第一章热科学基础
工程热力学基础热力学是一门研究能量储存、转换及传递的科学。能量以内能（与温度有关）、动能（由物体运动引起）、势能（由高度引起）和化学能（与化学组成相关）的形式储存。不同形式的能量可以相互转化，而且能量在边界上可以以热和功的形式进行传递。
在热力学中，我们将推导有关能量转化和传递与物性参数，如温度、压强及密度等关系间的方程。因此，在热力学中，物质及其性质变得非常重要。许多热力学方程都是建立在实验观察的基础之上，而且这些实验观察的结果已被整理成数学表达式或定律的形式。其中，热力学第一定律和第二定律应用最为广泛。
热力系统和控制体热力系统是一包围在某一封闭边界内的具有固定质量的物质。系统边界通常是比较明显的（如气缸内气体的固定边界）。然而，系统边界也可以是假想的（如一定质量的流体流经泵时不断变形的边界）。系统之外的所有物质和空间统称外界或环境。热力学主要研究系统与外界或系统与系统之间的相互作用。
系统通过在边界上进行能量传递，从而与外界进行相互作用，但在边界上没有质量交换。当系统与外界间没有能量交换时，这样的系统称为孤立系统。
在许多情况下，当我们只关心空间中有物质流进或流出的某个特定体积时，分析可以得到简化。这样的特定体积称为控制体。例如泵、透平、充气或放气的气球都是控制体的例子。包含控制体的表面称为控制表面。
因此，对于具体的问题，我们必须确定是选取系统作为研究对象有利还是选取控制体作为研究对象有利。如果边界上有质量交换，则选取控制体有利；反之，则应选取系统作为研究对象。
平衡、过程和循环对于某一参考系统，假设系统内各点温度完全相同。当物质内部各点的特性参数均相同且不随时间变化时，则称系统处于热力学平衡状态。当系统边界某部分的温度突然上升时，则系统内的温度将自发地重新分布，直至处处相同。
当系统从一个平衡状态转变为另一个平衡状态时，系统所经历的一系列由中间状态组成的变化历程称为过程。若从一个状态到达另一个状态的过程中，始终无限小地偏离平衡态，则称该过程为准静态过程，可以把其中任一个中间状态看作为平衡状态。准静态过程可近似视为许多过程的叠加结果，而不会显著减小其精确性，例如气体在内燃机内的压缩和膨胀过程。如果系统经历一系列不平衡状态（如燃烧），从一个平衡状态转变为另一个平衡状态，则其过程为非平衡过程。
当系统从一给定的初始状态出发，经历一系列中间过程又回到其初始状态，则称系统经历了一个循环。循环结束时，系统中的各参数又与初始参数相同。
在任一特性参数名称前加上前缀iso-，表示该参数在整个过程保持不变。等温（isothermal）过程中温度保持不变；等压（isobaric）过程中压强恒定；等容（isometric）过程中体积保持不变。
纯物质的气-液相平衡
如图1-1(a)所示，由活塞和气缸组成的装置中装有1kg水。假定活塞和其上的重物使气缸内压强维持在
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，初始温度20℃。当有热量开始传递给水时，缸内水温迅速上升，而比容略有增加，气缸内压强保持恒定不变。当水温达到℃时，如若再增加传热量，水将发生相变，如图1-1(b)所示。也就是说，一部分水开始气化变为蒸汽，在此相变过程中，温度和压强始终保持不变，但比容却有大幅度的增加。当最后一滴液体被气化时，进一步的加热将使蒸汽温度和比容均有所增加，如同1-1(c)所示。
在给定压强下发生气化的温度称为饱和温度，压强称为给定温度下的饱和压强。因此，℃水的饱和压强是，水的饱和温度为℃。
如果某一工质为液态并处于其饱和温度和饱和压强下，则称该液体为饱和液体。如果液体温度低于当前压强下的饱和温度，则称该液体为过冷液体（表明液体的当前温度低于给定压强下的饱和温度）或压缩液体（表明液体的当前压强大于给定温度下的饱和压强）。
若某一工质在饱和温度下以液、气共存的形式存在，则称蒸汽质量与总质量之比为干度。因此，如图1-1(b)
所示，若蒸汽质量为，液体质量为，则其干度为或20%。干度只有在饱和状态下才有意义。若某一工质处于饱和温度下并以蒸汽形态存在，则称该蒸汽为饱和蒸汽（有时称为干饱和蒸汽，意在强
调其干度为100%）。当蒸汽温度高于其饱和温度时，则称之为过热蒸汽。过热蒸汽的压强和温度是彼此独立的，因为温度上升时，压强可能保持不变。
在图1-2所示的温度-比容图上作等压线，表示水由初压、初温20℃被加热的过程。点A代表初始状态，点B为饱和液态（℃），线AB表示液体由初始温度被加热至饱和温度所经历的过程。点C表示饱和蒸汽状态，线BC表示等温过程，即液体气化转变为蒸汽的过程。线CD表示在等压条件下蒸汽被加热至过热的过程，在此过程中，温度和比容均增大。
