油田注汽锅炉-热工基本知识
第一篇??? 油田注汽锅炉
第一章????????? 热工基本知识
第一节???????? 工程热力学基本知识
一、???? 基本概念
二、???? 理想气体状态方程
三、???? 水与水蒸汽性质
第二节???????? 传热学基本知识
一、???? 基本概念
二、???? 传热方式（导热、对流、辐射）
三、???? 传热与换热器
第三节???????? 流体力学基本知识
一、???? 流体的粘滞性与粘度
二、???? 流体的能量方程
三、???? 流动状态与流动阻力
四、???? 管道特性曲线
第四节???????? 燃料与燃烧
第五节???????? 锅炉工作原理与基本工作特征
第一章????????? 热工基本知识
第一节? 工程热力学基本知识
一、???? 状态参数
人类社会的发展离不开能源。所谓能源是指提供各种有效能量的物质资源。自然界中可被人们利用的能量主要有煤、石油等矿物燃料的化学能以及风能、水力能、太阳能、地热能、原子能等。其中风能和水力能是自然界以机械能形式提供的能量，其他则主要以热能的形式或者转换为热能的形式供人们利用，可见能量的利用过程实质上是能量的传递和转换过程。据统计，世界上经过热能形式而被利用的能量平均超过85%，我国则占90%以上。
热能的利用通常有下列两种基本形式：一种是热利用，如化工、食品等工业和生活上的应用；另一种是热能的动力利用，即把热能转化成机械能或电能，为人类社会的各方面提供动力等。油田重油开发热采的热能利用属第一种情形。无论是第一种形式热能的直接利用还是第二种形式将热能转化为其他形式的能加以利用，都要通过一定的媒介物质来实现，通常把这种传递热量的媒介物质称为工质。工质在热力变化过程中的某一瞬间所呈现的宏观物理状况称为工质的热力学状态，简称状态。工质的状态常用一些宏观物理量来描述。这种用来描述工质所处状态的宏观物理量称为状态参数。状态参数的全部或一部分发生变化，即表明工质所处的状态起了变化。也必然由参数的变化所标志出来。主要状态参数有温度、压力、比容及焓等。
（一）温度
温度是指物体冷热的程度。在日常生活、生产和科学实验中，我们经常要测量各种温度，比如测量体温、室温、气温以及各种运行设备的温升等等。为了测量这些温度，必需使用温度计。温度计上表示温度高低的尺度叫做温度标尺（简称温标），常用的温标有如下三种：摄氏温标、华氏温标、绝对温标。
1．摄氏温标：又叫做国际百分度温标。摄氏温标是把标准大气压冰水混合的温度规定为0度，把水沸腾时的温度（即沸点）规定为100度，在0度与100度之间平均分成100个等份，每一等份就是1 度。用摄氏温标表示的温度就是摄氏温度。摄氏温度的单位为“摄氏度”，用符号℃表示。例如，摄氏温度80摄氏度可以写成80℃。若温度低于0℃，则要在度数前面加一个“-”号。例如，摄氏温度零下15℃可以写成-15℃。
2．华氏温标：是英制温标，为英、美等国过去比较常用的一种温标。华氏温标是把标准大气压下水凝固成冰时的温度（冰点）规定为32度，水沸腾时的温度（沸点）规定为212度，在32度与212度之间平均分180个等分，每一个等分就是1华氏度。用华氏温标表示的温度称为华氏温度。华氏温度的单位为“华氏度”，用符号℉表示。例如华氏温度86华氏度表示的温度写为86℉。
3．绝对温标：绝对温标也称为热力学绝对温标。它的刻度和摄氏温标相等，只是它把摄氏温标的-273.15℃规定为0开尔文，把标准大气压下水凝固的温（冰点）规定为273开尔文，把沸水的温度（沸点）规定为373开尔文。用绝对温标表示的温度称为绝对温度（也叫热力学温度）。绝对温度的单位叫做“开尔文”，简称开，用符号K表示。例如绝对温度280开尔文可写为280K。
摄氏温度与华氏温度之间的换算关系如下：
摄氏温度与绝对温度之间的换算关系如下：
（二）压力
单位面积上所受的垂直作用力称为压力（即压强）。我国法定计量单位的压力单位为帕斯卡（简称帕），符号为Pa。
1Pa=1N/m2
即1Pa等于每平方米的面积上作用1N的力。工程上，因Pa单位太小常采有MPa（兆帕）和KPa（千帕），1MPa=106Pa，1KPa=103Pa。
1.大气压力
地球表面被一层很厚的气体包裹着，这层气体称为大气。
由于气体受地心的吸引产生了重力，所以包围在地球外面的大气层对地球表面便产生了压力。这个压力是由大气产生的，这叫做大气压力（用Ｐb表示），又称大气压。大气层越厚，大气的压力就越大；相反地，大气层越薄，大气的压力就越小。所以高山上的大气压比海平面上的小。
由此可知，大气压力不是恒定不变的。为使计算及论证有个科学的统一基点，需要有一个标准大气压力作为衡量标准。
由试验测得,海平面上的大气压为101325Pa或为７６０mmHg.这个大气压我们称为标准大气压。
2.绝对压力、表压力与负压力
容器内介质（此处为液体和气体）的压力高于大气压力时，介质处于正压状态；如低于大气压力，则介质处于负压状态。
容器内介质的实际压力称为绝对压力，用符号P来表示。通常用压力表或U形管压力表测量得到的压力称为表压力，用Pe来表示。
当容器内介质的压力等于大气压力时，压力表的指针指在零位，如图1—1（a）所示，或U形管压力表内的液面高度相等，如图1—2（a）所示。
（a）P=大气压力???????? ???（b）P〉大气压力
图1—1?? 压力表读数
当容器内介质的压力大于大气压力时，压力表的指针才开始转动，如图1—1（b）所示。U形管压力表的液面被容器内介质压力压向通大气的一端，形成液柱差H，如图1—2（b）所示。此时液柱差H所形成的压力值就是容器内压力超出大气压力的部分,即表压力。
表1—2? U形管压力表测压
当容器内介质的压力低于外界大气压力时,则U形管压力表内的液面被大气压力压向与容器相连的一端,形成液柱差H′，如图1—2（c）所示。此液柱差H′所形成的压力值,既为介质的压力比大气压力的部分，称为负压力或真空。例如，炉膛压力为-4毫米水柱，就是说炉膛的压力比大气压力低4毫米水柱,即炉膛有4毫米水柱的负压力,这样可以保证火焰和烟气不向外喷。
由此可知，绝对压力、表压力及大气压力三者之间的关系如下：
P=Pb+Pe
由公式可知，只有表压力为负数时，绝对压力P才有可能小于大气压力Pb。而出现负压力Pv，此时
P=Pb-Pv
式中Pb为当地的大气压力。
绝对压力、表压力、真空度和大气压力之间的关系如图1—3所示。
图1—3 ???绝对压力、表压力、真空度和大气压力间的关系
工程上可能遇到的其他压力单位还有标准大气压（atm，也称物理大气压）、巴（bar）、工程大气压（at）、毫米汞柱（mmHg）和毫米水柱（mmH2O），它们与帕（Pa）之间的互换关系如表1—1 所示。
表1—1
Pa
bar
atm
at
mmHg
mmH2O
Pa
1
1×10-5
0.986923×10-5
0.101972×10-4
7.50062×10-2
0.1019712
bar
1×105
1
0.986923
1.01972
750.062
10197.2
atm
101325
1.01325
1
1.03323
760
10332.3
at
98066.5
0.980665
0.967841
1
735.559
1×104
mmHg
