热能工程基础

本书构建了一个新的视角来阐述锅炉原理和设备，即以燃料燃烧特性、燃烧设备特点、受热面布置、热力计算、烟风计算、锅内安全、锅炉应用为坐标横轴，以电站、工业、燃煤、燃油、燃气、大中小型锅炉等为坐标纵轴，横纵交叉系统，全面介绍锅炉的构成和设计原则。本书主要介绍了煤粉锅炉、层燃锅炉、循环流化床锅炉、WNS燃油燃气锅炉，同时也介绍了余热锅炉、有机热载体炉和热风炉等。还以专题的形式，为读者呈现了关于锅炉应用、运行、安全等方面的内容。每一章后均附有思考题和习题，便于教学中掌握要点，也便于读者自学。当然，这种尝试也存在一些不足，例如同一部分内容过多，甚至变得有些凌乱，有些描述也不够严谨。此外，限于篇幅，有些内容介绍不够系统，等等，还请读者见谅。

第1章锅炉与能源利用

1.1能源及其消耗现状

1.1.1全球化石能源的储量

1.1.2化石能源消耗状况

1.1.3我国面临的能源挑战

1.2锅炉发展简史

1.2.1早期锅炉

1.2.2现代锅炉

1.2.3我国锅炉发展历程

1.3锅炉的分类与系列

1.3.1锅炉的分类

1.3.2锅炉的系列和经济指标

1.4锅炉的典型应用

1.4.1民用供热

1.4.2工业供热

1.4.3热力发电

1.5阅读本书可能的收获

思考题和习题

参考文献

第2章燃料与燃烧

2.1燃料

2.1.1气体燃料

2.1.2液体燃料

2.1.3固体燃料

2.1.4燃料的成分

2.2燃料的成分分析基础和换算

2.2.1燃料的成分分析基础

2.2.2煤的工业分析

2.2.3成分基础换算

2.2.4发热量及其换算

2.3燃料燃烧的空气量

2.3.1燃料燃烧的理论空气量

2.3.2燃料燃烧的实际空气量

2.4燃料燃烧的产物

2.4.1燃烧产物的理论体积

2.4.2燃烧产物的实际体积

2.4.3烟气成分与过量空气系数测试

2.5焓温表

2.5.1燃烧产物的焓

2.5.2焓温表编制

本章结语

思考题和习题

参考文献

第3章燃料燃烧与设备

3.1燃烧过程的化学反应原理

3.1.1燃烧化学反应速率

3.1.2燃烧形式的分类

3.2流体燃料燃烧

3.2.1气体燃料燃烧原理

3.2.2气体燃料的燃烧设备

3.2.3液体燃料燃烧原理

3.2.4液体燃料的燃烧设备

3.3固体燃料燃烧

3.3.1固体燃料燃烧气体动力学分类

3.3.2固体燃料燃烧机理

3.4火室燃烧及设备

3.4.1煤粉的制备及系统

3.4.2煤粉在燃烧设备中燃烧

3.4.3煤粉燃烧器

3.5层燃设备

3.5.1炉排

3.5.2炉拱和二次风

3.5.3燃料特性对层燃的影响

3.6循环流化床燃烧设备

3.6.1循环流化床的发展与特点

3.6.2循环流化床基本原理

3.6.3循环流化床内物料流动

3.6.4循环流化床燃烧

专题1废弃物的燃烧原理与设备

本章结语

思考题和习题

参考文献

第4章锅炉燃烧部件与受热面布置

4.1锅炉及其系统的主要部件概述

4.1.1锅炉本体主要部件

4.1.2锅炉辅助装置

4.2锅炉受热面整体布置

4.2.1锅炉受热面布置的要求

4.2.2烟气侧流程

4.2.3工质侧流程

4.2.4蒸汽参数影响锅炉循环方式及受热面布置

4.2.5锅炉热力系统的选择

4.3燃烧方式选择与燃烧设备布置

4.3.1煤粉炉总体布局及燃烧设备布置

4.3.2层燃锅炉整体布置与燃烧设备布置

4.3.3循环流化床锅炉的燃烧设备

4.3.4油气锅炉设备与布置

4.4受热面的结构和布置

4.4.1水冷壁

4.4.2锅炉管束和凝渣管

4.4.3过热器

4.4.4再热器

专题2过热器和再热器汽温的调节

4.4.5省煤器

4.4.6空气预热器

专题3受热面磨损与腐蚀的工艺考虑

本章结语

思考题和习题

参考文献

第5章锅炉设计与热力计算

5.1锅炉热平衡

5.1.1正平衡效率

5.1.2反平衡效率

5.1.3锅炉效率估算

5.1.4锅炉热效率限定值

5.2室燃炉炉膛结构与传热计算

5.2.1炉膛容积热负荷和截面热负荷

5.2.2煤粉炉炉膛结构设计

5.2.3煤粉炉炉膛传热计算

5.2.4炉内传热相似理论解法

5.2.5燃油、气锅炉的炉膛结构与传热计算

专题4锅炉设计的一些系数的选取和计算

5.3层燃炉炉膛结构与传热计算

5.3.1层燃炉的炉膛结构设计

5.3.2层燃炉炉膛传热计算

5.4循环床炉膛结构与传热计算

5.4.1循环床炉膛结构设计

5.4.2循环床炉膛传热计算

