哪些形式？机械能 热能 电能 化学能 核能太阳能 生物能 磁能 光能绝大多数一次能源以热能形式直接使用，或者通过热机等进一步转化为机械能和电能再使用。我国：90%以上的能量经过热能被利用世界：85%以上。因此分析研究热能转换装置，对有效利用能量有重要意义。4热能的来源自然存在的：如 太阳能、地热转化而来的：如 核裂变、燃料燃烧等5热能来源太阳太阳通过发射光(或电磁波)的方式，把一部分能量直接辐射到地面上。特点：能量巨大：辐射到地球1018千瓦小时/年（地球上全部化石燃料能源的十倍），用之不尽、取之不竭，无

3、污染。分散，能量密度低：1kW/(阳光垂直照射）间断性（日、夜）、多变性（随地区、季节、气候变化）。6热能来源太阳太阳能利用形式：集热：为建筑供暖、供热水、蒸发（干燥/海水淡化）太阳能电池：驱动交通工具和其它动力装置。太阳能发电：常规发电：太空发电：在距离地面三万多公里高空的同步卫星上，太阳能电池每天24小时均可发电，而且效率高达地面的10倍。太空电能通过微波向地面输送。7太阳能供热系统8太阳能供热系统9位于美国加利福尼亚州巴斯托附近沙漠地区的太阳能发电厂，建于1982年4月，是世界上第一座示范性太阳能发电厂，投资亿美元，总装机容量为万千瓦。它采用了由1818块能自动跟踪太阳的日光反射镜，将日

4、光反射到中央日光集中塔上。10飞行器上太阳能电池板11热能来源燃料燃烧放热燃料中能量为化学能，来源于太阳。植物通过光合作用收集、转化了太阳能，接着转存于动植物的有机体中，成为化石燃料的原料。从数百万年前照到绿色植被的太阳能，到今天埋在地下的化石燃料的化学能，不仅需要漫长的岁月，而且转换效率极低。可见，目前地球上储存的化石燃料是多么宝贵而且有限。燃料中的可燃元素（碳、氢、硫等）和氧化合时，会产生发光放热现象，这是从燃料中取得热量的最常用形式燃烧放热。12热能来源地热 地球是一个庞大的热库，除一薄层地壳外，内部都非常热，其温度一般随深度而增加。地壳的基部(25至50公里):温度200-1000地心

5、(6371公里) :温度4500。 按深度10公里来估算，地热的蕴藏量就约有23千卡，相当于亿亿吨标煤. 整个地球其实是一个无限的热源。13热能来源地热地热资源按其在地下热储存在的形式，可分为:蒸汽型：以产生过热蒸汽为主，杂有少量其它气体，可直接发电。蒸汽型热储需要在独特的地质条件下才能形成，所以这种热能资源少，地区局限性大。热水型：包括喷出地面时呈现的热水和水汽混合的湿蒸汽。分布广，储量丰富，温度范围很大，有的高达300以上。地压型：以高压水的形式储于沉积盆地地表下2-3公里处，并被不透水的页岩所封闭，形成一个很大的热水体。地压水除了高压（可达几百个大气压）、高温以外，还溶有大量甲烷等碳氢化

6、合物，能量是由机械能(高压)、热能(高温)和化学能(天然气)三部分组成。14热能来源地热干热岩型：是比前几种资源更为巨大的地热资源，指地下普遍存在的没有水或汽的热岩石。在现阶段，它是专指埋藏较浅、温度较高且有开发价值的热岩。从干热岩中提取热量需要特殊办法，例如要钻深井并破碎热岩，然后灌注冷水，冷水吸热后变成蒸汽或热水再引出地面加以利用。岩浆型：指蕴藏在熔融状和半熔融状岩浆中的巨大的热量，温度高达600-1500，在一些多火山地区的较浅地层中可以找到，而大多数则深藏在目前钻探还比较困难的地层中。15热能来源地热地热能的应用:发电:在偏远地区的高温地热田多用来发电，因为电力便于长距离输送。目前世界