133.3224
133.322×10-5
1.31579×10-3
1.35951×10-3
1
13.5951
mmH2O
9.80665
9.80665×10-5
9.07841×10-5
1×10-4
735.559×10-4
1
（三）比容与密度
１．???? 比容
单位质量的物质所占有的容积成为比容，用符号υ表示。其单位为米3/千克（m3/kg）。例如某气压和气温下空气的比容为0.775 m3/kg,就是指质量为1kg的空气需要占有容积为0.775 m3的空间。若质量为M的某物质占有容积V时，则其比容 为
气体的比容大小与气体的压力和气体的温度有关，它们之间的相互变化关系为：
假定气体的温度不变，则压力越高，比容越小；压力越小，比容越大，即压力与比容成反比。假定气体的压力不变，则温度越高，比容越大；温度越低，比容越小，即温度与比容成正比。假定气体的比容不变，则压力越高，温度越高；压力越低，温度越低，即压力与温度成正比。
由于气体的比容与气体的压力及温度都有关系，所以锅炉运行时产生的蒸汽，其比容就与蒸汽的压力及温度都有关。
２．???? 密度
单位容积内所含物质的质量称为密度，用符号ρ表示。其单位为千克/米3（kg / m3）。例如标准状况（即温度为0℃,压力为1atm）下空气的密度为1.29 kg / m3,就是指标准状况下容积为1m3的空气的质量是1.29kg。若质量 为M的某物质占有容积V时，则其密度 为
因此，比容 和密度 互为倒数，即
单位容积内所含物质的重量称为重度，用符号 表示。单位为牛顿／米３ （N/ m3）。
（四）焓
焓是指在流体中总的含热量。实质上是流体内部分子内能和流动压力能的总和。用符号“ ”表示，单位为焦耳（J）。用公式表示：
式中： —流体的内能，J；
—流体的流动压力能，J。
对于一千克流体的焓称为比焓，符号“ｈ”，单位为J／kg。用公式表示：
式中： —每千克流体的内能，J／kg；
—每千克流体的压力能，J／kg。
工程上规定0℃的饱和水h为0，因此干饱和蒸汽的焓是水从0℃加热到饱和温度成为饱和水所吸收的热量加上该压力下汽化热之和。饱和水、饱和蒸汽的焓与温度和压力有关。压力、温度、焓它们之间的关系可以从附录中蒸汽特性表查出。
二、 水和水蒸汽的性质
（一）、水的性质
纯水是无色、无味、无嗅、透明的液体。水是良好的溶剂，它能溶解许多种物质。水在自然界中有三种形态，即：固态—冰和雪；液态—水；气态——蒸汽。
对于一般物质来说，随着温度的升高，其密度逐渐减小。体积逐渐增大；随着温度的下降，其密度逐渐增大，体积逐渐减小，而水则不同，在4℃时，水的密度最大，体积最小；当低于4℃或高于4℃时，其密度逐渐减小，体积逐渐增大。因此，冰总是浮在水面上，这是水的一个非常突出的特点。所以在冬季，不运行的锅炉要注意防冻，避免炉水结成冰后体积增大，而将设备撑坏。
水的另一个特点是比热较大。使单位质量的水和其它物质的温度同样升高1℃时，水所需要的热量比其它物质都多。由于水具有这一特性，而且它又容易取得，所以常被用来作为吸热和放热（如冷却和采暖）的介质。
水具有液体的各种特性。我们知道，当连通器的各部分水面上的压力相等时，这些水面就都保持在同一高度上。根据这一原理，我们可以用水位表测量出锅筒内的水位高低。水在密闭容器中，当水的部分受到外界压力作用时，它便以大小相等的力向各个方向传递，以致接触到水的任何一点，都受到相等的压力。锅炉水压试验便是利用这一原理来检查个受压部件的强度和严密性的。
水被加热和吸收热量以后，温度就逐渐升高，当水加热到一定温度时，便开始沸腾，水沸腾时的温度叫做沸点，也叫饱和温度。沸点状态下的水为饱和水，它所含的热量称为饱和水的含热量，也称作显热。水的沸点随着压力的升高或降低。在标准大气压下，水的沸点为100℃，而在980.665KPa绝对气压下，水的沸点即为179.04℃。当绝对压力为58.84KPa时，水的沸点即为85.45℃。所以水在低压下比在高压下沸腾得快，不过水中所含的热量较少。在高原地区，因为当地气压较低，所以水总是不到100℃就沸腾了。℃
图1—4 饱和温度与饱和压力关系曲线
水的饱和温度和压力的关系见图1—4。从图中可见，饱和温度与压力是一一对应的。我们把与饱和温度相对应的定值压力称为饱和压力。饱和压力与饱和温度两者中只要有一个确定，另一个随之也确定，对于水近似地有如下经验公式表示，即：
其中：p的单位为MPa, t的单位为℃。
（二）、水蒸气的性质
1．汽化与汽化潜热
当水被加热到沸点时，在水的表面和内部便产生大量汽泡，汽泡升至水面时就破裂开来放出水汽，水就这样逐渐地变成了水蒸汽。水由液态变为气态—水蒸汽的过程叫做汽化。
水沸腾后，虽然对它继续加热，但水的温度却不再升高，始终保持在沸点温度，如果停止加热，水也就立即停止沸腾。可见水沸腾后所吸收的热量不是用来升高水的温度，而是用来使水汽化成蒸汽的。如果我们在大气压力下作烧开水的试验，就会发现当把水加热到沸腾时，放在水中和放在水上部汽空间的两只温度计显示相同，即沸水汽化所生成的蒸汽温度与沸水温度相同，始终保持在饱和温度，这种蒸汽叫做饱和蒸汽，这种水叫做饱和水。
1千克饱和水完全汽化为饱和蒸汽时所需要的热量，叫做汽化潜热。简称汽化热。用符号r表示。单位为焦耳/千克（J/kg）。
在不同的压力下，饱和水汽化为饱和蒸汽所需的汽化潜热也不相同，汽化潜热的数值是随着压力升高而降低的。例如：在绝对压力为0.1MPa时，r＝2259.2 KJ/kg；在绝对压力为1MPa时，r＝ 2018 KJ/kg；当绝对压力为13.7MPa时，r＝1084.4 KJ/kg；如果绝对压力增加到22.114MPa时，汽化潜热r＝0。在这一点水和水蒸汽已无区别了，该点称为水的临界点，在临界点水的温度为374℃。表1—2为不同压力下水的汽化潜热。
表1—2
绝对压力
P(MPa)
2
4
6
8
10
12
22.114
汽化潜热
r（KJ/kg/千克）
1890.76
1713.36
1570.81
1441.45
1316.93
1194.31
0
饱和水汽化为饱和蒸汽时，比容将大大的增加。如在0.1MPa气压下，饱和水的比容为υ'＝0.0011262米3/千克，而饱和蒸汽的比容υ"＝0.1980米3千克，较饱和水的比容增大了将近176倍。
2．饱和蒸汽
饱和蒸汽有干饱和蒸汽和湿饱和蒸汽两种状态。
⑴ 干饱和蒸汽：不含水份的饱和蒸汽叫干饱和蒸汽。它是指饱和水全部被汽化，而蒸汽温度仍等于该压力下的饱和温度时的状态。
⑵ 湿饱和蒸汽：含有水份的饱和蒸汽叫做湿饱和蒸汽。它是指饱和水汽化过程中，处于汽与水共存的状态。
1千克湿饱和蒸汽中，含有干饱和蒸汽的质量百分数称为干度，用符号x表示。它说明湿饱和蒸汽的干燥程度，x值越大，则蒸汽越干燥。对于干饱和蒸汽来说，x＝1。若干度x＝0.9，则表示1千克湿饱和蒸汽中含干饱和蒸汽0.9千克，含饱和水0.1千克。
对于湿饱和蒸汽，其比焓值
式中： — 饱和水的比焓，J／kg；
— 饱和汽的比焓，J／kg；
— 相应压力下汽化热，J／kg；
— 湿饱和蒸汽干度。
例：10MPa汽压下，饱和水的比焓为1407.94KJ/kg,汽化热为1316.75KJ/Kg,求干度χ=65％时湿饱和蒸汽的比焓？
解：
3．过热蒸汽