专题5炉膛出口烟温

5.5对流受热面的设计与传热计算

5.5.1对流受热面的结构

5.5.2基本传热方程

5.5.3换热系数的计算

5.6锅炉设计和热力计算的基本步骤

5.6.1设计计算与校核计算

5.6.2热力计算的基本步骤

专题6煤粉锅炉燃烧调整

本章结语

思考题和习题

参考文献

第6章锅炉烟风阻力计算与风机选用

6.1概述

6.1.1烟风阻力计算的目的

6.1.2烟风阻力计算的原则和方法

6.2锅炉烟风道的流阻计算

6.2.1沿程摩擦阻力

6.2.2局部流阻计算

6.3锅炉受热面的流阻计算

6.3.1气流横向冲刷光管管束

6.3.2管式空气预热器的阻力计算

6.3.3回转式空气预热器的阻力计算

6.4自生通风力计算

6.5风机的选择与调节

6.5.1风机的选择

6.5.2风机的调节

专题7炉膛外爆与内爆

本章结语

思考题和习题

参考文献

第7章锅内工质流动、传热与安全

7.1锅炉水循环的方式

7.1.1自然循环

7.1.2强制循环

7.1.3直流型式

7.1.4复合循环

7.2自然循环回路内的水循环及计算

7.2.1自然循环回路

7.2.2自然循环的水循环计算

7.3自然循环锅炉蒸汽品质的净化

7.3.1蒸汽中杂质的来源及危害

7.3.2排污及锅水品质

7.3.3蒸汽净化的措施

专题8锅筒内的水位与安全

7.4锅内工质的传热

7.4.1流动的流型

7.4.2锅内传热

7.5流动、传热安全问题及其对策

7.5.1流动过程安全问题及对策

7.5.2传热过程的安全及对策

本章结语

思考题和习题

参考文献

第8章其他类型锅炉和应用

8.1余热锅炉

8.1.1余热利用

8.1.2余热锅炉应用案例

8.1.3余热锅炉设计及结构

8.2有机热载体炉

8.2.1有机热载体炉发展简述

8.2.2有机热载体炉的基本原理及分类

8.2.3有机热载体炉的结构

8.2.4有机热载体炉的工作系统

8.3热风炉

8.3.1热风炉分类

8.3.2热风炉的特性

8.3.3几种热风炉介绍

结语：锅炉的发展趋势

思考题和习题

参考文献

附录A锅炉热力计算的软件实现

A.1计算机算法的基本方法和步骤

A.2传统计算使用的图表的处理

A.3工业锅炉设计计算软件BBDCs

A.4热力计算程序

A.4.1热力计算基本方法

A.4.2软件使用基本过程

A.4.3项目参数设置

A.4.4燃料参数设置

A.4.5热平衡参数设置

A.4.6锅炉模型构造

A.4.7输入部件数据

A.4.8进行热力计算

A.4.9查看初步计算书

A.4.10烟气焓温特性表

A.4.11计算结果汇总表

A.4.12输出正式计算书

A.5计算过程软件实现方法

A.5.1锅炉模型构造

A.5.2部件参数输入

A.5.3参数设置

A.5.4部件的计算

A.5.5部件参数输出

A.5.6文件存储

A.5.7图表处理和Excel导出

A.6热力计算框图汇总

A.6.1热力计算总框图(图A.18)

A.6.2燃料计算总框图(图A.19)

A.6.3热平衡计算总框图(图A.20)

A.6.4炉膛热力计算框图(图A.21)

A.6.5对流受热面热力计算框图(图A.22)

A.6.6空预器热力计算框图(图A.23)

A.7130t/h煤粉炉计算示例

A.8习题

参考文献

附录B思考题和习题参考答案要点

后记2100433B

本书基于课堂教学和工程实践，介绍了热能工程领域锅炉的基本构成和设计原则，包括燃烧设备、锅炉部件、热力计算、烟风阻力计算、锅内过程与安全、锅炉应用等方面的基础知识以及一些概念的诠释。为读者提供了一个系统的关于锅炉的历史、发展、基本原理、设计准则等方面的认识。每一章后均附有思考题和习题，书后附有参考答案，便于教学中掌握要点和读者自学，从而更好地了解锅炉原理、设计、运行和应用等。

本书可作为高等学校能源动力类专业高年级本科生的教材，也可供能源利用等领域相关专业工程技术人员参考。

进入21世纪，人类对能源的需求和利用已经达到一个新的阶段，人们日常的衣食住行以及国民经济的各行各业都已离不开由化石能源转化而成的蒸汽、热水等热能的综合利用。

为了适应宽口径教学的需求，兼顾从热能设备基本原理到工程应用的过渡，本书系统整合了锅炉原理、燃料与燃烧概论、燃烧理论与燃烧设备、炉内传热、锅炉设备水动力学等课程内容，为读者提供一个系统的关于锅炉的历史、发展、基本原理、设计准则等方面的基本认识，扩展读者的知识面。