类似地，线IJKL表示压强为10MPa下的等压线，相应的饱和温度为℃。但是，在压强为条件下（线MNO），不存在等温蒸发过程。相反，点N是个转折点，在该点上，切线斜率为零，通常把N点称为临界点。在临界点处，饱和液体和饱和气体的状态都是相同的。临界点下的温度、压强和比容分别称为临界温度、临界压强和临界比容。一些工质的临界点数据如表1-1所示。
热力学第一定律通常把热力学第一定律称为能量守恒定律。在基础物理课程中，能量守恒定律侧重动能、势能的变化以
及和功之间的相互关系。更为常见的能量守恒形式还包括传热效应和内能的变化。当然，也包括其它形式的能，如静电能、磁场能、应变能和表面能。
历史上，用热力学第一定律来描述循环过程：净传热量等于循环过程中对系统所做的净功。
热力学第二定律热力学第二定律有多种表述形式。在此列举两种：克劳修斯表述和凯尔文-普朗克表述。
克劳修斯表述：制造一台唯一功能是把热量从低温物体传给高温物体的循环设备是不可能的。以冰箱（或热泵）为例，不可能制造一台不用输入功就能把热量从低温物体传给高温物体的冰箱，如图1-3(a)
所示。
凯尔文-普朗克表述：制造一台从单一热源吸热和做功的循环设备是不可能的。
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换句话说，制造这样一台从某一热源吸热并对外做功，而没有与低温热源进行换热的热机是不可能的。因此，该表述说明了不存在工作效率为100%的热机，如图1-3(b)所示。
卡诺循环
卡诺机是低温热源和高温热源间运行效率最高的热机。卡诺机是一个理想热机，利用多个可逆过程组成一循环过程，该循环称为卡诺循环。卡诺机非常有用，因为它的运行效率为任何实际热机最大可能的效率。因此，如果一台实际热机的效率要远低于同样条件下的卡诺机效率，则有可能对该热机进行一些改进以提高其效率。
理想的卡诺循环包括四个可逆过程，如图1-4所示：1→2等温膨胀；2→3绝热可逆膨胀；3→4等温压缩；4→1可逆绝热压缩。卡诺循环的效率为
T
(1-1)
1
T
注意，提高T（提高吸热温度）或降低T（降低放热温度）均可使循环效率提高。
朗肯循环
我们所关心的第一类动力循环为电力生产工业所采用的，也就是说，动力循环按这样的方式运行：工质发生相变，由液态变为气态。最简单的蒸汽-动力循环是朗肯循环，如图1-5(a)所示。朗肯循环的一个主要特征是泵耗费很少的功就能把高压水送入锅炉。其可能的缺点为工质在汽机内膨胀做功后，通常进入湿蒸汽区，形成可能损害汽轮机叶片的液滴。
朗肯循环是一个理想循环，其忽略了四个过程中的摩擦损失。这些损失通常很小，在初始分析时可完全忽略。朗肯循环由四个理想过程组成，其T-s图如图1-5(b)所示：1→2为泵内等熵压缩过程；2→3为炉内定压吸热过程；3→4为汽轮机内等熵膨胀做功过程；4→1为凝汽器内定压放热过程。
泵用于提高饱和液体的压强。事实上，状态1和状态2几乎完全一样，因为由2点开始的较高压强下的吸热过程线非常接近饱和曲线，图中仅为了解释说明的需要分别标出。锅炉（也称蒸汽发生器）和凝汽器均为换热器，它们既不需要功也不产生功。
如果忽略动能和势能的变化，输出的净功等于T -s图曲线下面的面积，即图1-5(b)中1-2-3-4-1所包围的面积，由用热力学第一定律可证明W Q。循环过程中工质的吸热量对应面积a-2-3-b-a。因此，朗肯循环的热效率可表示为
面积12341
(1-2)
面积a23b a
即，热效率等于输出能量除以输入能量（所购能量）。显然，通过增大分子或减小分母均可以提高热效率。这可以通过增大泵出口压强p，提高锅炉出口温度T，或降低汽机出口压强p来实现。
再热循环
对于一个处于高锅炉压强和低凝汽器压强条件下的朗肯循环，显然，很难阻止液滴在汽轮机低压部分的形成。由于大多数金属不能承受600℃以上的高温，因此，通常采用再热循环来防止液滴的形成。再热过程如
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下：经过汽轮机的部分蒸汽在某中间压强下被再热，从而提高蒸汽温度，直至达到状态5，如图1-6所示。然后这部分蒸汽进入汽轮机低压缸，而后进入凝汽器（状态6）。再热循环方式可以控制或者完全消除汽轮机中的湿蒸汽问题，因此，通常汽轮机分成高压缸和低压缸两部分。虽然再热循环不会显著影响循环热效率，但带来了显著的额外的输出功，如图1-6中的面积4-5-6-4-4所示。当然，再热循环需要一笔可观的投资来购置额外的设备，这些设备的使用效果必须通过与多增加的输出功进行经济性分析来判定。如果不采用再热循环来避免液滴的形成，则凝汽器出口压强必须相当地高，因而导致循环热效率较低。在这种意义上，与无再热循环且高凝汽器出口压强的循环相比，再热可以显著提高循环效率。