若在等压下继续加热干饱和蒸汽，蒸汽温度便会逐渐升高，比容也将更为增大，这种温度高于饱和温度蒸汽叫做过热蒸汽。饱和蒸汽变为过热蒸汽的过程叫做过热阶段。这一阶段所吸收的热量称为过热热量。过热蒸汽温度超过饱和温度的程度称为过热度。
过热蒸汽因有较大的热量和较低的热传导率，所以不向饱和蒸汽那样易于凝结，在气温下降至饱和温度之前绝不会凝结成水。另外，过热蒸汽比饱和蒸汽具有更大的做功能力，因此，常被用作汽轮机、蒸气机等设备的动力。
锅炉运行时，将水加热变成蒸汽的过程可近似看作在压力不变的情况下进行的，我们可通过图1—5的试验说明水加热后变成蒸汽的各个过程。把1千克水放在装有活塞的容器中，然后再活塞的上面加一个重物，使活塞承受固定的压力P，如图1—5（a）所示。当容器内的水被加热到饱和温度（沸点），水的比容也随之增大，此状态下的水称为饱和水，如图1—5（b）所示。继续加热时，饱和水就开始汽化产生蒸汽，这时，水和汽的温度保持不变，仍为饱和温度，而且，由于水汽化成为蒸汽，其比容增大了许多。由于饱和水和饱和蒸汽都同时存在于容器之中，此时的饱和蒸汽称为湿饱和蒸汽，如图1—5（c）所示。在继续加热直至容器内最后一滴饱和水也变为蒸汽时，这种不含水份的蒸汽称为干饱和蒸汽，如图1—5（d）所示。若将容器中的干饱和蒸汽再继续加热，则干饱和蒸汽的温度便开始升高，比容也继续增大，此时的干饱和蒸汽叫做热蒸汽，如图1—5（e）所示。
1—温度表?????? 2—加热容器???????? 3—阀门
图1—5? 定压状态下加热汽化的过程
不同压力下的饱和水和饱和蒸汽性质见附录二。
第二节???????????????? 传热学基本知识
传热学是研究由温差引起的热能传递规律的科学。热力学第二定律指出：凡是有温差存在的地方，就有热能自发地从高温物体向低温物体传递，传递过程中的热能常称为热量。自然界和各种生产技术领域中到处存在着温差，因此热能的传递就成为自然界和生产技术领域中一种极普遍的物理现象。这里所谓的热能传递规律，主要是指单位时间内所传递的热量（热能的多少）与物体中相应的温度差之间的关系。
传热是一个非常复杂的过程，它与许多因素有关。传热方式通常有导热、对流和辐射三种形式。
（一）导热
在同一物质中（或两种温度不同的物质接触时），热量从高温部分传递到低温部分，叫做导热。例如低压锅炉拨火用的火钩，刚开始拨火时，手拿的一端是冷的，时间一长就感到烫手，这是因为火钩的另一端被火加热后温度升高，造成火钩两端的温度一高一低，于是热量就由温度高的一端传播给温度较低的，人手拿着的一端。又如将一块烧红钢板放在地上，几分钟后在将钢板移开，就会发现刚才放热钢板的地面很烫。这些都是导热。
不同的物质导热的能力也不相同。例如钢导热能力就比木材要大，我们把导热性能良好的物质称为良热导体，如银、铜、铝、铁等；而把导热性能差的物质称为不良热导体，如空气、石棉、矿渣棉等。于是，我们常用导热性能差的材料来做锅炉和蒸汽管道的保温材料。
平板导热用下列关系式计算：
式中： ——单位时间内通过平板给定面积的热量，W；
——材料的导热系数，W/m?K；
——垂直于热流方向平板的给定面积，m2；
——平板壁面的导热温差，K；
?——平板厚度，m。
从上式可看出，在导热过程中，平板两壁之间每小时所传递的热量与两壁面的温差，平板面积成正比；与平板厚度成反比。
导热系数λ与材料性质有关。它的含义是：当表面积为1米2，壁厚为1米，壁两侧的温度为1℃时，在每秒内所传导的热量数值。表1—3是几种常用材料的导热系数
表1—3?? 几种常用材料的导热系数 ???????W/m?K
材料名称
导热系数
材料名称
导热系数
纯铜
黄铜
碳钢、铸铁
合金钢
水
轻质油
空气
耐火砖
红砖
398
81～117
46～58
17～35
0.58
0.14
0.02
0.93～1.40
0.58～0.81
混泥土
石灰泥
石棉
玻璃纤维
矿渣棉
硅石砖
硅藻土砖
锅炉水垢
烟灰
0.81～1.28
0.7～1.16
0.09～0.12
0.03～0.05
0.05～0.06
0.09～0.12
～0.17
0.58～2.33
0.06～0.162
从表1—3中可以看出，物质的导热系数越小，其导热性能就越差。如水垢的导热系数比钢小25～80倍，烟灰的导热系数比钢小500～800倍，因此锅炉受热面的内外壁上若结有水垢或积有烟灰，它的传热效果便会降低，也就意味着降低锅炉的出力和增加燃料的消耗。此外，如锅炉受热面内壁结有水垢，锅炉受热面所吸收的热量就不能很快地传给炉水这样极易造成受热面金属过热变形，鼓包，甚至被烧坏。所以锅炉在运行中除应加强水质管理保外，还要定其检查锅炉受热面，并清除其水垢和烟灰，以便证锅炉的安全经济运行
（二）对流
热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。热对流仅能发生在流体中，而且由于流体中的分子同时在进行着不规则的热运动，因而热对流必须伴随有热传导现象。工程上特别感兴趣的是流体流过一个物体表面时流体与物体表面间的热量传递过程，并称之为对流传热。就引起流动的原因而论，对流传热可分为自然对流与强制对流两大类。自然对流是由于流体冷、热各部分的密度不同而引起的，如用暖气片采暖就是一个例子。由于暖气片附近空气被加热体积膨胀，相应地其密度减小，便逐渐向上部流动，而其余位置空气温度低密度大，就下降填补它的空间，下降的空气再被加热后又上升，这样循环的自然的流动，便把暖气片的热量传给周围的空气。如果流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用所造成的，则称为强制对流。油田注汽锅炉炉管内水的流动就是由水泵驱动，应属于强制对流。另外，在工程上还常遇到液体在热表面上沸腾及蒸汽在冷表面上凝结的对流传热问题，分别简称为沸腾传热及凝结传热，它们是伴随有相变的对流传热。
对流传热的计算公式可表示为：
式中： —对流传热的热量，W；
—对流传热系数，W/m2??K；
—流体与壁面温度差，K；
—放热壁面面积，m2；
对流传热系数 的大小与对流传热过程中的许多因素有关。它不仅取决于流体的物性以及换热表面的形状、大小与布置，而且还与流速有密切的关系。
表1—4 给出了几种对流传热过程传热系数数值的大致范围。
表1—4?? 对流传热系数的大致数值范围
过程
h〔W/(m2??K) 〕
自然对流:
空气
水
1---10
200---1000
强制对流:
气体
高压水蒸汽
水
20---100
500---35000
1000---1500
水的相变换热:
沸腾
蒸汽凝结
2500---35000
5000---25000
由表1—4可见,就介质而言,水的对流传热比空气强烈，就对流传热方式而言,有相变的优于无相变的,强制对流高于自然对流.例如,空气自然对流传热的h为1---10的量级,而水的强制对流的h的量级则是“成千上万”。
（三）辐射
