第五章贵铅炉余热锅炉.docx
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第五章贵铅炉余热锅炉
第五章贵铅炉余热锅炉
5.1热工常识
5.1.1常用热力学参数
1、温度
温度是表征物体的冷热程度的物理量。
通常分为摄氏温度、华氏温度和热力学温度(又称绝对温度)。
摄氏温度是把1个标准大气压下水结冰的温度(冰点)定为零度,沸腾温度(沸点)定为100度,两者之间平均分成100格,每格定为1度,即1℃。
我国一般采用摄氏温度。
华氏温度是把1个标准大气压下水的冰点定为32度,沸点为212度,分别用32℉和212℉表示,两者之间平均分成180格,每格为1度,即1℉。
摄氏温度和华氏温度的换算关系为:
在国际单位制中采用热力学温度,单位符号为K,单位名称为“开尔文”,简称“开”。
它与摄氏温度的分度相同,但起点不同。
它的起点是把分子停止运动时的温度定为零度。
这个温度相当于摄氏温度-273.15℃(一般取-273℃)。
由于这种热力学温度与测试物体的性质无关,便于统一,所以列入国际单位制中,广泛应用。
热力学温度和摄氏温度的换算关系为:
热力学温度=摄氏温度+273
2、压力与压强
垂直均匀作用在物体表面上的力叫压力。
用符号F表示,单位为N(牛顿),非法定单位常用kgf(公斤力)。
物体表面单位面积上受到的压力叫压强。
用符号p表示,单位为Pa(帕斯卡),非法定单位常用kgf/cm2(公斤力/厘米2)。
实用中采用106Pa即MPa。
1MPa=10.198kgf/cm2。
对锅炉通常所说的压力就是压强。
3、大气压、标准大气压与工程大气压
包围地球表面的大气层,因其自身重量而作用于地球和地面物体单位表面上的压力叫大气压。
在标准状况下,即纬度450、海拔为零米、常年平均气压定为标准大气压,也叫物理大气压。
一个标准大气压等于每平方厘米面积上受到1.033公斤力的作用,也等于760毫米水银柱高。
即:
1标准大气压=1物理大气压
=760mmHg
=1.033kgf/cm2
=0.1013MPa
工程中为了计算方便,取1kgf/cm2为1工程大气压。
4、表压力与绝对压力
用压力表直接测量锅炉压力,其读数值称为表压力,也叫相对压力。
压力表的零值是在一个大气压下标出的,因此压力表的读数是零时,实际表示锅炉内的压力为一个大气压,所以锅炉内的实际压力比表压力大一个大气压,这个实际压力称为绝对压力。
即:
绝对压力=表压力+1kgf/cm2
=表压力+0.098MPa
5、负压与真空度
绝对压力低于大气压的数值叫负压。
常用的单位是mmH2O(毫米水柱),1mmH2O=9.8Pa,即:
负压=大气压力-绝对压力
负压与大气压力之比的百分数叫真空度,即:
6、质量与重量
世界上各种物体是由物质组成的。
如锅筒是由钢板制成的,锅筒就是物体,而钢板就是物质。
物质是构成物体的实质,具有一定的质和量。
物质的质能反映物质的基本物理和化学属性,物质的量能反映物质数量的多少。
质量是物质的数量,是永恒不变的,单位是千克(kg)。
重量是地心对质量吸引力的大小,随物体所在的地理位置不同而变化,单位是牛顿(N)。
1牛顿是1千克物体每秒1米的加速度所具有的力,即1N=1kg.m/s2。
重量(G)与质量(m)关系式如下:
G=mg(6.1—1)
式中:
g—重力加速度,9.8m/s2
7、体积与容积
体积是固体占有空间的大小。
容积是液体或气体占据容器空间的大小。
体积和容积的单位是立方米(m3),有时也用升(L),换算式为:
1立方米(m3)=1×103升(L)
=1×106毫升(mL)(6.1—2)
8、密度与重度
密度是单位体积V的物质所具有的质量,单位是千克/米3(kg/m3)