流体力学基础
流体运动表现出多种不同的运动形式。有些可以简单描述，而其它的则需要完全理解其内在的物理规律。在工程应用中，尽量简单地描述流体运动是非常重要的。简化程度通常取决于对精确度的要求，通常可以接受
±10%左右的误差，而有些工程应用则要求较高的精度。描述运动的一般性方程通常很难求解，因此，工程师有责任了解可以进行哪些简化的假设。当然，这需要丰富的经验，更重要的是要深刻理解流动所涉及的物理内涵。
一些常见的用来简化流动状态的假设是与流体性质有关系的。例如，黏性在某些条件下对流体有显著的影响；而在其它条件下，忽略黏性效应的影响可以大大地简化方程，但并不会显著改变计算结果。众所周知，气体速度很高时必须考虑其压缩性，但在预测风力对建筑物的影响程度，或者预测受风力直接影响的其它物理量时，可以不计空气的压缩性。学完流体运动学之后，可以更明显地看出采用了哪些恰当的假设。这里，将介绍一些重要的用来分析流体力学问题的一般性方法，并简要介绍不同类型的流动。
拉格朗日运动描述和欧拉运动描述描述流场时，将着眼点放在流体质点上是非常方便的。每个质点都包含了微小质量的流体，它由大量分
子组成。质点占据很小的体积，并随流体流动而移动。对不可压缩流体，其体积大小不变，但可能发生形变。对可压缩流体，不但体积发生形变，而且大小也将改变。在上述两种情况下，均将所有质点看作一个整体在流场中运动。
质点力学主要研究单个质点，质点运动是时间的函数。任一质点的位移、速度和加速度可表示为s(x,y,z,t)，V(x,y,z,t)，a(x,y,z,t)，其它相关参量也可计算。坐标(x,y,z)表示质点的起始位置，也是每个质点的名字。这就是拉格朗日运动描述，以约瑟夫Ｌ拉格朗日的名字命名，该描述方法通常用于质点动力学分析。拉格朗日法跟踪多个质点的运动过程并考虑质点间的相互作用。然而，由于实际流体包含质点数目巨大，因而采
用拉格朗日法研究流体流动则非常困难。与分别跟踪每个流体质点不同的另一种方法是将着眼点放在空间点上，然后观察质点经过每个空间点时
的质点速度，由此可以得到质点流经各空间点时的速度变化率，即V/x，V/y，V/z；还可以判断某一点上的速度是否随时间变化，即计算V/t。这种描述方法称为欧拉运动描述，以莱昂哈德欧拉的名字命名。在欧拉法中，速度等流动参数是空间和时间的函数。在直角笛卡儿坐标系中，速度表示为V=V(x,y,z,t)。我们所研究的流动区域称为流场。
迹线和流线
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可采用两种不同的流动线来帮助我们描述流场。迹线是某一给定质点在流场中运动时所经过的不同空间点形成的轨迹，它记录了质点的“历史”位置。一定曝光时间下可以拍得发亮粒子的运动迹线。
流线是流场中具有这样特性的线：任一质点在流线上某点处的速度矢量与该流线相切，即V d r=0。这是因为V和d r具有相同的方向，而具有相同方向的两个矢量的叉乘积等于零。同迹线相比，流线不能直接由相机拍摄获得。对于一般的非定常流动，根据大量质点的短迹线相片可以推断出流线的形状。
一维、二维和三维流动
一般来说，欧拉运动描述中的速度矢量取决于三个空间变量和时间变量，即V=V(x,y,z,t)。这样的流动称为三维流动，因为速度矢量依赖于三个空间坐标。三维流动的求解非常困难，并且也超出了序言的范围。即使假设流动为定常的（如，V=V(x,y,z)），该流动仍为三维流动。
三维流动常常可以近似成二维流动。例如，对于一个很宽的大坝，受坝两端条件的影响，水流经大坝时的流动为三维流动；但远离坝端的中间部分的流动可看作是二维的。一般来说，二维流动是指其速度矢量只取决于两个空间坐标的流动。平面流动即是如此，速度矢量只依赖于x，y两个空间坐标，而与z坐标无关（如，V=V(x,y)）。
一维流动的速度矢量只依赖于一个空间坐标。这类流动常发生在长直管内和平行平板间。管内流动的速度只随到管轴的距离变化，即u=u(r)。平行平板间的速度也只与y坐标有关，即u=u(y)。即使流动为非定常流动，如启动时的情形，u=u(y,t)，但该流动仍是一维的。
对于完全发展的流动，其速度轮廓线并不随流动方向上的空间坐标而改变。这要求研究区域要远离入口处或几何形状突然改变的区域。有许多流体力学方面的工程问题，其流场可以简化为均匀流动：速度和其它流体特性参数在整个区域内均为常数。这种简化只对速度在整个区域内均保持不变时才成立，而且这种情况非常普遍。例如：管内的高速流动和溪水的流动。平均速度可能从一个断面到另一个断面有所不同，而流动条件仅取决于流动方向上的空间变量。