物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。物体会因各种原因发出辐射能，其中因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。自然界中各个物体都不停地向空间发出热辐射，同时又不断吸收其他物体发出的热辐射。辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递——辐射传热，也常称为辐射换热。当物体与周围环境处于热平衡时，辐射传热量等于零，但这是动态平衡，辐射与吸收过程仍在不停地进行。
导热、对流这两种热量传递方式只在有物质存在的条件下才能实现，而热辐射可以在真空中传递，而且实际上在真空中辐射能的传递最有效。这是热辐射区别于导热、对流传热的基本特点。当两个物体被真空隔开时，例如地球与太阳之间，导热与对流都不会发生，只能进行辐射传热。辐射传热区别于导热、对流传热的另一个特点是，它不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形式的转换，即发射时从热能转换为辐射能，而被吸收时又从辐射能转换为热能。
实验表明，物体的辐射能力与温度有关，同一温度下不同物体的辐射与吸收本领也不一样。在研究热辐射规律的过程中，引入一种称做黑体的理想物体的概念。所谓黑体，是指能吸收投入到其表面上的所有热辐射能量的物体。黑体的吸收本领和辐射本领在同温度的物体中是最在的。
黑体在单位时间内发出的热辐射热量计算公式为：
式中： ——物体向外辐射的热流量，W；
——黑体辐射常数，它是个自然常数，其值为5.67×10-8 W/(m2?K4)
——黑体的热力学温度，
——辐射表面积，m2。
一切实际物体的辐射能力都小于同温度下的黑体。实际物体辐射热热流量的计算可以采用上面公式的经验修正形式：
式中：ε称为物体的黑度（又称发射率），其值总小于1，它与物体的表面光洁度和表面颜色有关。
须注意上式中的 是物体自身向外辐射的热流量，而不是辐射传热量。要计算辐射传热量还必须考虑投射到物体上的辐射量的吸收过程，即要算收、支总帐。
以上分别讨论了三种传递热量的基本方式：导热、对流和热辐射。在实际问题中，这些方式往往不是单独出现的。这不仅表现在互相串联的几个传热环节中，而且同一环节的传热也常是如此。例如，对于室内取暖的暖气片、油田注汽锅炉中的对流段及家用冰箱的外置式冷凝器来说，热量传递过程中各个环节的换热方式如下：
暧气片?? 热水对流传热→管子内壁导热→管子外壁 对流传热及辐射传热→室内环境
对流段?? 烟气辐射传热及对流传热→管子外壁导热→管子内壁对流传热→水
冷凝器?? 蒸汽凝结传热→管子内壁导热→管子外壁 对流传热及辐射传热→室内环境
第三节???????????????? 流体力学基本知识
流体分液体和气体两种。液体分子间距较小，一般视为不可压缩流体。气体分子间距较大，受压力或温度变化将出现明显体积变化，因此称为可压缩流体。所有流体都视为由质点组成的连续介质，质点之间无间隙。相对质点尺寸来说，分子间距可视作无穷小。
一、???? 流体的粘滞性与粘度
流体具有易流动性，静止时不能承受剪切力以抵抗剪切变形，但在运动状态下，流体就具有抵抗剪切变形的能力，这就是粘滞性，简称粘性。在剪切变形的过程中，流体层之间发生相对运动，由于流体具有粘滞性，流体层之间会出现成对的切力（也称内摩擦力），其作用是阻碍相对运动，从而影响流体的运动状况和变形的速度。流体的粘滞性导致流体在运动过程中为克服内摩擦力而做功，是流体运动中机械能量损失的根源。
流体的内摩擦力与运动梯度的关系被称为牛顿内摩擦定律。表述如下：流体沿某一固体表面作平行直线运动，流层间内摩擦力T的大小与流体性质有关，并与流速梯度 和接触面积A成正比，而与接触面上的压力无关。用公式可写为
式中， 为比例系数，表征流体的粘滞性，称为动力粘滞系数或动力粘度，可简称粘度，其单位为Pa?ｓ； 为流层间的接触面积； 为流体运动横向速度梯度。
流体的粘滞性还可以用运动粘滞系数v表示，运动粘滞系数也可简称为运动粘度，它与动力粘性系数的关系为
运动粘滞系数v的单位为m2/s。
流体种类不同，其粘性也各不相同，且随其温度和压力而变化。对于常见的液体如水，气体如空气等，由于粘性随压力的变化不大，一般可以忽略其变化。因此温度是影响流体粘性的主要因素。需要注意的是温度对气体和液体的粘性影响规律不同，从分子微观运动的角度可以解释其原因。粘性是流体分子间的吸引力和分子不规则热运动而产生动量交换的结果，温度升高，分子间的引力降低，分子间热运动增强，流体动量增大；而温度降低，分子间的引力增大，分子间热运动减弱，流体动量减小。对于气体来说，分子间距较大，吸引力对粘性影响很小，而热运动产生的动量交换率随温度升高而加剧，因此气体的粘性随温度升高而加大。对于液体来说，由于其分子间距较小，吸引力起主要作用，因此液体的粘性随温度升高而降低。流体的粘滞系数可查阅有关手册。
二、???? 流体的连续性方程和能量方程
（一）连续性方程：
质量守恒定律应用于流体就是流体的连续性方程。其表达式为：
式中ρ、A、v分别为流体的密度、有效断面、及有效断面上的平均速度。连续性方程表明通过流体各有效断面的质量流量相等。当流体为视作不可压缩的液体时，ρ为常数，那么其表达式为：
也就是说液体通过各有效断面的体积流量相等。这说明在同一恒定流股中，当沿流程过流断面发生变化时，流速也必定随之变化，并且符合断面平均流速与过流断面面积成反比的关系。断面大的地方流速小，断面小的地方流速大。
（二）能量方程
能量守恒定律应用于流体中就是流体的能量方程，也叫伯努利方程。对于理想流体（假想没有粘滞性的流体），其表达式为：
上式中 是单位重量流体所具有的位置能， 是单位重量流体所具有的压强势能。位置势能是从位置高程的基准面算起的，压强势能是以当地大气压力等于零为基准，用相对压强计算的。 是单位重量流体所具有的总势能。第三项 是由于流体的运动造成的，为单位重量流体所具有的动能（简称单位动能）。三项之和 为单位重量流体所具有的总机械能。
由此可见，伯努利方程表达了：在理想不可压缩流体的恒定流动中，通过各质点或各过流断面的单位总机械能相等。但应注意，总机械能不变，并不是各部分能量都保持不变。三种形式的能量可以各有消长，相互转换，但总量不会增减。
对于实际流体，考虑流体粘性所造成的流动过程中机械能损耗，及流道断面引用平均速度所带来的误差，伯努利方程写成：
式中： 为动能修正系数， 为单位重量流体所损耗的机械能。对于系统中有流体机械的伯努利方程：
式中H为流体机械向单位重力流体所提供的机械能（如水泵），如果机械由流体吸收能量则H为负值（如水轮机）。
能量方程被广泛地用来解决工程实践上的许多问题。如各种管道的水力计算；离心泵的汽蚀及吸水高度的计算；许多流量计（文丘里管、孔板）以及喷射泵、抽气器等都是以能量方程式作为计算基础的。
三、???? 流动阻力与流动状态
（一）沿程阻力与局部阻力
实际流体都具有粘性。在流动过程中，流体内部质点间或流层间因相对运动，产生了流动阻力，流动阻力做功，将一部分机械能不可逆转地转化为热能而散失，形成了能量损失。为便于分析计算，按流动边界情况的不同，流动阻力和能量损失可分为沿程阻力和局部阻力。
在边界沿程不变（包括边壁形状、尺寸、流动方向均不变）的均匀流段上，流动阻力就只有沿程不变的摩擦阻力，称为沿程阻力。克服沿程阻力所产生的能量损失，称为沿程损失。沿程损失均匀分布在整个流段上，与流程的长度成比例。沿程损失用水头损失表示时，称为沿程水头损失，用hf表示；对于气体流动，沿程损失用压力损失表示时，称为沿程压力损失，用pf表示。