7、上已有近二百座地热发电站投入了运行，装机容量数百万千瓦。直接利用:接近城镇的中、低温地热能可直接利用到生产和生活的许多方面，例如:轻纺工业工艺过程用热、建筑物的采暖与空调、暖房的良种培育、育秧育苗和蔬菜种植、水产养殖、土壤加温、灌溉、以及医疗卫生等。地源热泵地热能的蕴藏量:相当于地球煤炭储量热能的1.7 亿倍，可供人类消耗几百亿年，可谓取之不尽、用之不竭，今后将优先利用开发。16地热能利用示意图发电温室采暖洗浴孵化17地源热泵是建筑供能技术。利用浅层和深层的大地能量，包括土壤、地下水、地表水等天然能源作为冬季热源和夏季冷源，然后再由热泵机组向建筑物供冷供热的系统，是一种利用可再生能源的既可供暖

8、又可制冷的新型中央空调系统。地源热泵18 19202122热能来源核裂变放热1公斤核燃料裂变时所释放的能量约为19109kcal/kg(81010kJ)，约相当于2700吨标煤完全燃烧所放出的热量。核裂变产生的热量本来可以达到很高的温度，然而由于核反应堆结构材料和载热介质的限制，目前，核反应堆所提供热量的温度水平还不够高。23加拿大原子能有限公司（AECL）CANDU 6 核电厂24压水堆型核电厂示意图25热能的来源自然存在的：如 太阳能、地热转化而来的：如 核裂变、燃料燃烧等核裂变产热核装置的二回路（锅）燃料燃烧产热 锅炉26我们的生活和锅炉关系？ 电： 采暖： 纸、书： 桌子，木材干燥 空

9、气：锅炉污染 饭： 酒：27学习本课程的要求初步掌握锅炉的结构设计准确掌握锅炉的热力计算和空气动力计算听课 54学时作业 热力计算+论文考试：口试（75分）+作业（10+5分）+平时表现（10分） 28参考书陈学俊，陈听宽。锅炉原理（第二版），机械工业出版社清华大学，锅炉原理及计算（第三版），科学出版社赵明泉，锅炉结构与设计（第二版） ，哈工大出版社苏联，锅炉机组热力计算标准方法29第1章 概论30什么是锅炉？锅炉是用燃料燃烧产生的热能或其他热能将工质加热到一定参数的设备。31燃料固体燃料：煤 生物质 可燃固体废弃物 气体燃料：天然气 煤气 液化气液体燃料：油 酒精 乙醚32其他热能太阳能太阳

10、能锅炉电能电热锅炉余热余热锅炉33工质水：热水锅炉 蒸气锅炉空气：热风炉油：介质油炉34 热风炉35 介质油炉36参数温度：饱和/过热/再热蒸气温度 供水/回水温度压力： 371.1 锅炉的发展过程38锅炉的发展主要体现在以下几个方面：1.1.1 炉型的发展1.1.2 参数的发展1.1.3 燃烧方式的发展1.1.4 循环方式的发展1.1 锅炉的发展过程391.1.1 炉型的发展1.1 锅炉的发展过程十八世纪初，人们采用“壳式”锅炉产生蒸汽 Haycock锅炉，1720年Waggon锅炉，1769年40缺点：蒸发量低 笨重，效率很低存在着引起灾难性爆炸的危险改进：增加受热面积方向一：水包火火管锅

11、炉方向二：火包水水管锅炉1.1 锅炉的发展过程41方向一：水包火火管锅炉在圆筒内部增加受热面积一个大圆筒单火筒双火筒烟管纯烟管式火筒烟管式燃烧后的烟气在管中流过，统称为火管式锅炉（锅壳式锅炉）。 42Trevithick锅炉，1804年431.1 锅炉的发展过程优点：结构简单，制造维修方便水汽容积大，汽压稳定，对负荷变动的适应性好对水质的要求低维修方便由于锅壳式锅炉的这些优点，国内外仍在生产，用于小型工业企业生产、交通运输及生活取暖用汽上。44缺点：产汽量小参数低金属耗量大，成本高热效率低。原因：燃烧条件不好：炉膛四周是温度很低的受热面，炉膛温度低，影响燃烧，q4大。受热面少，烟气来不及冷却，