牛顿流体和非牛顿流体牛顿流体是指应力与变形率关系曲线为过坐标圆点的直线的流体。直线的斜率称为黏度。
用τ=μd u/d y这个
简单的关系式来描述牛顿流体的特性。τ为流体施加的切向应力，μ为流体的动力黏度，d u/d y为垂直于切应力方向上的速度梯度。
如果流体不满足上述关系式，则被称为非牛顿流体，它包括以下几种类型：聚合物溶液、聚合物熔体、固体悬浮物和高黏度流体。在非牛顿流体中，切向应力和变形率成非线性关系，甚至可能是非定常的，因此不能定义恒定的黏度系数。但可以定义切向应力和变形率的比值(或随切向应力变化的黏度)，这个概念对不具有时间相关性行为的流体非常有用。
黏性和非黏性流动流体的流动可大致分为黏性流动和非黏性流动。非黏性流动是指黏性作用对流动的影响很小、可被忽略的
流动。而在黏性流动中，黏度的影响极为重要，不容忽视。
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为了模拟分析非黏性流动，简单地让黏度为零即可，这显然忽略了一切黏性作用。在实验室中，制造非黏性流动则非常困难，因为所有的流体（例如水和空气）都有黏性。然后问题变为：是否存在我们感兴趣的、且黏性影响微乎其微的流动答案是：“存在，只要流动中的切向应力很小，而且其作用范围小到不会显著影响流场就可以”。当然，这种描述非常笼统，需要大量的分析以证明无黏性流动假设是正确的。
根据经验，发现可以用于模拟非黏性流动的基本流动为外部流动，即存在于物体外部的流动。非黏性流动对于绕流线型物体的研究非常重要，如绕流机翼或水翼。任何可能存在的黏性影响只限于薄薄的一层之内，称之为边界层，它紧贴物体的表面，如图1-7所示。受黏性的影响，边界层内固定壁面处的速度始终为零。对于许多流动情形，边界层非常薄，当研究绕流线型流动的总体特征时，可以忽略边界层的影响。例如，对绕翼型的流动，除了边界层内和可能接近尾缘的区域之外，非黏性流动解与实际情况非常吻合。管道系统中收缩段的流动，以及内部流动中黏性影响均可忽略不计的小段区域都可简化成非黏性流动。
内流中的很大一部分情形都属于黏性流动，如管道流、暗渠流以及明渠流。在这些流动中，黏性作用造成相当大的“损失”，以此解释了管道输运石油和天然气必定耗费大量的能源。无滑移条件使得壁面处的速度为零，由此产生的切应力，直接导致这些损失的产生。
层流和紊流黏性流动可分为层流和紊流。在层流中，流体与周围流体质点无明显的混合。如果在流动中注入染料，除
了分子运动的影响外，流体质点不与周围流体混合，并将在相当长的一段时间内保持其状态。黏性切应力始终影响层流流动。层流可以是高度非定常的，也可以是定常的。
在紊流中，流体运动作不规则地变化，速度和压强等参数的大小在时间和空间坐标上呈现随机变化，这些物理量往往通过统计平均值来描述。在这个意义上，可定义“定常”紊流：即时均值不随时间变化的紊流。注入紊流中的染料在流体质点随机运动的作用下，迅速与周围流体进行掺混，染料在此扩散过程中很快就会消散而变得无法识别。层流和紊流可用一个水龙头进行简单实验来观察其流动状态。打开水龙头，这时的水流正如静静的小溪一样，流动得非常缓慢，此时的流动状态就是层流；慢慢开大水龙头，观察到流动逐渐变得紊乱。注意，紊流从相对较小的流量下开始发展而成。
流动状态依赖于三个描述流动条件的物理参数。第一个参数是流场的特征长度，如边界层厚度或管道直径。如果这个特征长度尺度足够大，流动中的扰动可能会逐渐增大，从而使得流动转变为紊流。第二个参数是特征速度，如空间平均流速，足够大的流速将导致紊流的产生。第三个参数是运动黏度，流体的黏性越小，紊流的可能性越大。
上述三个参数可以整理成一个参数，用于预测流动状态。这个参数就是雷诺数，以奥斯本雷诺的名字命名，该参数为无量纲参数，定义为Re=VL/，式中，L和V分别为特征长度和特征速度，为运动黏度。例如，在管道流中，L为管径，V为平均速度。如果雷诺数相对较小，流动为层流；如果雷诺数较大，则为紊流。通过定义临界雷诺数Re，可更加精确地进行表述，当Re 6 RT 弱而使临界雷诺数可能增大，曾经实测到40000以上的临界值。采用不同的特征尺寸计算所得临界雷诺数将有所不同，例如，用平均速度和平板之间的距离计算得到的平行板间流动的临界雷诺数为1500。 对于平板上的边界层，由于来流为均匀来流，其特征长度随到前缘点的距离x 而变化。