ρ=m/V(6.1—3)
重度是单位体积V的物质所具有的重量或重力,单位是牛顿/米3(N/m3)
γ=G/V=mg/V(6.1—4)
密度和重度之间的关系为
γ=ρg(6.1—5)
9、比容和比热
比容是单位质量的物质所具有的容积,单位是米3/千克(m3/kg)
ν=V/m(6.1—6)
从定义上可知比容恰好与密度相反,因为ν=V/m,ρ=m/V,所以ν=1/ρ或者ρν=1。
密度ρ和比容ν互为倒数或者说两者乘积等于1。
比热是单位质量的物体,温度升高一度所需的热量,单位是千焦/千克·摄氏度(kJ/kg·℃)或千焦/米3·摄氏度(kJ/m3·℃)。
1千克物体,温度升高(或降低)1℃时所吸收(或放出)的热量,称质量比热。
用符号с表示,单位为千焦/千克·开(kJ/kg·K)。
1标准立方米的气体,温度升高(或降低)1℃时所吸收(或放出)的热量,称容积比热。
用符号с′表示,单位为千焦/标米3·开(kJ/Nm3·K)。
气体的比热还与过程的特性有关,它可以分为定容比热和定压比热。
定容过程是热力过程中保持气体容积不变。
例如定容加热过程中,气体吸收热量,温度升高,压力也随之增大。
定容比热用符号сν表示。
定压过程则是热力过程中,保持气体的压力不变。
定压比热用符号сp表示。
锅炉内烟气的加热或冷却过程,一般可近似地看作定压加热(或冷却)过程。
在锅炉热效率计算时,我们常遇到的是烟气的平均定压比热,由于定压比热сp随温度而变化,为使用方便,在不同温度(t)下的焓值,可直接从表6.1—1中查得。
10、流量与流速
流量是指工质流动过程中,单位时间内通过流通断面上流体的数量,表明设备流通容量的大小。
在工程中,有两种表示方法:
即重量流量和容积流量。
重量流量(G)是指单位时间内流过的重量,单位是kg/h,一般用于液体。
容积流量(V或Q)是指单位时间内流过流体的容积,单位是m3/h,一般用于气体。
(6.1—7)
流速(ω)是指工质流动过程中,通过流通断面上单位面积所流过的容积流量,单位是m/s,可由下式计算:
式中:
Q—容积流量,m3/h;
F—流通断面面积,m2。
流速是反映流体流动特性的基本物理量,也是锅炉工作过程中一个主要参数。
如受热面和管道中的水流速度、汽流速度、烟气速度等。
流速对锅炉工作的安全和经济性有密切关系。
11、热量和热功率
热量是热能的一种度量,用符号(Q)来表示。
物体含热量的多少,不但与温度有关,而且与其质量(重量)和性质(比热等)有关。
6.1—1空气、烟气组成气体及灰的比焓
θ(t)/℃
(cθ)k
(cθ)co2
(cθ)N2
(cθ)H2O
(cθ)fh/(kJ/kg)
kJ/Nm3
100
132
170
130
151
80
200
266
358
261
305
168
300
403
559
392
463
260
400
542
772
527
626
357
500
684
994
664
795
461
600
830
1225
804
969
554
700
978
1462
948
1149
665
800
1129
1705
1094
1334
770
900
1282
1952
1242
1526
812
1000
1435
2204
1392
1723
1005
1100
1595
2458
1544
1925
1128
1200
1753
2717
1697
2132
1261
1300
1914
2977
1853
2344
1426
1400
2076
3239
2009
2559
1583
1500
2239
3503
2166
2779
1777
1600
2403
3769
2325
3002
1957
1700
2567
4036
2484
3229