12、q2高。这些缺点，限制了向高参数、大容量方向发展。十九世纪中叶，锅炉沿第二个方向水包火方向发展，出现了水管锅炉。1.1 锅炉的发展过程45方向二：水包火水管锅炉增加圆筒外部的受热面积，即增加水筒的数目。单锅筒多锅筒直水管锅炉整联箱式直水管锅炉分联箱式直水管锅炉水在管中流过，统称为水管式锅炉46直水管锅炉缺点：易损坏。因为管子是直的，汽水系统缺乏弹性，管子集箱等受热部件膨胀受限制时易损坏受压部件沸腾管束倾斜度小，汽水循环不良，工作不可靠集箱上手孔多，制造费时，金属耗量大，易泄漏因此这种锅炉的工作压力仍不易提得很高，容量亦受限制，现已很少应用。1.1 锅炉的发展过程47为克服直水管锅炉的缺点，出现

13、了弯水管锅炉多锅筒三锅筒双锅筒单锅筒1.1 锅炉的发展过程4849早期锅炉存在的问题：燃烧区距受热面近，火焰直接加热受热面，火焰温度降低，影响燃烧，未燃尽就随烟气排出锅炉，影响效率。未燃尽的燃料附着在受热面上，增加了传热热阻，降低了传热系数，传热减少。为了克服这些问题，设计锅炉时，采用较大的炉膛，让燃烧区远离受热面，这样，提高了燃烧区温度，减少了未完全燃烧损失，锅炉效率提高。燃烧区温度提高后，炉墙易烧坏，为保护炉墙，在炉墙四周布置管子，用工质冷却，形成了水冷壁。1.1 锅炉的发展过程50水冷壁布置在炉膛内温度较高的地方，不仅保护炉墙，还是主要受热面辐射受热面，吸收热量。过热器：提高锅炉参数省煤

14、器：降低排烟温度空气预热器：再热器：提高系统效率1.1 锅炉的发展过程51（1）火管锅炉 火筒式锅炉：单火筒式双火筒式 火管式（或烟管式）锅炉 火筒火管式 火管水管式（2）水管锅炉 直水管锅炉：整联箱式 分联箱式 弯水管锅炉：多锅筒式 三锅筒式 双锅筒 水冷壁式 单锅筒 过热器 尾部受热面 再热器521.1 锅炉的发展过程531.1.2 参数的发展早期：D，P，t低上世纪30年代：中参数（2-4MPa，385-450，35-130t/h）中等容量（6-25MW） 40年代：高参数大容量（10MPa，510，220-230t/h，50MW）50年代：超高参数大容量（14MPa，540-570，4

15、00-670t/h，100-200MW）60年代：亚临界参数（17-18MPa，540-570）和超临界参数541.1.3 燃烧方式的发展早期的锅炉，为层状燃烧，即火床炉。随着锅炉容量增加，火床炉由于炉排面积有限，已不能满足要求，因而产生了室燃炉（煤粉炉、油炉、气炉等）。为了燃烧劣质燃料，降低烟气中的有害成分，在上世纪60年代，又将化学工业中的流化床技术用于煤的燃烧，出现了流化床锅炉（沸腾炉），循环流化床锅炉。复合燃烧锅炉551.1.4 循环方式的发展早期锅炉，为自然循环锅炉原理：靠工质的密度差产生的压力差来克服工质的流动阻力回路：由锅筒、下降管、集箱和上升管组成应用：广泛应用于超高压及以下压