计算雷诺数时采用长 度x 作为特征长度。在某一特定的x 下，Re 变为Re ，流动从层流过渡到紊流。处于均匀流中的光滑刚性平板，且自由来流的脉动水平较低时，已观测到的临界雷诺数高达10。在大多数工程应用中，通常假设壁面为粗糙壁面，或者自由来流的脉动水平较高时，相应的临界雷诺数约为3×10。 不可压缩和可压缩流动 如果任一流体质点在通过流场时密度保持相对恒定，即D /D t =0，则该流动为不可压缩流动。这并不要求各 处的密度值均相等。如果流场中各处的密度值均相等，则很明显，流动是不可压缩的，但那是一种更加严格的情况。密度发生变化的不可压缩流动的例子有大气流动， =(z )，z 为垂直方向的坐标，以及江河流入海洋时淡 水与盐水相邻的分层流动。 除液体流动之外，低速气体流动也被视为不可压缩流动，例如上文提到的大气流动。马赫数，以厄恩斯特 马赫的名字命名，定义为M =V /c ，V 是气体流速，波的传播速度为c 。如果M ＜，密度的最大变化为3%，此时流动可认为不可压缩的；对于标准状态下的大气，这种情况对应的气体流速低于100m/s 。如果M ＞，密度的变化将影响流动，则必须考虑流体压缩性带来的影响，这样的流动就是可压缩流动。不可压缩的气 体流动包括大气流动、商用飞机着陆和起飞时的气体流动、供暖和空调系统中的气流、绕流 汽车周围的流动、通过散热器的气流以及绕流建筑物的气体流动等等，不胜枚举。可压缩流动包括高速飞行器周围的气体流动，通过喷气式发动机的气体流动，电站中通过汽轮机的蒸汽流动，压缩机中的气体流动以及内燃机中空气和燃气混合物的流动。 传热学基础传热学是一门研究在存在温差的物体间发生能量传递的科学。热力学中将这种方式传递的能量定义为 热量。 传热学不仅可以解释热量传递是如何传递的，而且可以计算在特定条件下的传热速率。事实上，传热速率正是一个分析所期望的目标，它指明了传热学和热力学间的差别。热力学处理的是平衡状态下的系统，它可计算当系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态时所需要的能量，但不能解决系统处于过渡过程的非平衡状态时能量变化的快慢程度。传热学提供了可用于计算传热速率的实验关联式，从而对热力学第一定律和第二定律进行补充。这里，我们介绍热量传递的三种方式和不同型式的换热器。 热传导 当物体内部存在温度梯度时，经验表明，就有能量从高温区向低温区传递。我们说，此时的能量通过传导 进行传递，单位面积上的传热速率与法向温度梯度成正比，即q /A ~T /x 。引入比例系数，则有 q A T x (1-3) 其中q 是热流量，T /x 是热流方向上的温度梯度，正常数称为材料的导热系数。方程中插入的负号表示热传 7 导过程应满足热力学第二定律，即热量必须沿温度降低的方向传递。式(1-3)称为傅立叶导热定律，以法国数理学家约瑟夫傅立叶的名字命名，傅立叶在导热的分析处理方面做出了极其重大的贡献。值得注意的是，式(1-3)也是导热系数的定义式，在典型的单位体系中，当热流量q的单位为W时，的单位为W/(m℃)。 对流换热 众所周知，与热金属板放置在静止的空气中相比，放置在转动的风扇前的热金属板会更快地冷却。我们说热量通过对流进行传递，称此类换热过程为对流换热。对流这个术语给读者提供了有关传热过程的直观概念，然而，必须扩展这种直观概念，使我们可以达到对某一问题进行充分的分析和处理。例如，我们知道流过热平板的空气速度会明显影响其传热量，但它是以线性方式影响冷却的吗即如果速度增加一倍，传热量也会增加一倍吗我们猜想，如果用水代替空气冷却热平板，传热量可能有所不同，但是，二者的差异会有多少呢这些问题在了解一些非常基本的分析后，可得以回答。现在，我们来简要描述对流换热的物理机理，并且说明它和传导过程的联系。 被加热的平板如图1-8所示，平板的温度为T，流体的温度为T。速度分布如图所示，受黏性作用，平板上的速度减小为零。因为壁面处流动薄层的速度为零，因此，在该点上热量只能以导热方式传递。因此，可以利用式(1-3)，以及壁面上的流体导热系数和温度梯度来计算传热量。如果热量在该层经导热传递，那么，为什么我们要谈及对流换热以及需要考虑流体速度的影响呢答案是，温度梯度依赖于流体带走热量的速度，较高 的流速将产生较大的温度梯度。因此，壁面上的温度梯度依赖于流场的变化，在以后的分析中，我们将建立这二者间的关系。然而，必须记住，壁面上传热的物理机理是一导热过程。 为描述对流换热的整体效应，应用牛顿冷却定律 q hA(T T)(1-4) 这里，热流量与壁面和流体间的整体温度差以及表面积A有关。参数h称为对流换热系数，式(1-4)是其定义式。