2206
1800
2732
4305
2641
3458
2412
1900
2899
4574
2804
3690
2625
2000
3066
4814
2965
3926
2847
2100
3234
5115
3128
4163
2200
3402
5387
3289
4402
热量单位有两种:
公制——采用千焦(kJ)或千卡。
1千卡或4.19千焦是指1公斤纯水温度升高1℃所需要的热量。
换算公式:
1千卡=4.19千焦
英制——英国等采用英制的地区多用英热单位(Btu)表示。
即一个(Btu)等表于1磅重的纯水升温10F所需的热量。
换算公式:
1Btu=1.06kJ
物质温度变化的热量计算公式如下:
Q=cm(t2-t1)(6.1—8)
式中:
Q—物体增加或减少的热量,kJ;
m—物体的质量,kg;
c—物质的比热,kJ/kg·K;
t2—物体的终温,℃;
t1—物体的始温,℃;
计算结果,如Q为正值,表示物体为加热而升温;如Q为负值,表示物体为放热而降温。
热功率是衡量热工设备在单位时间内所产生或传递热量的数值,单位是千瓦,这是由于单用热量不能说明热工设备产热或传热能力的大小,故引出热功率。
热量与热功率的关系相当于功与功率的关系。
功率与热功率之间的换算关系是:
1KW=4.19×860kJ/h=860kal/h
12、汽化热(汽化潜热)
按照水和水蒸汽的特性,水在一定压力下,不断加热,则温度不断上升,最后达到饱和温度(即沸点),称为饱和水。
如果继续加热,饱和温度并不上升,但水逐渐汽化为蒸汽。
每千克水维持在饱和温度条件下,由液态的水全部变为近似于气态水蒸汽的整个汽化过程中所需的热量叫做汽化热,单位是kJ/kg。
汽化随压力的变化而变化,见水汽性质表6.1—2。
饱和水在吸收汽化热后变成的水蒸汽,称为饱和蒸汽。
表6.1—2饱和水和水蒸汽的比容及含热量
绝对压力P
饱和温度
饱和水
比容
饱和蒸汽比容
饱和水含热量
汽化热
干饱和蒸汽含热量
MPa
℃
m3/kg
kJ/kg
0.10
99.64
0.0010432
1.694
417.4
2258
2675.4
0.20
120.23
0.0010605
0.8854
504.8
2202
2706.8
0.30
133.54
0.0010733
0.6057
561.4
2164
2725.4
0.40
143.62
0.0010836
0.4624
604.7
2133
2737.7
0.50
151.84
0.0010927
0.3747
640.1
2109
2749.1
0.60
158.84
0.0011007
0.3156
670.5
2086
2756.5
0.70
164.96
0.0011081
0.2728
697.2
2067
2764.2
0.80
170.42
0.0011149
0.2403
720.9
2048
2768.9
0.90
175.35
0.0011213
0.2149
742.8
2030
2773.8
1.00
179.88
0.0011273
0.1946
762.7
2015
2777.7
1.10
184.05
0.0011331
0.1775
781.1
2000
2781.1
1.20
187.95
0.0011385
0.1633
798.3
1987
2785.3
1.30
191.60
0.0011438
0.1512
814.5
1973
2787.5
1.40
195.04
0.0011490
0.1408
830.0
1960
2790.0
2.00
212.37
0.0011766
0.0996
908.5
1891
2799.5
2.50
223.93
0.0011972