圆管沿程水头损失的公式为
对于气体管道，若用压力损失表示沿程损失，则上式可改写为
式中， 为管长；d为管径； 为断面平均流速； 为重力加速度； 为流体密度； ?为沿程损失（阻力）系数。
在边壁形状沿程急剧变化，流速分布急剧调整的局部区段上，集中产生的流动阻力称为局部阻力。克服局部阻力引起的能量损失称为局部损失。同样局部损失用水头损失表示时，称为局部水头损失，用hj表示；对于气体流动，局部损失用压强损失表示时，称为局部压强损失，用pj 表示。例如，发生在管道入口、变径管、弯管、三通、阀门等各种管件处的能量损失，都是局部损失。局部水头损失计算公式为
写成压强损失的形式为
式中， 为局部损失（阻力）系数，一般由实验确定。常用流道的局部阻力系数可由表查得； 为断面平均流速； 为流体密度； 为重力加速度。
整个管道的水头损失 等于各管段的沿程水头损失和所有局部水头损失的总和，即
气体管道流动的能量损失用压强损失计算，即
压强损失与水头损失的关系为
（二）层流与紊流
研究发现圆管流动中的水头损失与流速大小有一定关系。当流速很小时，水头损失与流速的一次方成正比；当流速较大时，水头损失几乎与流速的平方成正比。1883年英国物理学家雷诺通过实验研究发现，水头损失规律之所以不同，是因为粘性流体存在着两种不同的流态——层流和紊流。工程流体力学中将流体运动过程中，质点之间互不混杂，互不干扰的流动状态称为层流；将流体运动过程中，质点之间彼此混杂，互相干扰的流动状态称为紊流。
圆管流动的流速v、管径d、流体的动力粘度μ和密度ρ四个参数组成的一个无量纲数为雷诺数，用Re表示
与临界流速相对应的雷诺数为临界雷诺数，用Rec表示。实验表明：尽管当管径或流动介质不同时，临界流速不一样，但对于任何管径及流体，判别流态的临界雷诺数都时相同的，其值约为2000。临界雷诺数为流态的判别标准。当Re﹤Rec，流动为层流；当Re﹥Rec，流动为紊流。
雷诺数反映了惯性力与粘滞力作用的对比关系。当Re﹤Rec时，粘性对流体起主导作用，因受微小扰动所产生的紊动，在粘性的阻滞作用下会逐渐衰减下来，流动仍保持为层流。随着Re增加，粘性作用减弱，惯性对紊动的激励作用增强，到Re﹥Rec时，惯性对流动起主导作用，流动转变为紊流。
当流动为层流时，沿程阻力系数
当流动为紊流时，分为紊流光滑区、紊流过渡区和紊流粗糙区。在紊流光滑区沿程阻力系数 只与Re有关；在紊流过渡区沿程阻力系数 不仅与Re有关，而且还与管壁粗糙度有关；在紊流粗糙区沿程阻力系数 只与管壁粗糙度有关，而与Re无关。具体可参阅相关书籍选择适当的经验公式或图表来确定。
四、???? 管道特性曲线
由伯努利方程导出的外加压头计算式为：
Q越大，则 越大，则流动系统所需要的外加压头越大 。将通过某一特定管路的流量与其所需外加压头之间的关系，称为管路的特性。
考虑上式中的压头损失：
忽略上、下游截面的动压头差，则 。
当管路和流体一定时， 是流量的函数。令 ，则上式变为：
称为管路的特性方程，表达了管路所需要的外加压头与管路流量之间的关系。在H~Q坐标中对应的曲线称为管路特性曲线，如图1—6所示。
图1—6?? 管路特性曲线
说明① 为管路特性曲线在H轴上的截距，表示管路系统所需要的最小外加压头。
②当流动处于紊流粗糙区， 为常数，管路特性方程可以表示为：
；?? 其中
③当管道系统上的阀门开度改变了，管道系统的特性系数B值改变，管道特性曲线的形状随之改变。如关小阀门，B值增大，此时的管道特性曲线如图中曲线2所示。因此，高阻管路，其特性曲线较陡，如图曲线2；低阻管路，其特性曲线较平缓，如图曲线1。
第四节????? 燃料与燃烧
一、燃料
所谓燃料是指在燃烧过程中能够放出热量的物质。燃料必须具备两个条件：一是可燃；二是燃烧时可放出热量且在经济上是合算的。
锅炉是耗用大量燃料的动力设备。锅炉工作的安全性、经济性与燃料的性质有密切地关系，了解燃料的成份与性质对锅炉设计者以及使用者来说都是十分必要的。
㈠ 燃料的分类及组成
锅炉使用的燃料按物态分有固体燃料、液体燃料和气体燃料三类。按获得方法可分为天然燃料和人工燃料。各种常见燃料见表1—5。
表1—5??? 各种常用燃料
按获得方法分
按物态分
天然燃料
人工燃料
固体燃料
木柴、煤、页岩等
木炭、焦炭、煤粉等
液体燃料
原油
汽油、煤油、柴油、重油等
气体燃料
天然气、 沼气等
高炉煤气、乙炔、液化石油气
固体燃料和液体燃料由碳（C）、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)、灰份(A)和水份(W)组成。气体燃料中天然气主要是碳氢化合物，而高炉煤气则是几种气体的混合物。
碳是燃料中主要可燃成份，一公斤碳完全燃烧时能放出33 913千焦耳的热量。燃料中的碳不是以单质形态存在，而是与氢、氧、氮、硫等组成复杂的高分子有机化合物。碳元素的着火温度较高，含碳愈高的燃料愈难着火。煤中的含碳量一般在40％～95％，油中含碳量约83％～86％。
氢是燃料中另一种主要可燃成份，虽其含量较碳少，但发热值高。煤中含氢量约2％～8％，油中含氢量约12％～13％。一公斤氢完全可以放出119 742千焦的热量。含氢量高的燃料较易着火。
硫虽然在燃烧中也可以放出一部分热量，但属燃料中的有害成份。其燃烧产物为二氧化硫（SO2）和三氧化硫（SO3）与烟气中的水蒸气相遇而成亚硫酸和硫酸蒸汽，若在露点以下就会冷凝而造成腐蚀。
氧和氮都是非可燃成份。氮的含量在固体和液体燃料中占0.5％～2.0％，而氧的含量虽燃料生成地质年代变化很大，高的可达30％～40％，低的仅2％～3％。
灰是燃料中的固态矿物杂质。它的存在是燃料燃烧困难，热损失增加。液体和气体燃料的含灰量很少，而固体燃料的含量变化范围很大，以煤而言，多在10％～40％间。通常把含灰量超过40％的煤称为劣质煤。
水份也是燃料中的杂质。因其在燃烧过程中要吸收热量而汽化，降低炉膛温度，使燃料着火困难，并增加排烟带走的热损失。但另一方面，保持固体燃料中适当水份能减少飞灰，改善通风。液体燃料中掺水乳化则是属于改进燃烧技术的措施。
固体和液体燃料的组成，通常以重量百分比表示，而气体燃料则以容积百分比表示。就某一矿井而言，燃料中的碳、氢、硫、氧、氮的绝对含量几乎是不变的，而水份和灰份则随开采、运输、加工和贮存条件而变化。为了更确切的评价和比较不同燃料的特性，状态下各种成份的含量，采用四种不同的计算基准，即应用基、分析基、干燥基和可燃基。以煤为例，应用基即是炉前分析所得的结果，包括上述七种成份，用角码“Y”表示。在锅炉的热力计算和热平衡中，都以应用基表示。应用基水份即全水份，包括煤炭内部的固有水份（内水份Wn）和煤表面留存的水份（外水份Ww）。当应用基的煤经风干后，剩下的水份即为分析基水份，此时所得组成成份的百分数，称为分析基成份，用角码“f”表示。水份全部烘干后所分析得到的组成百分比，称为干燥基成份，用角码“g”表示。扣除水份和灰份的可燃基成份更能确切表示同一煤炭的稳定组成特性，可燃基用角码“r”表示。以上四种分析计算基准可从下表种看出它们的含义和相互关系。
表1—6
v