对某些传热过程，可获得h的分析表达式，而复杂情形下的传热系数必须通过实验研究来确定。式(1-4)表明，当热流量的单位为W时，h的单位为W/(m℃)。 如果将热平板置于没有外部风源的房间空气中，平板附近的密度梯度将造成空气运动。我们称此换热过程为自然对流，以区别于风扇吹扫平板表面时形成的强制对流。沸腾和凝结现象也属于对流换热的范畴。 辐射换热 对于导热和对流换热，其热量传递需要介质才得以进行，与此不同的是，热量也可以在完全真空中传递，其传热机理是电磁辐射。我们将讨论限定在由温差导致的电磁辐射，即所谓的热辐射。 热力学研究表明，对于理想的热辐射体或黑体，其辐射力正比于物体绝对温度的四次方及其表面积，因此 有 q AT(1-5)式中，为比例系数，称为斯忒藩－玻耳兹曼常数，其值为×10W/(m·K)。式(1-5)称为热辐射的斯忒藩 8 －玻耳兹曼定律，该式仅适用于黑体。值得注意的是，该表达式仅适用于热辐射，其它类型的电磁辐射要比该式复杂得多。 式(1-5)只能用于确定单个黑体的辐射能。两个表面间的净辐射换热量与其绝对温度四次方的差成正比，即 q (T A T)(1-6)我们已经提到，黑体是按四次方定律辐射能量的物体。因其黑色的表面我们称之为黑体，如覆盖炭黑的金 属片，就近似具有这种辐射特性。其它类型的表面，如有光泽的漆面或抛光的金属板，并不具有黑体那样大的辐射力，然而，这些物体的辐射力仍大致与T成正比。为了考虑这些表面的“灰”特性，在式(1-5)引入另一个参数，称为发射率ε，发射率将这些“灰”表面的辐射与理想黑体的表面辐射联系起来。此外，我们必须考虑这样一个事实，并非一个表面发出的所有辐射都可以到达到另一个表面，因为电磁辐射是沿直线传播的，将有部分能量散失到周围环境中。因此，考虑到这两种情况，式(1-5)引入另外两个新的参数，则有 () q FF AT T (1-7) 式中，F是发射率函数，F是几何角系数。此时，值得提醒读者的是，式(1-7)中的这两个函数通常并不是相互独立的。 换热器的类型最简单的换热器是由两个不同直径的同心圆管组成，称为套管式换热器。套管换热器中的一种流体流经细 管，另一种流体流经两管间的环形区域。套管换热器中包括两种不同类型的流动方式：一种为顺流，即冷、热流体从同一端进入换热器，并沿同一方向流动；另一种为逆流，即冷、热流体从相反的两端进入换热器，且沿相反方向流动。 另一类换热器，被专门设计成单位体积内有很大的换热面积，称为紧凑式换热器。换热器的换热面积与其体积之比称为面积密度β。β＞700m/m的换热器归为紧凑式换热器。例如汽车散热器（β≈1000m/m）、燃气轮机中的玻璃陶瓷换热器（β≈6000m/m）、斯特林机的回热器（β≈15,000m/m）以及人的肺部（β≈20,000m/m）。紧凑式换热器能实现小容积内两种流体的高换热率，通常用于换热器重量和容积受到严格限制的场合。 紧凑式换热器通过在分离两种流体的壁面上附加间隔紧密的薄板或波纹翅片来扩展其表面。紧凑式换热器通常用于气－气和气－液（或液－气）换热器，通过增加传热面积来抵消气侧低传热系数所带来的影响。例如，汽车散热器是水－气紧凑式换热器的典型例子，通常管子气侧表面装有翅片。 工业应用中最常见的换热器也许是管壳式换热器，如图1-9所示。管壳式换热器外壳里封装有大量的管束（有时为数百根），其轴线与外壳轴线平行。当一种流体在管内流动，另一种流体在管外流动并穿过壳体时，就进行了热交换。壳内通常布置有挡板，用于使壳侧流体沿壳流动以强化传热，并保持均匀的管间距。虽然管壳式换热器应用广泛，但因其相对较大的尺寸和重量，因而并不适用于汽车和航空器领域。注意，管壳式换热器的管束两侧开口处的较大流动区域称为封头，它位于壳体两端，管侧流体流入、流出管子前后都在此汇集。 管壳式换热器依据所含管程和壳程的数目可进一步分类。例如，换热器壳内的所有管束采用一个U型布置 9 的称为单壳程双管程换热器（1-2型换热器）。同样地，含有双壳程和四管程的换热器叫做双壳程－四管程型换热器（2-4型换热器）。 一种广泛使用的新型换热器是板翅式（或板式）换热器，它由一系列平板组成，并形成波纹状的流动通道。冷、热流体在间隔的每个通道中流动，每一股冷流体被两股热流体所包围，因此换热效果非常好。此外，板式换热器可通过简单添加更多的平板来满足增强换热的需求。该类型换热器非常适用于液－液式换热场合，但需要冷、热液流的压强大致相等。 另一类冷、热流体交替通过同一流动面积的换热器为蓄热式换热器。静态型蓄热式换热器基本上由多孔介质组成，其热容量大，如陶瓷铁丝网。