0.0799
961.8
1840
2801.8
2.60
226.02
0.0012010
0.0770
971.0
1832
2803.0
13、过热与过热蒸汽
在一定的压力下,饱和蒸汽的温度是恒定的,要在这一压力下,提高蒸汽的温度,可以在锅炉上加装过热器,将饱和蒸汽再通过过热器,继续增加热量,使饱和蒸汽过热而成为过热蒸汽,这个过程叫过热。
一般将超过饱和温度的蒸汽称为过热蒸汽。
过热蒸汽具有较饱和蒸汽更多的热量,即有较大的能量,且过热蒸汽干燥而不含水分,使比容大大增加,故适用于作动力用,如推动汽轮机等。
而加热、采暖一般用饱和蒸汽。
因为根据汽化热的原理,饱和蒸汽遇冷则冷凝为水,同时,能放出大量汽化热,而且饱和蒸汽具有温度不变的优点。
过热蒸汽遇冷后仍为蒸汽,放出的过热热量较汽化热少得多。
汽压越低,则放热量差别越大。
因此,一般多用压力在0.3~0.4MPa以下的饱和蒸汽来加热采暖。
过热的程度一般以过热蒸汽的温度来表示。
过热蒸汽的温度是用温度计在过热器出口处测得的实际温度。
也有以过热度来表示的。
所谓过热度就是以过热蒸汽的实际温度和该压力下饱和蒸汽温度的差额来表示。
例如:
1.27兆帕表压力下,饱和蒸汽温度为194.2℃,如测得的过热蒸汽温度为294.2℃,则294.2℃-194.2℃=100℃,即过热度为100℃。
14、湿度或干度
饱和蒸汽中或多或少带有微量的水分,故饱和蒸汽实际上是蒸汽和水的混合物。
一般称为湿蒸汽。
过热蒸汽中则不含水分,通称干蒸汽,饱和蒸汽中含水分的重量百分数叫做湿度,用符号W表示。
在湿饱和蒸汽中不含水分的干饱和蒸汽百分比叫做干度,用符号X表示。
饱和蒸汽中湿度的高低标志“蒸汽品质”的好坏,在工业锅炉中蒸汽湿度应控制在1%~3%左右。
15、焓
焓或叫热焓,又叫含热量,用符号“H”,过去用“I”表示,单位kJ/kg。
焓是指在流体中的总含热量,实质上是流体内部分子内能和流动压力能的总和。
用公式表示:
H=U+Pv(6.1—9)
式中:
U—流体的内能,kJ/kg;
Pv—流体的流动压力能,kJ/kg。
如锅炉在某压力上,1千克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在该压力下汽化热之和。
饱和水、饱和蒸汽的焓和温度与压力有关。
压力越高,温度也随之越高,焓值也越大。
例如:
在1.27MPa的绝对大气压下,1kg干饱和蒸汽的焓等于该压力下饱和水的焓加上该压力下的汽化热,查表:
H干=(193.6+472)×4.19
=665.6×4.19
=2788.86kJ/kg
如果该饱和蒸汽中有3%水分,则其焓值应作如下调整:
H湿=(饱和水的焓)+(汽化热·X)
=193.6+[472×(100%-3%)]
=193.6+457.8kcal/kg
H湿=651.4×4.19=2729.37(kJ/kg)
其中:
X—为饱和蒸汽的干度。
如果将饱和蒸汽加热为过热蒸汽,则这种过热蒸汽的焓为:
H过热=(饱和水的焓)+(汽化热)+ΔH过热(kJ/kg)
式中:
ΔH过热—过热热焓(kJ/kg)。
一般可按压力和过热温度直接从特性表中查得。
16、熵
热力学中,常把热力过程中工质热量的变化,用绝对温度与工质状态参数变化的乘积来表示:
dq=Tds(kJ/kg)。
这样一个工质状态参数的物理量,叫做熵,用符号“S”表示,单位是kJ/kg·K。
其意义是每千克的工质在单位温度所含热量的数值,是由热量和温度导出的工质状态参数。
可用下式计算:
(kJ/kg·K)(6.1—10)
式中:
q—每千克工质所含的热量,kJ/kg;
T—工质的绝对温度,K。
在热力学中,还有一个熵增的概念,它用来表示工质状态变化过程中热量的变化。