㈡? 燃料的发热量
一公斤或一标米3燃料完全燃烧时所放出的热量称为燃料的发热量。固体和液体燃料的发热量单位为千焦耳/公斤（KJ/kg），气体燃料的发热量单位为千焦耳/标米3（KJ/m3）。燃料的发热量有高位发热量与低位发热量之分。
1．高位发热量：燃料完全燃烧时，燃料产物中的水蒸汽（包括燃料中所含水份生成的水蒸汽和燃料中所含的氢燃烧时生成的水蒸汽）全部凝结成水时的发热量成为高位发热量。用符号QGW表示。
2．低位发热量：燃料完全燃烧时，其燃烧产物中的水蒸汽仍以汽态存在时的发热量称为低位发热量。用符号QDW表示。
所以，燃料的高位发热量与低位发热量之差即为燃料完全燃烧后，燃烧产物中的水蒸汽凝结成水时所放出的凝结热量。因此燃料的低位发热量即为
QDW=QGW－r·ωH2O
式中：QDW—燃料的低位发热量，KJ/kg；
QGW—燃料的高位发热量，KJ/kg；
r—水蒸汽的凝结热，KJ/kg；
ωH2O— 燃烧产物中水蒸汽的相对量。
由于燃烧时温度很高，水分都以汽态形式存在，水蒸汽的汽化热无法被利用。例如：渣油在锅炉中燃烧后排烟一般还具有相当高的温度，烟气中的水蒸气不可能凝结成水，这样就带走了一部分汽化潜热。因此实际都应用燃料的低位发热量来计算。
由于不同的燃料具有不同的发热量，并且往往相差很大。这样生产同样的蒸汽，燃料的消耗就不一样。燃用热量低的燃料，其燃料的消耗量就大，燃用发热量高的燃料其燃料的消耗量就必然小。因此只是一般的来说燃料消耗量的大小，就不能正确的表明设备运行的经济性。为了便于相互比较和有一个统一的衡量标准，引用了“标准煤”概念。规定标准煤的低位发热量为29 306.6 KJ/kg。这样不同情况下燃料的消耗量即可通过下式换算成标准煤的消耗量，即：
kg/h
式中：Bb—标准煤的消耗量，kg/h；
QDW—实际燃料的低位发热量，KJ/kg；
B—实际燃料的消耗量，kg/h。
㈢? 燃料油
1. 燃料油的物理特性
⑴ 粘度：是表示油对它本身的流动所产生阻力的大小，是表示流动性的指标。它对油的输送和燃烧（雾化条件）有着直接的影响。粘度的国际单位为m2/S，一般常用mm2/S作为粘度的单位。此外还常见到恩氏粘度和赛氏粘度两种粘度的单位。
恩氏粘度（恩格勒粘度）：是用恩氏粘度计测定粘度。就是用200毫升试样，在规定的温度（20℃、50℃以及100℃）下，通过恩氏粘度计，所需用的时间（秒）和200毫升蒸馏水，在20℃时，通过恩氏粘度计，所需用的时间（秒）的比值（200毫升蒸馏水，在20℃时通过恩氏粘度计的时间为51±一秒，此时叫水值）。恩氏粘度用0E来表示。
赛氏粘度（赛波特粘度）：60毫升的试样，在规定的温度（1000F、1300F或2100F）下，通过赛氏粘度计，所需用的时间（秒）叫赛氏粘度。赛氏粘度的单位是秒。
赛氏粘度有两种：赛氏一号与赛氏重油。
赛氏一号（赛氏国际或赛氏通用）粘度，用符号S或SU,或SSU、SUS表示。
赛氏重油（赛一弗氏或赛氏弗罗）粘度，用符号SF或SSF、SFS表示。用于高粘度油料。
国际制单位mm2/S与恩氏粘度、赛氏通用粘度之间的近似换算关系为：
1mm2/S×0.132＝恩氏粘度
1mm2/S×4.62＝赛氏通用粘度
燃油粘度与温度有很大关系，温度越高，粘度越小，二者成线性关系。
在常温下，燃料重油的粘度很大，在燃烧前必须预热，其加热温度应根据油的品种及其对粘度的具体要求等不同而定。在进行油的输送时，为了使油在管道中具有良好的流动性，以缩短卸油时间，降低油泵的动力消耗，要求油的粘度不要太大。为了提高油的燃烧效率确保油在喷嘴内得到良好的雾化，也要求维持必须的粘度值。
⑵ 凝固点：物质由液态转变为故态的现象叫凝固，开始发生凝固时的温度叫凝固点。当油温降低到某一数值时，重油变得相当粘，以致使盛油试管倾斜45○时，油表面在一分钟之内，尚不表现出移动倾向，此时的油温称为凝固点。通常重油凝固点在5℃～25℃。渣油和含蜡较高的重油可达30℃。如重油温度接近凝固点，粘度就会提高，流动性变坏，以致使抽注装卸、管路输送、喷嘴雾化等都受到阻碍。某些重油还会析出粒状固体物，可能造成管路或设备的沉积和堵塞，因此重油系统在运行时必须维持足够高的温度，防止因断油而影响锅炉正常运转。
⑶ 闪点：对燃油加热到某一温度时，表面有油气产生，油蒸汽和空气混合到某一比例，当明火接近时即产生兰白色的闪光瞬间即逝，此时的`温度称为闪点。闪点可在开口或闭口仪器中测定。
从原油中分馏提取产品越多，则剩余重油的闪点也越高，有时超过300℃，甚至达350℃。闪点高的重油使用中可采取较高的预热温度，使粘度降低而得到良好的流动性。闪点低的油，预热到闪点温度时有着火和爆炸的危险。为安全起见，锅炉在生产过程中，通常在无压开口容器（如开式油槽、储油罐等）中加热重油，一般低于闪点10℃以上。在无空气的压力容器中，如重油加热器和输油管路等，则可加热到满足于粘度要求的温度。
⑷ 燃点：当温度升高到某一温度时，燃油表面上油气分子趋于饱和，当与空气混合，且有火焰接近时即可着火，并能保持连续燃烧，此时的温度称为燃点或着火点。油的燃点一般比它的闪点高20℃～30℃，其具体数值视燃油品种的性质而不同。
闪点和燃点越高，着火危险性越小，在锅炉运行过程中，闪点和燃点间距越大，越容易出现火距跳跃波动，甚至火炬暂时中断，在运行中应引起注意。
2. 燃料油的分类：锅炉燃料油有重油和柴油等。
⑴ 重油：燃油锅炉首先应燃用重油。重油可分为燃料重油和渣油。
燃料重油：它是由裂化重油、减压重油、常压重油和蜡油等不同比例调和制成的。不同的炼油厂选用的原料和比例常不相同，但根据国家标准，应有一定的质量要求，按80℃时粘度分为20、60、100和200等四个牌号。牌号的数目约等于该油在50℃时的恩氏粘度E50。
各种燃料重油的运用范围为：20号重油用在较小喷嘴（30Kg/h以下）的燃油炉上；60号重油用在中等喷嘴的船用蒸汽锅炉或工业炉上；100号重油用在大型喷嘴的陆用炉或具有余热设备的炉上；200号重油用在与炼油厂有直接管路送油的具有大型喷嘴的炉上。
渣油： 原油在炼制过程中排除下来的残余物，不经处理直接给锅炉作燃料，一般习惯上都称为渣油。因此，也没有质量标准。渣油可以是常压重油、减压重油和裂化重油等。
渣油、燃料重油的共同特点是：重度和粘度较大，重度大脱水困难，粘度大则流动性就差。为了保证顺利运输和良好雾化，必须将油加热到较高的温度。沸点和闪点较高，不易挥发，因此，相对轻质油和原油来说，火灾的危险要小一些。
⑵ 柴油：柴油主要用来作为锅炉点火和清洗渣油管线用。一般不作为锅炉的主要燃料。
㈣ 气体燃料
气体燃料主要有天然气和人工煤气两类。锅炉燃用气体燃料的主要优点是：点火容易；易于和空气混合达到完全燃烧；调节方便，易于实现机械化和自动化，从而改善劳动和卫生条件；便于管道输送。但是这些气体燃料大都有毒性和爆炸性，故在使用时必须有严格的安全措施，遵守安全规程。
天然气主要成份是甲烷（CH4）还有其他碳氢化合物、硫化氢（H2S）以及少量的惰性气体（CO2N2），水蒸汽和矿物质。天然气的发热量很高。人工煤气的种类多，主要有液化石油气、炼焦炉煤气、高炉煤气等。液化石油气的主要成份是丙烷和丁烷，发热量很高。其它人工煤气的发热量一般很低，属于低发热量燃料。
二、燃料燃烧与计算
㈠ 油的燃烧