冷、热流体交替地流经这些多孔介质，热量先由流过的高温流体传递到换热器的换热基体，再由基体传递给接着流过的低温流体。因此，基体充当了临时储热介质的作用。动态型蓄热式换热器内有转筒，冷、热流体连续流动通过转筒的不同部分，使得转筒的任一部分周期性地通过热流体，存储热量，再通过冷流体，释放存储的热量。转筒作为热量从热流体传递到冷流体的媒介。 换热器往往被赋予特定的名称来反映它们的特定用途。例如，冷凝器是流体流经它时会发生冷却凝结的一种换热器。锅炉是另一类换热器，流体在其内吸热并汽化。空间辐射器是以辐射方式将热流体的热量传递到周围空间的换热器。 10 第二章锅炉 简介SSC 锅炉利用热量使水转变成蒸汽以进行各种利用。其中主要是发电和工业供热。由于蒸汽具有有利的参数和无毒特性，因此蒸汽作为一种关键的工质（资源）被广泛地应用。蒸汽流量和运行参数的变化很大：从某一过程里1000磅/小时（s）到大型电厂超过10×10磅/小时 （1260kg/s），压力从一些加热应用的磅/in（）212F（100℃）到先进循环电厂的 4500磅/in（310bar）1100F（593℃）。现代锅炉可根据不同的标准分类。这些包括最终用途、燃烧方式、运行压力、燃料和循环 方式。 大型中心电站的电站锅炉主要用来发电。它们经过优化设计，可达到最高的热效率。新机组的关键特性是利用再热器提高整个循环效率。 各种附加的系统也产生蒸汽用于发电及其他过程应用。这些系统常常利用廉价或免费燃料，联合动力循环和过程，以及余热回收，以减少总费用。这些例子包括： 燃气轮机联合循环（CC）：先进的燃气轮机，将余热锅炉作为基本循环的一部分，以利用余热并提高热效率。 整体煤气化联合循环（IGCC）：在CC基础上增加煤气化炉，以降低燃料费用并将污染排放降到最低。 增压循环流化床燃烧（PFBC）：在更高压力下燃烧，包括燃气净化，以及燃烧产物膨胀并通过燃气轮机做功。高炉排烟热量回收：利用高炉余热产生蒸汽。 太阳能蒸汽发生器：利用集热器收集太阳辐射热产生蒸汽。 现代660MW燃煤锅炉有大约6000吨的压力部件，包括500千米的受热面管材，千米连接管 与联箱和30000个管接头焊口。 这是经过大约50年发展的结果，并形成了煤粉在具有蒸发管束的炉膛燃烧，烟气然后流经对流过热器和热回收表面的基本概念并保留至今。蒸汽参数的提高，机组容量的增大及燃料燃烧特性的改进都要求在材料、制造技术和运行程序上相应发展。二战后的一些年里，在电厂安装锅炉的数量多于汽轮机是很常见的，锅炉提供蒸汽到母管然后到汽机。这种布置反应了锅炉的可用性低于汽轮机。四十年代后期，随着锅炉可用性的提高，锅炉和汽机开始可以相互配套使用。锅炉和汽机成套的变化使得再热成为可行，而且伴随着高温钢材的应用，经过蒸汽参数的不断提高，达到了当前的标准循环2400lbf/in2，568℃和再热568℃。为充分利用更高的蒸汽参数和获得经 济容量，在接下来的15年，机组容量又增加了20倍。 燃料与燃烧大部分锅炉以煤、天然气和石油作为燃料。然而，在过去的几十年里，至少在发电领域核 能开始扮演一个主要角色。同样，不断增加的各种生物质和过程副产品也成为蒸汽生产的热源。这些包括泥煤、木材及木材废弃物、稻草、咖啡渣、稻谷壳、煤矿废弃物（煤屑）、炼钢炉废热甚至太阳能。 11 现代美国中心电站用燃料主要是煤，或是烟煤、次烟煤或是褐煤。虽然天然气和燃油也许是未来化石燃料电厂的燃料选择，但煤仍然是今后新的，基本负荷电站锅炉的主要燃料。 煤的分类 由于煤是一种不均匀的物质，且其组成和特性变动很大，所以建立煤的分类系统是很必要的。中国煤的性质如表2-1所示。以煤阶进行煤的分类是典型的做法。这表现为煤化程度的大小：从褐煤到贫煤、烟煤以及无烟煤。煤阶表明了煤的地质历史和主要特性。现在美国应用的煤分类标准是由美国材料试验学会（ASTM）建立的。其分类是通过煤的工业分析所确定的挥 发分和固定碳的含量以及煤的发热量作为分类标准。这套系统目的在于确定煤的商业使用价 值，并提供关于煤燃烧特性的基本信息。 燃烧系统锅炉内化石燃料燃烧以产生蒸汽的技术已成熟多年。然而，在过去的二十多年中，为了将大气排放和污染降到可行的最低程度，燃烧技术得到了很大程度的提高。 油燃烧系统所有的电站锅炉都燃用油，在燃煤锅炉中点燃煤粉，在煤进入炉膛之前加热炉膛并升压，而在燃油锅炉中则作为主要负荷燃料。一般地，燃油都是粘度在3500sec到6500sec的残渣燃料油。为了有效的燃烧，这些油必须被加热到120~130℃并被良好地分散或雾化成很小的微滴燃用渣油，要比一般的馏分油（柴油，汽油等）便宜，但又带来一些问题：酸性污染物和粉尘的排放。酸性污染问题是由石油中的硫产生的，硫分的含量有时可高达3%。