由于T只有正值,故熵增的变化反映出热量的变化。
如果熵增加(即dS>0),就表示工质在状态变化过程中热量的增加(即dq>0)。
反之,如果熵减少(即dS<0),就表示工质在状态变化过程中热量的减少(dq<0)。
如果熵不变(即dS=0),是表示工质在热力过程中,热量无变化(dq=0)。
17、热效率
燃料在锅炉中燃烧发出热量,大部分为锅炉所吸收变为蒸汽,余下的热量未被利用而损失掉。
一般把有效被利用的热量与燃料中的总热量之比值叫做热效率,用符号“η”表示。
×100%(6.1—11)
η=
有效利用的热量
燃料的热量
单位通常用百分比表示。
锅炉的效率可以通过实验的方法测定出来,测定的方法有正平衡法和反平衡法两种。
1、锅炉效率的正平衡试验
锅炉效率的正平衡测定法是在单位时间内分别测出锅炉的有效利用热Q1、耗煤量B和煤的低位发热量Qd后,即可按下式求得锅炉的热效率。
(6.1-12)
式中:
η——锅炉的效率,以%计;
Q1——锅炉的有效利用热(Kcal/h);
B——耗煤量(kg/h);
Qd——煤的工作质低位发热量(Kcal/kg)。
2、锅炉效率的反平衡试验
在锅炉效率的正平衡试验中,锅炉的各项热损失只有一个总的数值,而无法确切知道每一项热损失的大小,因而也就不可能采取有效措施来降低各项热损失。
锅炉的反平衡试验是从测定各热损失着手,以此来计算锅炉的效率,即:
(6.1-13)
式中:
Q2——排烟热损失;
Q3——化学不完全燃烧热损失;
Q4——机械不完全燃烧热损失;
Q5——炉体散热损失;
Q6——灰渣热损失。
18、气体方程与热力学定律
1)理想气态方程
理想气体,在其它条件不变的情况下,其比容(ν)和绝对压力(p)的乘积与绝对温度(T)的比值是个常数,即:
(6.1—14)
上式称为理想气态方程。
理想气体是指:
分子体积为零,分子之间无作用力的一种假想的气体。
这种气体实质上是不存在的。
在锅炉技术的实际应用中,空气、烟气可按上述方程计算;蒸汽,特别是饱和蒸汽,由于其状态
(6.1—15)
距理想气体较远,不能按上述方程计算,而应从蒸汽特性表中查取。
R的数值取决于气体的相对分子质量M,其关系如下:
锅炉中常用气体的R值可查表6.1—3。
表6.1—3锅炉中常用气体的R值
气体
相对分子质量M
R值
O2
32
26.5
N2
28
30.3
H2O
18
47.1
空气
28.9
29.3
CO2
44
19.3
SO2
64
13.2
(6.1—16)
在锅炉热工计算时,当压力不太高,温度不太低时,烟气与空气的绝对压力在通道中的变化不大,可看成定压过程,得出下式:
已知某一状态的T1、ν1及另一个状态的T2,可求出ν2。
2)热力学第一定律
在自然界中,一切物质都具有能量。
能有各种不同的形式,它能够从一种形式转化为另一种形式,在转化中能的总量永远保持不变,这就是能量守恒及转换定律。
这个定律不是从任何原则推论出来的,它是人类在生产实践中的经验总结,并经过无数次实验而被证实。
这个定律说明能量不能无中生有,它适用于任何变化过程,例如机械、热电磁、原子及原子核内、化学、生物等变化过程。
因此,这是自然现象中一个最普通最基本的定律。
热力学第一定律可以表述为:
在工质受热作功的过程里,工质自外界得到的热量,应该等于它对外界作功所付出的能量与存在于工质内部的能量之和。
实际上它是能量守恒及转换定律在热力学系统中的应用。
3)热力学第二定律
热力学第一定律只告诉了我们热和功的转换关系,没有指明热量在什么情况下可以作功。
热力学第二定律则说明热能转换为机械能的条件,热的传递方向。
热力学第二定律有许多说法,归纳为以下两点:
(1)使热能全面而连续地转变成功是不可能的。
(2)热量不能自发地从低温物体转移到高温物体。