燃油经油嘴送入炉内，形成很细的油滴，油滴在高温炉膛内开始受热蒸发形成油气，油气包围在油滴的外围，当油气加热到着火温度后即开始着火和燃烧。燃烧后放出的热量又部分地传递给油滴，使它不断地蒸发成油气，并持续燃烧直到结束。
1.静止油滴的燃烧：图1—7是一粒静止油滴的燃烧示意图。油滴经过加热蒸发，油气向四周扩散与空气混合，着火以及燃烧后形成了如图所示的三层。中心是正在继续吸热蒸发的油滴，油滴外围是一层油气，油气的外油田注汽锅炉___热工基本知识缘是燃烧区，燃烧区外面是空气和燃烧产物（即烟气）。
图1—7? 油滴燃烧示意图
1—油滴 2—油气区 3—燃烧区 4氧气浓度线 5—温度线 6—油气浓度线 7—外层空气
从油滴中心到外层空气，各种参数的变化已在图中表示出来，但还需再作如下说明：
温度：显然，燃烧区是大量放热的区域，温度最高。燃烧区放出的热量向两个方向传递给油滴，一方面向外传递给周围介质，故从燃烧区向外温度渐降；另一方面向内经过油气层传递给油滴，保持油滴的蒸发温度，使油滴不断蒸发，故从燃烧区向内温度也渐降，到油滴处温度应为油的沸点。
氧气浓度：外层空气的氧气浓度当然最高；接近燃烧区时，由于烟气向外扩散，使氧气浓度逐渐降低；在燃烧层，全部氧气被消耗。
油气浓度：油气从油表面向外扩散，浓度逐渐降低，在燃烧区与氧气化合燃尽。
从上述讨论看出，要强化燃烧，关键在于油滴的大小和气体的扩散程度。油滴破碎得越小，总蒸发面积越大，蒸发就越快，与氧的接触也越好，燃烧速度就快。经研究得知，油滴燃烧完所需的时间和它的直径的平方成正比，即：
（s）
式中：t—燃尽时间，s
d0—油滴直径，mm；
K—燃烧速度常数，mm2/s。K取决于油的性质。
2.油雾的燃烧：炉膛中不是单粒的油滴燃烧，而是由许多细小油滴组成的油雾在燃烧。在油雾中着火的油滴可以互为热源，温度升高较快；但是相互妨碍氧气供应，或者说是互相夺氧。这时的燃烧时间仍与油滴直径的平方成正比，只是K的数值不同。由此可见，油雾迅速而完全的燃烧，必须从油的雾化和油雾与空气的强烈混合两个方面着手。
⑴ 油的雾化：油雾化的目的是增加单位重量的表面积，为迅速而完全燃烧创造条件。
油的雾化（破碎）过程是用外力克服油本身内力（粘性和表面张力）的过程。所以，要把油雾化成很细的油滴，就要加大外力，减小油的粘性力和表面张力。
油的雾化是由油喷嘴来实现的。油雾离开油喷嘴后，如果没有外力作用，由于惯性它应沿直线运动，油雾应当呈圆锥形。但是油雾离开喷嘴后，也要携带部分空气随它一起运动，在油雾的中心可能形成一定的负亚，油雾四周的压力将高于中心的压力，使油雾收缩。因此，油雾的边界不是直线。
油喷嘴雾化性能的好坏，可由雾化细度、均匀度、扩散角、射程和流量密度等方面来判断。
雾化细度是指雾化后油滴直径的大小；均匀度是看过大过小颗粒的多少。良好的雾化质量应是油滴小而均匀。这样油的蒸发表面积大，蒸发速度快，因而加快了燃烧速度。扩散角又叫雾化角。雾化角的大小对合理配风有着重要影响。射程是指油雾喷射的距离。炉膛断面小则射程应短些，炉膛断面大则射程可长些。流量密度是指单位时间内，通过垂直与油雾速度方向的单位面积上的燃油体积。
⑵ 油雾与空气的混合：油炉的炉膛内温度很高，而油的着火点又较低，因而油在炉膛中的燃烧属于扩散燃烧，燃烧速度决定于油雾与空气的混合速度。混合速度的快慢主要决定于空气与油滴的相对速度以及气流的紊乱程度。相对速度越高，紊乱越强烈，混合速度就越高，混合情况越好。所以必须采用合适的配风器，并保证空气送入的速度足够高。
然而，在炉膛内气流工矿不可能很均匀。缺氧的地方，油中的烃（碳氢化合物）难免裂解出炭黑造成燃烧不完全。为了尽可能避免裂解，要求空气尽早同油雾混合。
油在炉膛里的燃烧是否迅速而完全，关键在于雾化和配风。
㈡ 燃烧计算
燃料燃烧过程是指燃料中可燃成份与氧发生强烈放热化学反应的过程。当其燃烧反应产物中不再含有可燃物质时称为完全燃烧。当燃烧产物中仍有可燃物质时则称为不完全燃烧。
燃料燃烧计算主要是燃料燃烧所需的空气量，燃烧生成的烟气量和烟气焓等的计算。燃烧计算是设计锅炉时各种计算的基础。也是正确进行锅炉经济运行控制的基础。在这里我们主要讲空气量的计算。
１．???? 燃烧的化学反应：燃料的可燃成分主要是碳（C）、氢（H）、硫(S)。
⑴碳的燃烧:完全燃烧时，碳与氧的化学反应式为：
C+O2??? CO2
碳的分子量是12.01，氧的分子量为16×2＝32，二氧化碳的分子量是12.01+16×2＝44.01。又知在标准状态下，1千摩尔的理想气体其体积均为22.4标准立方米。因此可以写出上面反应式中各项之间的量的关系。
12.01千克C+32千克O2＝44.01千克（或22.4标米3）CO2
或? 1千克C+2.667千克O2＝3.667千克（或1.866标米3）CO2即要使一千克碳完全燃烧，需供以2.667千克氧，燃烧生成的二氧化碳重为3.667千克，体积为1.866标准立方米。
⑵ 氢的燃烧：氢的燃烧反应式为：
2H2+O2??? 2H2O
可得? 4.032千克H2+32千克O2?? ?36.032千克（或44.8标米3）H2O蒸汽
或 1千克H2+7.94千克O2???? 8.94千克（或11.11标米3）H2O蒸汽
⑶ 硫的燃烧：硫的燃烧反应式为：
S+O2??? SO2
可得? 32千克S+32千克O2??? 64千克（或22.4标米3）SO2
或??? 1千克S+1千克O2??? 2千克（或0.75标米3）SO2
２．???????? 燃料燃烧时的理论空气需要量：理论空气需要量是根据燃烧反应推导出一千克（或一标米3）燃料完全燃烧时需要的空气量。当理论空气量以容积表示时其符号为vo。
燃料燃烧需要的氧一般是由空气供给的，给燃烧的燃料供应空气就是给它供氧。
已知一千克应用基燃料中的可燃成分碳、氢、硫之重量为 千克、 千克、 千克，根据前面导出的燃烧反应关系即可写出下列数据：
一千克燃料中含碳量 ?千克完全燃烧需要氧2.667× ?kg；
一千克燃料中含氢量 千克完全燃烧需要氧7.94× ?kg；
一千克燃料中含硫量 千克完全燃烧需要氧1× kg。
则一千克燃料安全燃烧需要的氧气总量为：
由于一千克燃料本身还含有 千克的氧，所以一千克燃料完全燃烧时需从空气中取得的氧气为：
氧在空气中占的容积份额是21%,氧的重度是1.429千克/标米3，因此据上式可以写出一千克的燃料完全燃烧时理论空气量V0为：
3.实际空气需要量及过剩空气系数：燃料在炉内燃烧时，很难于空气达到完全理想的混合，如仅按理论空气需要量（简称理论空气量）给它供应空气，必然会有一部分燃料遇不到它所需要的氧而达不到完全燃烧。因此，给燃烧实际供应的空气量VK（简称实际空气量）应比理论空气量VO多一些。
实际空气量VK与理论空气量VO之比，称为过剩空气系数 ，即
显然，一千克燃料完全燃烧时的实际空气量VK 即为;
第五节??? 锅炉的基本特征和工作原理
一、锅炉的基本特征
锅炉是由锅和炉两个主要部分组成的。“锅”是指水汽系统，“炉”是指燃烧系统，锅与炉结合起来就成为锅炉。锅炉的作用是将燃料在炉中燃烧放出的热量传递给锅炉的水，使水变成具有一定压力和温度的热力蒸汽。
表征锅炉基本特征的参数是指锅炉产生蒸汽的数量、质量和经济性，具体分述如下