本书构建了一个新的视角来阐述锅炉原理和设备，即以燃料燃烧特性、燃烧设备特点、受热面布置、热力计算、烟风计算、锅内安全、锅炉应用为坐标横轴，以电站、工业、燃煤、燃油、燃气、大中小型锅炉等为坐标纵轴，横纵交叉系统，全面介绍锅炉的构成和设计原则。本书主要介绍了煤粉锅炉、层燃锅炉、循环流化床锅炉、WNS燃油燃气锅炉，同时也介绍了余热锅炉、有机热载体炉和热风炉等。还以专题的形式，为读者呈现了关于锅炉应用、运行、安全等方面的内容。每一章后均附有思考题和习题，便于教学中掌握要点，也便于读者自学。当然，这种尝试也存在一些不足，例如同一部分内容过多，甚至变得有些凌乱，有些描述也不够严谨。此外，限于篇幅，有些内容介绍不够系统，等等，还请读者见谅。

本书由清华大学李清海和张衍国等编写，李清海编写了第2章、第3章、第6章、第7章、第8章第1~3节、附录A和附录B，张衍国编写了第1章、第4章、第5章以及第8章锅炉发展趋势部分，杭州伯勒计算机技术有限公司侯士杰参与编写了附录A，向杰参与了校稿，全书由李清海统稿。

在本书编写过程中，得到了清华大学热能系佟会玲、杨瑞昌、吕俊复等老师的大力支持，在此向他们表示由衷的感谢。本书引用了一些书籍中的图、表等，在文中均注明了引用来源，也引用了一些锅炉厂或其他公司近期产品的图纸和资料，在此谨致以诚挚的谢意。本书还获得了“清华大学教学改革项目”资助。

根据作者的专业实践，本书融入了作者的一些经验和见解。限于作者水平，书中难免有粗疏错漏之处，恳请读者不吝指正。

编者2016年12月于清华园

人体的热能来源于每天所吃的食物，但食物中不是所有营养素都能产生热能的，只有碳水化合物、脂肪、蛋白质这三大营养素会产生热能。

人体每时每刻都在消耗能量，这些能量是由所摄取食物的化学能转变而来的。食物中能产生能量的营养素是蛋白质、脂肪、碳水化物，它们经过氧化产生能量，供给机体维持生命、生长发育、从事各种活动的需要。

机体摄入和消耗的能量通常用热量单位“卡”或“千卡”表示。营养学上一般多采用“千卡”。

供给热能的营养素在膳食中所占的比例，可因在机体中的作用、饮食习惯和各地食品的种类而不同。一般情况下，人们膳食中大约总热量的60~70%来自碳水化物，16~25%来自脂肪，10~14%来自蛋白质。

热能产生

每克碳水化合物在体内氧化时产生的热能为16.74千焦耳（4千卡），脂肪每克为37.66千焦耳（9千卡），蛋白质每克为16.74千焦耳（4千卡） 。

热能单位换算

热能的单位常指能使1升水升高1摄氏度所需的热量，就相当于4.184千焦耳的热能。单位换算如下： 1千卡=4.184千焦耳， 1千焦耳=0.239千卡。

地热能是来自地球深处的可再生热能。它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近表层。在有些地方，热能随自然涌出的热蒸汽和水而到达地面，自史前起它们就已被用于洗浴和蒸煮。通过钻井，这些热能可以从地下的储层引入水池、房间、温室和发电站。

地热能储量比人们所利用的总量多很多倍，而且集中分布在构造板块边缘一带，该区域也是火山和地震多发区。如果热量提取的速度不超过补充的速度，那么地热能便是可再生的。高压的过热水或蒸汽的用途最大，但它们主要存在于干热岩层中，可以通过钻井将它们引出。

地热能的利用自古时候起人们就已将低温地热资源用于浴池和空间供热，近来还应用于温室、热力泵和某些热处理过程的供热。在商业应用方面，利用干燥的过热蒸汽和高温水发电已有几十年的历史。利用中等温度（100℃）水通过双流体循环发电设备发电，在过去的10年中已取得了明显的进展，该技术已经成熟。地热热泵技术后来也取得了明显进展。

意大利的皮也罗·吉诺尼·康蒂王子于1904年在拉德雷罗首次把天然的地热蒸气用于发电。地热发电是利用液压或爆破碎裂法把水注入到岩层，产生高温蒸气，然后将其抽出地面推动涡轮机转动使发电机发出电能。在这过程中，将一部分没有利用到的水蒸气或者废气，经过冷凝器处理还原为水送回地下，这样循环往复。1990年安装的发电能力达到6000MW，直接利用地热资源的总量相当于4.1Mt油当量。

人们在日常生活和社会生产中都需要大量的热能，这些热能来自于自然界中各种形式的能源。将自然界的能源直接或间接地转化为热能，以满足人们日常生活和社会生产需要的科学技术，称为热能工程，它是能源科学中的一个组成部分。