清华大学热能工程教学课件-第1章 绪论

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。
22
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 19×109kcal/kg(8×1010kJ)，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

热能 生物能
电能 磁能
化学能 光能
核能



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
电： 采暖： 纸、书： 桌子，木材干燥 空气：锅炉污染 饭： 酒：
28
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）
29



参考书

陈学俊，陈听宽。锅炉原理（第二版）， 机械工业出版社
56
1.1.4 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。
55


1.1.3 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
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 太阳能
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。
42
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）。
43
Trevithick锅炉，1804年
44
1.1 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
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。
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。
53
1.1 锅炉的发展过程
54
1.1.2 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℃，220230t/h，50MW）
50年代：超高参数大容量（≥14MPa，540-570℃， 400-670t/h，100-200MW） 60年代：亚临界参数（17-18MPa，540-570℃）和 超临界参数

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。
45
1.1 锅炉的发展过程
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，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。
按深度10公里来估算，地热的蕴藏量就约有 2.5x1023千卡，相当于3.57亿亿吨标煤. 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。
33
其他热能
太阳能——太阳能锅炉
电能——电热锅炉 余热——余热锅炉
34
工质
水：热水锅炉 蒸气锅炉 空气：热风炉 油：介质油炉
35
热风炉
36

介质油炉
37
参数
温度：饱和/过热/再热蒸气温度 供水/回水温度 压力：
38
1.1 锅炉的发展过程
39
1.1 锅炉的发展过程
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
40
1.1 锅炉的发展过程
1.1.1 炉型的发展
十八世纪初，人们采用“壳式”锅炉产生蒸汽
Байду номын сангаас
Haycock锅炉，1720年
Waggon锅炉，1769年
41
1.1 锅炉的发展过程
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—火管锅炉 方向二：火包水—水管锅炉
16
发电
采 暖
温 室
孵 化 地热能利用示意图
洗 浴
17
地源热泵
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又可制冷的新型中央空调 系统。
18
19
20
21
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(6371公里) :温度～4500℃。
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
沸水堆型核电厂示意图
26
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
27
我们的生活和锅炉关系？







48
1.1 锅炉的发展过程
为克服直水管锅炉的缺点，出现了弯水管锅炉 多锅筒 三锅筒 双锅筒 单锅筒
49
50
1.1 锅炉的发展过程
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。