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1、第一章锅炉的基本知识第一节锅炉的工作原理锅炉是能量转换设备，它是把燃料中的潜在能量，经过燃烧放出热量，经过传热作用传递给水，使水变成蒸汽（热水锅炉是将水加热变成一定温度的热水输出）的一种设备。锅炉的最基本的部件是“锅”与“炉”两大部分，锅是锅炉设备中的汽水系统，是水变成气（或热水） 的吸热部分，炉是锅炉设备中的燃烧系统，是油与空气发生化学反应产生高温火焰和烟气的放热部分。“锅”与“炉” ，一个吸热（油，气经燃烧放出热能，尽可能最大限度的被吸收） ，一个放热（使油，气最大限度的燃尽，把热能最大的释放出来），它们组成了一套完整的设备。锅炉的工作包括以下三个过程：不断剧烈氧化燃烧的过程；火焰和高温烟
2、气不断把热量传递给锅内水的传热过程；水在锅内不断流动循环，吸热生温的汽化，（热水锅炉达不到沸腾温度） 的水循环过程及汽化过程。这三个过程在锅炉内不断连续进行，是通过包括锅炉附属设备及仪表附件等二个工作系统来实现的。这两个系统是汽- 水系统和油（气）- 风-烟系统。图 1-1汽- 水系统是以受热面的锅炉本体为中心，与水泵， 水处理设备等附属设备组成的工作系统，担负着向锅炉供水，吸取热量到输出蒸汽（或热水）的任务。油- 风- 烟系统是以炉膛及燃烧设备为中心， 与风机等附属设备组成。这个系统在炉内形成燃料放热，然后将燃烧产物排除。第二节锅炉的基本参数反映锅炉工作特性的基本参数，包括锅炉产生蒸汽的数量
3、（蒸发量）和质量（压力，温度）两个方面的指标。一蒸发量锅炉在确保安全的前提下长期连续运行，每小时所产生的蒸汽的数量，称为这台锅炉的蒸发量。蒸发量又称为“出力 “或“ 容量 “ ，常用的单位是 “ 吨/ 小时 “(t/h)。进口锅炉也有使用 “ 马力 “(HP) 或“ 磅/ 小时 “。其关系是 : 1马力 =15.65 公斤 / 小时 =342 5磅/ 小时额定蒸发量，是指锅炉采用设计的燃料品种，并在设计参数下运行，也就是在规定的蒸汽质量 ( 压力、温度 ) 和一定的热效率下，长期连续运行时，每小时所产生的蒸汽量。新锅炉出厂时，铭牌上所标示的蒸发量，指的就是这台锅炉的额定蒸发量。锅炉蒸发量的大小
4、，主要取决于受热面的大小。锅炉受热面，是指锅炉盛水或蒸汽的受压元件，如锅筒、水管、烟管等，受到火焰或烟气加热的表面积。受热面积越大，吸收的热量越多，产生的蒸汽量也就越多。对热水锅炉反映出力的是供热量。热水锅炉在确保安全的前提下长期连续运行，每小时出水的有效带热量，称为这台锅炉的额定供热量，单附 属 设 备锅（水升温升压）位是热功率 “ 兆瓦 “。以前用的单位是万千卡/ 小时，两者的换算关系是，热水锅炉产生0.7兆瓦相当于蒸汽锅炉产生l 吨/ 小时的蒸汽的热量。二、压力垂直均匀作用在物体表面上的力，称为压力，单位是 “ 牛顿 (N)“ ， 过去用公斤力 (kgf)表示。 1公斤力 =9.81 牛
5、顿。垂直均匀作用在物体单位面积上的压力，称为压强，单位是兆帕(MPa)。过去是用公斤力/ 厘米，表示。 1公斤力 / 厘米， =0.0981 兆帕。在习惯上，常把压强称为压力，因此本书中所提到的压力，实际上应是压强。在自然界中，空气是具有重量的，因此，空气中的任何物体，在任何方向上都会受到空气的压力，这种压力称为大气压力。在标准状态下，即当温度为O时，在海平面 ( 海拔等于零) 处， 1大气压等于 76厘米水银柱高的重量，也等于每平方厘米的面积上承受10.134 牛顿力，相当 0.101 兆帕。在物理学中，把相当于0.101 兆帕 (1.033 公斤力 / 厘米， ) 的压力，叫作1标准大气压