4)热力循环和循环效率
在研究热机工作时,有时会发现工质在经过一系列变化后又回到原来的状态。
如从自然环境中取得的水进入锅炉,受热蒸发成蒸汽,然后进入蒸汽机膨胀作功,以后被排入大气,又凝结成自然环境中的水,这种变化持续进行。
我们把终状态和初状态是同一状态的热力过程叫做热力循环或循环过程。
一个热力循环一般可以分成几个不同阶段的基本热力过程,如上例中可以分为锅炉内水被加热生成蒸汽的过程,蒸汽在蒸汽机中进行膨胀对外作功和放热过程。
如果工质在进行一个热力循环时,每千克工质吸收外界的热量为q1,放出的热量为q2,工质回到原来状态内能没有改变,根据热力学第一定律在热力循环中每千克工质对外界所做的净功为AL=q1-q2,于是循环效率为:
(6.1—17)
式中:
η—循环效率;
AL—每千克工质对外所做的净功。
根据热力学第二定律,循环热效率不能达到100%。
5.1.2水和水蒸汽的性质
1、物质的三态
从物理学中知道,物质有固态、液态和气态三种状态。
水的三态分别为冰、水、汽。
物质在不同的状态下,各有不同的物理特性。
物质的三种状态可以相互转化,称为物质的状态变化(相变)。
物质的存在和相变,取决于物质所在的外界条件,如压力、温度等。
当冰块受热后,它的温度逐渐升高,升到某一温度时,如果继续加热,则其温度不变,这时的冰由固态转化为液态。
这一相变过程的现象称为溶解;这一相态转化的温度,称为溶点;这一相态转化所吸收的热量,称为溶解热。
如继续不断加热,液态水的温度又继续升高,当升到某一温度时,继续加热,又会出现温度不变现象,这时的水由液态转化为气(汽)态。
这一相变现象,称为汽化;这一相态转化温度,称为沸点;这一相态转化所吸收的热量,称为汽化热,又叫汽水潜热。
反之在物质冷却情况下,气(汽)态转化为液态称为凝结;液态转化为固态称为凝固。
凝固和凝结是溶解与汽化的逆过程。
不同物质的溶点、沸点、溶解热和汽化热是各不相同的,这是物质的基本属性。
2、水的定压蒸发过程
蒸发是指物质由液态变成气态的过程。
蒸发有两种方法:
一种是液态物体在常温下缓慢地自然蒸发,也就是在液体自由表面进行汽化的现象。
它在任何温度下都能够进行,它的蒸发速度与温度、表面积和液体表面上蒸发分子密度有关。
另一种是加热沸腾蒸发,也就是在液体内部和表面同时进行汽化的现象,它只有温度达到沸点时才会发生。
它的沸点与物质所处的压力有关。
水的定压蒸发过程是指水在一定压力下蒸发成蒸汽的过程。
在锅炉设备中,水的受热沸腾与蒸发过程都是在定压下进行的。
它有预热、饱和和过热三个过程。
预热过程是指冷水加热,水的温度不断上升直至沸腾。
水沸腾以后变成蒸汽,在未全部变成蒸汽以前,保持一定温度不再升高,该温度称为饱和温度。
此时的水称为饱和水。
水在不同的压力下有不同的饱和温度,也就是沸点不同,压力越高其饱和温度(也就是沸点)越高。
饱和过程是指水沸腾后变成蒸汽继续加热,直至全部变成蒸汽。
在这一过程中,温度始终保持不变,由饱和水变成饱和蒸汽所需的热量,称为汽化热,或叫蒸发热,又称潜热。
在不同压力下,汽化热不同,所以不同压力蒸汽的含热量也不同,见表6.1—2。
从表6.1—2可以看出,如锅炉工作压力为0.1MPa时,即绝对压力为0.2Mpa时,此时查表得每千克蒸汽总含热量为:
504.8(饱和水含热量)+2202(汽化热)≈2707kJ/kg。
过热过程是指将饱和蒸汽继续进行加热的过程。
在这个过程中,蒸汽温度升高,压力不变。
由于上述的每个过程中的介质不同,所以性质也不同。
这里主要介绍水的性质和蒸汽的性质。
3、水与水蒸汽的热力特性
在热力学中,水与水蒸汽的热力特
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