在20世纪60年代早期，人们对油燃烧器设计进行了深入研究和开发，目的在于解决燃油的排放问题。由此诞生了一种油燃烧器——“标准燃烧器”，它可以在非常低的过量空气系数下减少碳排放。为保证锅炉中每个燃烧器获得同样多的空气也做了大量的工作。目前油燃烧过量空气系数运行水平为2%。 煤燃烧系统煤燃烧器的发展模式同油燃烧器类似，而且重点放在准确控制每只燃烧器煤和油的供给量。实际中所有的燃煤锅炉都是燃烧煤粉（由磨煤机生产），这些煤粉经过很好的粉碎，然后由空气流 （一次风）送入燃烧器。同以前相比，在流动平衡上的设计成果现在已能使锅炉在较低的过量空气水平下运行，并在不增加飞灰含碳量水平的情况下提高了总的效率煤燃烧系统部件的布置必须根据经济因素和煤的性质来确定。作为整个燃烧系统设计的性能参数，煤粉细度、磨煤机出口温度、空煤比等都必须达到要求。 低NOx燃烧系统 影响NOx生成的因素包括燃料含氮量、火焰峰值温度、火焰中的可用氧量以及气流在锅炉系统中的停留时间。当煤进入炉膛其化学结构被破坏时，一些煤中的化合氮就作为挥发分被释放出来。由大气中的氮生成的一氧化氮即“热力型NOx”可以通过减少烟气在高温区域的停留时间而得到控制，这样就会控制燃烧阶段中可用氧量，最后生成的是无害氮而不是NOx。因为煤在燃烧区 的燃烧需要一定的过量氧气以便使所有的碳燃尽，且不含氮的煤是难以获得的，因此NOx的减少必须依靠锅炉和燃烧器的设计来完成。 天然气燃烧系统天然气曾经作为电厂主要燃料。然而一些年来，没有太多的天然气可供电厂使用，并且人们没有正视这样的事实，即天然气作为一种优质燃料将会重新得到大量应用。 12 丙烷常常作为一种点火剂，广泛地应用于燃油锅炉和燃煤锅炉中的油燃烧器。 流化床燃烧 流化床燃烧是煤粉燃烧方式的一种，采用这种燃烧方式时煤在空气中的燃烧发生在流化床中，典型的是循环流化床。循环流化床最适合于燃烧低成本废弃燃料、低品质或低热量煤。将煤粒和石灰石投入到床中，石灰石在床内煅烧成石灰。流化床中主要是石灰和少量的煤，煤焦在其中循环。运行中的床温很低，只有427℃(800℉)，在这个温度下的热力学环境有利于减少NOx的形成和捕集SO2，使之与CaO反应生成CaSO4。对于煤燃烧，蒸汽循环可以是亚临界，也可能是超临界，它们具有相近的发电效率。循环流化床技术的最大的优点是它在床中捕捉SO2的能力和它对煤质的广泛适应性，其中包括低热量煤、高灰分煤和低挥发分煤，并且在运行中可以改变煤种。循环流化床锅炉适合与生物质共燃，最近就新建了几台燃烧褐煤的循环流化床机组。 如图2-1所示，目前最常用的流化床技术是循环流化床燃烧技术。煤和煤焦燃烧的同时，空气 携带煤、煤焦、煤灰和脱硫剂通过炉膛。固体材料通过旋风分离器从烟气中分离出来，然后通 过对流烟道部分，烟气把热量传给炉管以产生高压蒸汽。另一部分蒸汽是由流化床中的高温 固体在返回炉膛前放出热量产生的。炉膛内固体快速运动会引起过量的磨损，因此炉膛底部不安装炉管。通过低燃烧温度和空气分级燃烧来控制NOx的生成。SOx排放通过床中石灰脱硫剂控 制。这些为烟气净化节省了大笔的投资，但是低的SOx排放需要燃烧低硫分煤，并且NOx的排放受燃烧反应的限制。极低的排放需要额外的烟气净化设备，同时会增加相应的维护成本。在中国最大的流化床锅炉是330MWe，设计最大的锅炉是600MWe，但是还没有投建。 制粉系统煤粉制备与煤粉燃烧技术的发展是同步的。为了使煤在炉膛中有效燃烧，煤在离开燃烧器时必须被粉碎到一定的大小，这样才能迅速燃烧，这就意味着煤必须被加工成小颗粒，才能被迅速加热到着火温度并和空气良好混合。 磨煤机的工作就是把煤磨碎到符合上述要求的合适的大小。较早的系统使用筒式球磨机磨 煤粉，并且在燃烧前利用储仓暂时储存煤粉。如果对该技术进行改进，去掉中间储仓而将从磨 煤机出来的煤粉直接送去燃烧，就会对磨煤机的可靠性有很高的要求。正压制粉系统中，提供煤粉输送介质的一次风机位于磨煤机前，因而它运送的是清洁空气，不会像排粉风机一样受到侵蚀磨损。这是正压磨煤系统的主要优点。然而，磨煤机需要由单独风机提供高于磨煤机内部压力的密封空气。正压磨煤机的一个缺点是它必须完全由空气密封以避免煤粉泄露到大气中。 相对来说，负压磨煤机的密封标准并不需要这样高，但也不允许漏入过多空气，因为冷空气难以干燥湿煤。这种方式泄露的空气量也无法测量，如果达到高的空/煤比，遇到明火则可能发 生爆炸。 中速磨磨辊在一层耐磨层上滚动，通过移动的磨盘把煤压碎。磨辊的运动引起煤粒间的相互运动
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