6、或1物理大气压。测量压力有两种标准: 一种是以零压 ( 压力等于零 ) 作为测量起点，称为 “ 绝对压力 “;另一种是以当时当地的大气压力作为测量起点，也就是用弹簧管压力表测出的压力数值，称为 “ 表压力 “ 或 “ 相对压力 “ 。因此，绝对压力等于表压力加上当地大气压力。锅炉上应用的压力都是表压力。锅炉内为什么会有压力呢？这是因为锅炉内的水吸收热量后，由液体状态变成气体状态，其体积要增大很多 ( 如在 1绝对大气压下，其体积将增大1650倍) ，但锅炉是密闭的容器，因而限制了水汽的自由膨胀，结果就便锅炉钢板受到了汽水作用的压力。锅炉铭牌上载明的 “ 设计工作压力 “，就是指的表压力，表明锅
7、炉内部的水和蒸汽超过大气压力的数值。锅炉的设计工作压力，是根据所用金属材料的强度和受压元件的几何形状以及受力点等条件，按照国家颁布的有关强度计算标准，对各个受压元件分别进行计算，然后从中选出一个所能承受压力的最低值，作为这台锅炉的最高允许使用压力。锅炉设计工作压力又可称额定出口蒸汽压力“ 。三、蒸汽温度表示物体冷热的程度称为“ 温度 “， 温度是物体内部拥有能量的一种体现方式，温度越高，能量越大。用来测量温度的仪表叫做温度计，它是根据液体 ( 水银或酒精 ) 热胀冷缩的性质制成的。常用摄氏温度计，是在标准大气压下，把水结冰时的温度 ( 冰点 ) 定为零度，把水沸腾时的温度 ( 沸点 ) 定为
8、100度，在两者之间平均分成100格，每格即是1度，记作 1 。锅炉金属铭牌上载明的蒸汽温度，即是用摄氏温度标出的。对于小型锅炉， 使用的蒸汽绝大多数是从锅筒上部的主蒸汽阀直接引出的，其蒸汽温度， 是指该锅炉工作压力下的饱和蒸汽温度。四.锅炉型号及参数蒸发量 /额定功率燃料品种代号燃烧方式蒸汽温度 /额定出 /进水温度 型式代号额定工作压力1型式代号：立式水管-LS 立式火管 -LH 卧式内燃 -WN/CWN 立式电 -D 卧式电 -D 2燃料品种代号：柴油-YC 重油 -YZ 天燃气 -QT 液化气 -QY 电-D 说明如下：WNS0.7-0.7/95/70-YC （QT）表示卧式内燃式室燃
9、，额定热功率0.7MW ，额定工作压力0.7Mpa，出水温度95 度，回水温度 70 度，设计燃料为柴油/天然气的热水锅炉。CWNS1.4-95/70-YQ 表示常压卧式内燃式室燃，额定热功率1.4MW ，出水温度95 度，回水温度70 度，设计燃料为柴油 /天然气的热水锅炉。CLHS0.35-95/70-YQ 表示立式火管室燃，额定热功率0.35MW ，出水温度95 度，回水温度70 度，设计燃料为柴油第二节锅炉的传热一、热量与比热热量是物体所含有的热能数量，热量的多少不仅与物体本身的温度有关，还与其重量和性质有关。热量的单位是“ 焦耳 （J），焦耳的 1000倍称为千焦。过去用的单位是“千
10、卡 “，两者的换算关系是:1 千卡 =4.18 千焦。单位重量的物质，温度升高 l 度时所吸收的热量，称为该物质的 “ 比热 “，常用的单位是 “千焦/ 公斤度 “ 。例如，水的比热为42 18焦耳 /公斤度 (1 千卡 / 公斤度 ) ，钢的比热为 0.5 千焦 /公斤度 (0.12 千卡 / 公斤度 ) 。二、传热方式在燃油锅炉中，燃烧是基础，产生蒸汽或热水是目的，这两者是通过传热联系起来的。油在炉内燃烧产生出的热量，由火焰或烟气通过金属壁 ( 受热面 ) 传给水、蒸汽或空气 ( 介质 ) 的过程，称为 “ 传热 “。传热总由高温物体向低温物体进行，两个物体的温度差越大，传热速度越快，效果
11、就越好。传热方式有导热、对流和辐射三种。12导热导热是同一物体内或两个不同温度的物体相接触时，热量从高温部分传给低温部分的过程。例如 : 锅炉水管的外壁受烟气加热后，热量很快传导给内壁，然后供炉水吸收。各种物体导热的性能是不相同的。善于导热的物体称为 “ 热的良导体 “ ，如铜、铝、铁等金属;不善于导热的物体称为“ 热的不良导体 “ 或称 “ 绝热体 “，如水垢、空气、石棉等。22对流对流是液体或气体依靠其本身的流动来达到热量传递的过程。例如， 使用热水冲淋浴，当水冲到身上时，身体就会感到热量的传递。在锅炉内，由于热水上升或冷水下降，在循环流动中传热，使全部锅水的温度逐步升高。32辐射辐射是高