㈠ 锅炉的蒸发量
锅炉在每小时内所产生蒸汽的数量，称为锅炉的蒸发量，也称锅炉的出力或锅炉的容量。蒸发量还有正常蒸发量与最大蒸发量之分。正常蒸发量是指锅炉在连续运行中，热效率最高时，每小时所产生的蒸发量，所以又叫经济出力。最大蒸发量是指锅炉在连续运行时，每小时所能产生的最大蒸发量，也叫最大出力。但是为了简明精确地表示锅炉产生蒸汽的数量，统一规定用额定蒸发量来反映锅炉产生蒸汽的数量。所谓额定蒸发量，是指锅炉保持在规定的蒸发质量（压力、温度、干度）和一定的热效率下，长期连续运行时每小时产生的最大蒸汽量。通过所说的锅炉蒸发量就是指额定蒸发量。锅炉出厂时铭牌所标出的蒸发量，也就是该锅炉的额定蒸发量。
我国现代锅炉的蒸发量其单位采用吨/时来表示，而英美国家则采用百万英热单位/小时，即用每小时所产生的热量来表示蒸发量。英热单位的符号用BTU表示，英热单位与热量的国际单位焦耳换算关系为1英热单位＝1055.06焦耳。
㈡ 锅炉的蒸汽参数
锅炉的蒸汽参数表明锅炉产生蒸汽的质量。对于生产过热蒸汽的锅炉来讲，蒸汽参数用压力和温度来表示，对于生产湿饱和蒸汽的锅炉，蒸汽参数用压力和干度来表示。
㈢ 锅炉的热效率
锅炉的热效率是指锅炉输出热量与输入热量的比值。用符号η表示，即：
锅炉的热效率是表明锅炉运行的经济程度。
二、 锅炉的工作原理
锅炉按照水循环特性分有自然循环汽包锅炉、强制循环锅炉、复合循环锅炉。
㈠ 自然循环汽包锅炉的工作原理
图1—8所示为自然循环汽包锅炉蒸发部分的基本回路图。
图1—8? 自然循环汽包锅炉蒸发部分的基本回路图
1—蒸汽出口 2—给水管 3—汽包 4—下降管 5—下联箱 6—上升管
H—上升管总高度?? Hgs—含汽段总高度?? HJy——加热段高度
rs—水重度≈??? ?rgs—含汽段汽水混合物平均重度
图1—8所示的是由汽包、下降管、下联箱和上升管组成的闭合循环回路。在此回路中，水在上升管中由于受炉内辐射热而产生部分蒸汽，所以在上升管中为汽水混合物，从上升管进入汽包的循环水呈饱和状态，但由于与给水混合，因此进入下降管的是带有一定热量的水，并且下降管一般不受热而散热，所以在下降管中是不饱和的水。
根据水蒸汽的性质，水的重度（ ）大于汽水混合物的平均重度（ ），因而下降管中水柱重量（ ）就大于上升管中的汽水混合物柱的重量（ ）,其中 表示上升管加热段以上含汽段（自沸点至汽泡水位）的高度。水柱和汽水混合物的重度差推动工质运动。水沿着下降管向下运动，而汽水混合物则沿着上升管向上运动。这种利用工质本身的重度差所产生的循环称为自然循环。
由上可见，自然循环的推动力是借助汽和水的重度差。若用 来表示推动力，则
当建立稳定的循环流动时，
∑?P为循环回路中的流动阻力。
如果用?? 表示上升管加热段以上区汽水混合物的平均真实体积含汽率，用 和 表示水和汽的重度，那么，汽水混合物的平均重度 代入公式
可得
从以上公式可知，高度H越大，重度差 越大，则运动力越大，循环的推动力也就越大。也就是说水循环越可靠。H由锅炉设计中的结构特性所决定，而 则与锅炉工作的压力有关。根据水蒸汽性质，见图1—9压力愈高，汽水重度差愈小，所以在其他条件相同的情况下，随着锅炉压力的提高，自然循环愈加困难和不可靠，当压力高于18兆帕时，汽和水的重度已相等，即重度差等于零。所以在临界压力之上时，自然循环也就无法建立。因此在重度差很小或者等于零的情况下，锅炉的工作只能依靠外来能源来建立循环流动。这就需要用强制流动和强制循环的锅炉。
图1—9??????? 汽水重度与压力间关系
图 1—10??? 直流锅炉工作原理示意图
1—加热区 2—蒸发区? 3—过热区
强制循环锅炉可分为多次强制循环锅炉和一次强制循环锅炉两种。多次强制循环锅炉的结构与自然循环锅炉基本相同，只不过在下降管的汇总管道上装有循环泵，可以提高循环动力，一次强制循环锅炉即为直流锅炉。
㈡ 直流锅炉的工作原理
直流锅炉蒸发受热面中工质的流动不是依靠自然循环那样的重度差来推动，而是全部依靠水泵的压头来实现的。给水在给水泵的压头的作用下，顺序一次通过加热、蒸发、过热各个受热面。随着水沿锅炉汽水通道长度流过，水被加热、蒸发、过热，最后达到所要求的蒸汽参数。由于这些运动都是由水泵压头作用下产生的，所以在锅炉的所有受热面中工质均为强制流动。
图1—10为直流锅炉工作原理示意图。由于直流锅炉是没有汽包，所以汽水通道中的加热区、蒸发区、过热区各部分之间无固定的分界线，只是根据管道长度上的水蒸汽参数变化情况，定有假想的“分界线”。例如，水在沸腾之前的受热面为加热区；水开始沸腾（χ＝0）至全部变为干饱和蒸汽（χ＝1）的区段为蒸发区；蒸汽开始过热至额定的过热温度则为过热区。可见，工质沿着管子长度流过时，随着加热的进行，它的状态不断发生变化。
㈢ 直流锅炉与自然循环汽包锅炉的比较
直流锅炉与自然循环汽包锅炉的工作原理不同，相应在结构和运行方式上就有一系列特点，与自然循环汽包锅炉相比有如下一些优缺点。
1. 直流锅炉的主要优点
⑴ 适用于任何压力
按照其工作原理，直流锅炉原则上可适用于任何压力，但在比较低压力下工作稳定性较差。一般来说，直流锅炉更适用于高压或超高压以上。当锅炉压力接近或超过临界值（PLj=22.114兆帕时），自然循环已非常困难或根本产生不了，唯有采用直流锅炉形式。
⑵ 重量轻
直流锅炉无沉重的汽包，受热面全部由管径不大的管子所构成，钢材消耗量少，相应重量就轻得多。
⑶ 制造、安装及运输方便
由于直流锅炉全部是强制流动，因而蒸发受热面可以较自由布置，不必受自然循环所必须的下降管、上升管直立布置的限制。因而容易满足炉膛结构的要求。
⑷ 可快速启停
汽包锅炉启停缓慢的原因在于厚壁汽包的存在，因为快速的启停将引起汽包弯曲，变形和过高的温度应力。直流锅炉的受热面全由管子组成，因而受热面的加热和冷却都容易达到均匀。且弯曲管子的本身也能吸收受热后的膨胀伸长量，因此，直流锅炉可快速启停，也由于直流锅炉的金属重量（因之储热面）和储水量都较小，使之能快速启停。
2. 直流锅炉的主要缺点
⑴ 要求的给水品质高
由于没有汽包，因而无法像汽包锅炉那样进行排污及炉内处理，进入直流锅炉的给水在受热面中一次蒸发完毕，给水中的盐分没有别的去路，所有的盐分都将沉积在锅炉受热面上或随汽带给用户。因而直流锅炉对给水品质的要求较高。但若生产湿饱和蒸汽，由于出口蒸汽的炉水中能溶有很高的盐分，可相应降低对水质的要求。如油田注汽锅炉蒸汽出口干度为80％，就是为了尽量简化水处理而设计。
⑵ 水泵消耗功率大
在直流锅炉中，由于工质完全是依靠给水泵压头流经各受热面，并且具有较大的重量流速值，因而水阻力大，致使给水泵压头高、消耗功率大。
⑶ 自动调节及控制系统复杂
由于直流锅炉全由小管径管子组成，管壁又薄，所以工质和金属的蓄热能力较小，一般只有汽包锅炉的1/2～1/4。因而当外部负荷变动时，引起的压力反应也就敏感，压力变化速度往往要超过汽包锅炉的一倍以上。又由于直流锅炉的加热、蒸发、过热区段之间无固定分界线，无论给水和燃料扰动，都将导致各区段界线的移动和出口状态参数的变化。因此，为达到良好的静态和动态调节性，直流锅炉需采用较复杂的自动调节系统。
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