16、力蒸汽锅炉上。热水锅炉。上升管内工质温度高于下降管内工质温度，使热水得以循环。1-上锅筒 2-上升管 3-炉墙 4-下降管 5-下锅筒56 锅炉向高参数大容量过渡时期，自然循环锅炉遇到了困难：由于压力提高，对自然循环锅炉的水循环是否能可靠工作没有把握。给水处理技术落后，内部锈蚀严重。厚锅炉钢板的供应和锅筒的制造工艺较困难。为了解决第1个问题，出现了强制循环锅炉 多次强制循环锅炉 低倍率循环锅炉 为了解决第3个问题，出现了直流锅炉 1.1 锅炉的发展过程57强制循环锅炉（辅助/控制循环锅炉） 多次强制循环锅炉1.1 锅炉的发展过程原理：下降管系统中装循环泵，用循环泵的压头来克服工质在循环回路中的

17、阻力。应用：超高压和亚临界锅炉，热水锅炉581.1 锅炉的发展过程工作过程：没有锅筒，水冷壁出来的汽水混合物进入汽水分离器，分离出来的蒸汽送到过热器，分离下的水送到混合器，与来自省煤器的水混合后，通过循环泵送到水冷壁中。属于强制循环（有泵），只是循环倍率低些。强制循环锅炉 低倍率循环锅炉（循环倍率=进入下降管中的水流量/上升管中产汽量）59直流锅炉 给水由给水泵进入省煤器，经炉膛蒸发受热面、对流过渡区、过热器，然后送往汽轮机。各部分流动水阻力全由水泵来克服。1.1 锅炉的发展过程直流锅炉在低负荷时，管内工质流速降低，出现流动不稳定问题，为解决这一问题，出现了复合循环锅炉。60复合循环锅炉 基于

18、强制循环和直流锅炉，目的是在任何负荷下，水冷壁都有足够的工质冷却，保证管子安全。低负荷时，按强制循环锅炉运行高负荷时，按直流锅炉运行。再循环泵串联布置与并联布置两种方式 1.1 锅炉的发展过程61再循环泵串联布置高D时，工质流量大，流速大，阻力大，当阻力大于循环泵的压头时，循环泵不工作，下降管内没有工质流过，给水由省煤器直接进入炉膛受热面，按直流锅炉运行。低D时，工质流量小，流速小，阻力小，当阻力小于循环泵的压头时，循环泵开始工作，下降管内有工质流过，按强制循环锅炉运行。1.1 锅炉的发展过程62循环泵并联布置循环泵一直处于工作状态，高D时，水冷壁中有足够的工质对其冷却，循环泵不工作或流量很小

19、。给水由省煤器直接进入炉膛受热面，按直流锅炉运行。低D时，循环泵开始工作，下降管内有工质流过，按强制循环锅炉运行。1.1 锅炉的发展过程63几种循环方式比较：对一般超高压参数，自然循环锅炉占优势。对亚临界压力，自然循环、强制循环和直流还难绝对分出优劣，应根据具体条件决定使用。当压力接近或超过临界压力时，由于汽水不容易或不可能用锅筒进行分离，只有采用直流锅炉。1.1 锅炉的发展过程641.2 锅炉的分类 65按用途：电站锅炉工业锅炉动力锅炉船舶锅炉机车锅炉1.2 锅炉的分类66671.2 锅炉的分类68按载热工质：蒸汽锅炉热水锅炉油介质锅炉1.2 锅炉的分类按能源：燃煤锅炉燃油锅炉燃气锅炉 废热