12、温物体不通过接触或流动，直接将热量向四周散发给低温物体的过程。例如，太阳的热量就是通过辐射的方式传给地球的; 锅炉炉膛内， 火焰温度很高， 对炉胆内壁进行辐射传热。辐射传热的效果与热源温度的四次方成正比。在锅炉实际运行中，传热方式不只是导热、对流、辐射传热中的一种，是几种传热方式都存在的，在炉膛中，存在着火焰对炉的辐射传热，也存在着高温烟气的对流传热，但以辐射传热方式为主; 在烟管中，存在着烟气的对流传热，也存在着烟气的辐射传热，但以对流传热为主。第三节水与水蒸气一、水的性质水是由氢和氧两种元素化合而成的，其化学分子式是H2O 。纯净的水在常温下是无色无臭透明的液体，具有一定的体积，但没有固定
13、的形状。2随着温度的变化，水会呈现液态( 水) 、气态 ( 水蒸气 ) 和固态 ( 冰、霜、雪 ) 三种形态，水在 1个标准大气压下，温度为4C 时，体积最小，比重最大 (1 克 / 厘米， ) 。从 4起，温度上升或下降，其体积均要膨胀，比重减小，所以，北方冬季停用的锅炉和管道内不要存水，以免结冰后体积膨胀，冻坏设备水的比热为4.18 千焦 / 公斤度，较其它液体大，即一定数量的水温度升高时吸收的热量比其它液体在相同情况下所吸收的热量多。所以，经常利用水作为冷却或吸热的介质。水在连通器内当水面上压力相等时，各处的水面始终保持相平。锅炉上的水位表，就是利用这个原理，通过观察水位表，知道锅炉里水
14、位的高低。水在密闭的容器内，受到外加压力时，本身的体积几乎没有缩小，但是能够均匀地对各个方向传递压力。 锅炉水压试验就是利用这一原理进行的，以检查锅炉内各部分的强度和严密性。水在容器内对任何方向郡有压力，并且在同一一深度时，对各方向的压力都相等; 深度增加，压力也增加。 所以，在同一锅炉上， 如果压力表安装的位置高低不同，指示的压力值也不同;高度相差 1米，压力就相差0.OlMPa(O.1 公斤力 / 厘米2) 。二、饱和水与水蒸气的性质12饱和水、饱和蒸汽与过热蒸汽水由液态转化为气态的过程称为汽化。汽化通过蒸发与沸腾两种方法进行，蒸发是水在自由表面上缓缓地汽化，在任何温度下都持续进行。沸腾是
15、水在表面和内部同时进行剧烈的汽化，只有当温度达到沸点时才会发生。在一定压力下，对水不断加热，水温相继上升，最后达到饱和温度 ( 简称沸点 ) 。这种具有饱和温度的水称为饱和水。饱和温度与压力有关，随着压力升高，饱和温度也相应升高，也就是一定的压力对应一定的饱和温度。见表1-1 。在表中可以查得: 在绝对压力 0 ，lMPa时，水的饱和温度是99.96 ; 在绝对压力 1.OMPa 时，水的饱和温度是179.88 ;在绝对压力 2.OMPa 时，水的饱和温度是212.37 。表1-1 饱和水、饱和蒸汽表在一定压力下， 对饱和水继续加热，饱和温度保持不变，具有饱和温度的水蒸气称为饱和蒸汽。对饱和蒸
16、汽继续加热度，便会产生过热热，这种具有过热热的蒸汽称为过热蒸汽。22湿度与干度通常在饱和蒸汽中或多或少带有一些水分，故饱和蒸汽实际上是蒸汽和水的混合物，通常称为湿蒸汽。而不含水分的蒸汽，称为干蒸汽。湿蒸汽中含水量与总重量的比值，称为蒸汽的湿度。湿蒸汽中蒸汽的重量与总重量的比值，称为蒸汽的干度。显然，对于同- 湿蒸汽，其湿度与干度之和等于1。例如，若某蒸气的湿度为3，则其干度为97，表明在每公斤的饱和蒸汽中含有0.03 公斤的水和 0.97公斤的干蒸汽。表示蒸汽纯洁程度称为蒸汽品质，而湿度是衡量蒸汽品质好坏的一个重要指标，湿度过大不仅会降低蒸汽品质，影响使用效果。32液体热、汽化热与焓在- 定的压力下，使1公斤的水从 O 加热到饱和温度所需要的热量，称为液体热或称显热，单位是千焦/ 公斤 “液体热仅用于提高水的温度，不能改变水的形态，它与压力有关，压力越高，液体热就越大。在一定的压力下，使1公斤的饱和水完全汽化，变为相同温度的干饱和蒸汽所需要的热量，称为汽化热，又称蒸发热或潜热，单位是千焦/ 公斤。汽化热仅增加汽化量，而不提高蒸汽