20、锅炉 太阳能锅炉生物燃料混合燃料按汽水流动：自然循环锅炉强制循环锅炉直流锅炉 69按蒸汽压力低压锅炉（以下）次中压锅炉（）中压锅炉（）高压锅炉（10MPa）超高压锅炉（14MPa）亚临界压力锅炉（，）超临界压力锅炉（超过临界压力）超超临界压力锅炉1.2 锅炉的分类70按燃烧方式：火床炉煤粉炉沸腾炉 鼓泡床 循环床复合燃烧 1.2 锅炉的分类71按通风方式：自然通风、机械通风按锅炉炉型结构：锅壳（火管）锅炉、水管锅炉、铸铁锅炉等按运输安装方法：快装、组装、散装按锅炉本体布置型式：D型、型、A型、O型、塔型、T型等。1.2 锅炉的分类72731.3 锅炉的性能标志及技术经济指标741.3.1 锅炉

21、的性能标志供热能力：供热品位：蒸汽锅炉的性能标志额定出力（或额定蒸发量）：在额定的出口蒸汽参数、额定的给水温度、使用设计燃料并保证设计效率的条件下连续稳定运行所产生的蒸汽量。蒸汽锅炉供出的热量为应该用额定供热量Q ( MW) 实际用额定蒸发量D (kg/h或t/h)额定出口蒸汽压力p（表压 MPa)温度t（） 75供热能力：供热品位：热水锅炉的性能标志蒸汽锅炉供出的热量为额定供热量Q ( MW) 额定出水压力p（表压 MPa)额定出水温度trs（）额定回水温度ths（） 761.3.2 锅炉的技术经济指标效率：送入锅炉的热量中被有效利用的百分数成本：用钢材耗量表示，吨钢吨汽。可靠程度：年连续运

22、行时数锅炉可用率：一年中除去因锅炉故障而停炉外，全部可带负荷的时数百分数锅炉使用率：一年中锅炉实际带负荷运行的时数百分数锅炉额定负荷利用率：一年中锅炉总蒸汽产量折算成额定蒸发量的运行时数百分数）等来表示771.4 锅炉的参数系列781.4.1 电站锅炉参数系列 压力/MPa温度/给水温度/额定蒸发量/t/h发电容量/kW3.94501507512000120,1302500010510410230500005402205000041010000014540/540240400125000555/55567020000017570/5702601000300000540

23、/540200060000079 工业蒸汽锅炉参数系列 801.4.3 热水锅炉参数系列 811.5 锅炉型号表示方法821.5.2 电站锅炉型号表示方法 生产厂代号设计次序燃料代号 M煤 Y油 Q气 YQ混燃额定出口蒸汽压力（表压）MPa额定蒸发量t/hHG；DG；SC；WG；BG ；UG；YG；NG831.5.2 工业锅炉型号表示方法 84锅炉型式代号锅炉型式代号水管锅炉单锅筒纵置DZ横置DH立置DL双锅筒纵置SZ横置SH纵横置ZH强制循环QX锅壳锅炉立式火管LH水管LS卧式内燃WN外燃WW85燃烧方式代号 燃烧方式代号燃烧方式代号固定炉排G倒转炉排（配抛煤机）D活动手摇炉排H链条炉排L抛

24、煤机P沸腾炉F下饲炉排A半沸腾炉B往复炉排W室燃炉S振动炉排Z旋风炉X逆向燃烧双层固定炉排C86燃料种类代号 燃料种类代号燃料种类代号烟煤类A褐煤H类A贫煤P类A木柴M无烟煤类W稻糠D类W甘蔗渣G类W油Y石煤及矸石类S气Q类S油母页岩YM类S87型号示例WNGlADZL4WSZS10350YQ2SHS20400H11570YDHL1415090A881.6 锅炉的基本构成及工作过程891.6.1 锅炉的基本构成锅炉系统锅炉安全附件构架本体辅助装置磨煤装置送风装置引风装置给水装置燃料供应装置除灰装置除尘装置自动控制与仪表锅炉岛90锅容纳水和蒸汽的受压部件，包括：锅筒（锅壳）受热面集箱（联箱）管道组成水汽系统，其中进行着锅内过程水的加热和汽化、水和蒸汽的流动、汽水分离等。 91炉燃料燃烧的场所，即燃烧设备和燃烧室（炉膛），广义的“炉”是指燃料、烟气这一侧的