? G

q ? F F ?A(T ? T )

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1

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(1-7)

式中，Fε是发射率函数，FG 是几何角系数。此时，值得提醒读者的是，式(1-7)中的这两个函数通常并不

是相互独立的。 1.3.4 换热器的类型

最简单的换热器是由两个不同直径的同心圆管组成，称为套管式换热器。套管换热器中的一种流体

流经细管，另一种流体流经两管间的环形区域。套管换热器中包括两种不同类型的流动方式：一种为顺 流，即冷、热流体从同一端进入换热器，并沿同一方向流动；另一种为逆流，即冷、热流体从相反的两 端进入换热器，且沿相反方向流动。

另一类换热器，被专门设计成单位体积内有很大的换热面积，称为紧凑式换热器。换热器的换热面

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积与其体积之比称为面积密度β。β＞700 m/m 的换热器归为紧凑式换热器。例如汽车散热器（β≈1000

m/m）、燃气轮机中的玻璃陶瓷换热器（β≈6000 m/m）、斯特林机的回热器（β≈15,000 m/m）以及人的 肺部（β≈20,000 m/m）。紧凑式换热器能实现小容积内两种流体的高换热率，通常用于换热器重量和容

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积受到严格限制的场合。

紧凑式换热器通过在分离两种流体的壁面上附加间隔紧密的薄板或波纹翅片来扩展其表面。紧凑式

换热器通常用于气－气和气－液（或液－气）换热器，通过增加传热面积来抵消气侧低传热系数所带来 的影响。例如，汽车散热器是水－气紧凑式换热器的典型例子，通常管子气侧表面装有翅片。

工业应用中最常见的换热器也许是管壳式换热器，如图 1-9 所示。管壳式换热器外壳里封装有大量

的管束（有时为数百根），其轴线与外壳轴线平行。当一种流体在管内流动，另一种流体在管外流动并穿

过壳体时，就进行了热交换。壳内通常布置有挡板，用于使壳侧流体沿壳流动以强化传热，并保持均匀 的管间距。虽然管壳式换热器应用广泛，但因其相对较大的尺寸和重量，因而并不适用于汽车和航空器 领域。注意，管壳式换热器的管束两侧开口处的较大流动区域称为封头，它位于壳体两端，管侧流体流 入、流出管子前后都在此汇集。

管壳式换热器依据所含管程和壳程的数目可进一步分类。例如，换热器壳内的所有管束采用一个 U

型布置的称为单壳程双管程换热器（1-2 型换热器）。同样地，含有双壳程和四管程的换热器叫做双壳程

－四管程型换热器（2-4 型换热器）。

一种广泛使用的新型换热器是板翅式（或板式）换热器，它由一系列平板组成，并形成波纹状的流

动通道。冷、热流体在间隔的每个通道中流动，每一股冷流体被两股热流体所包围，因此换热效果非常

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好。此外，板式换热器可通过简单添加更多的平板来满足增强换热的需求。该类型换热器非常适用于液 －液式换热场合，但需要冷、热液流的压强大致相等。

另一类冷、热流体交替通过同一流动面积的换热器为蓄热式换热器。静态型蓄热式换热器基本上由

多孔介质组成，其热容量大，如陶瓷铁丝网。冷、热流体交替地流经这些多孔介质，热量先由流过的高 温流体传递到换热器的换热基体，再由基体传递给接着流过的低温流体。因此，基体充当了临时储热介 质的作用。动态型蓄热式换热器内有转筒，冷、热流体连续流动通过转筒的不同部分，使得转筒的任一 部分周期性地通过热流体，存储热量，再通过冷流体，释放存储的热量。转筒作为热量从热流体传递到 冷流体的媒介。

换热器往往被赋予特定的名称来反映它们的特定用途。例如，冷凝器是流体流经它时会发生冷却凝

结的一种换热器。锅炉是另一类换热器，流体在其内吸热并汽化。空间辐射器是以辐射方式将热流体的

热量传递到周围空间的换热器。

第二章 锅炉

2.1 简介 SSC

锅炉利用热量使水转变成蒸汽以进行各种利用。其中主要是发电和工业供热。由于蒸汽具有有利的

参数和无毒特性，因此蒸汽作为一种关键的工质（资源）被广泛地应用。蒸汽流量和运行参数的变化很

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大：仍某一过程里 1000 磅/小时（0.126kg/s）到大型电厂超过 10×10 磅/小时（1260kg/s），压力仍一些加

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热应用的 14.7 磅/ in（1.0135bar）212F（100℃）到先进循环电厂的 4500 磅/ in（310bar）1100F（593℃）。

现代锅炉可根据不同的标准分类。这些包括最终用途、燃烧方式、运行压力、燃料和循环方式。

大型中心电站的电站锅炉主要用来发电。它们经过优化设计，可达到最高的热效率。新机组的关键

特性是利用再热器提高整个循环效率。

各种附加的系统也产生蒸汽用于发电及其他过程应用。这些系统常常利用廉价或免费燃料，联合动

力循环和过程，以及余热回收，以减少总费用。这些例子包括：燃气轮机联合循环（CC）：先进的燃

高热效率。

气轮机，将余热锅炉作为基本循环的一部分，以利用余热并提

整体煤气化联合循环（IGCC）：在 CC 基础上增加煤气化炉，以降低燃料费用并将污染排放降到最低。

轮机做功。高炉排烟热量回收：利用高炉余热产生蒸汽。

增压循环流化床燃烧（PFBC）：在更高压力下燃烧，包括燃气净化，以及燃烧产物膨胀并通过燃气

太阳能蒸汽发生器：利用集热器收集太阳辐射热产生蒸汽。

2. 2 Development of Utility Boiler

现代 660MW 燃煤锅炉有大约 6000 吨的压力部件，包括 500 千米的受热面管材，3.5 千米连接管与联箱和 30000 个管接头焊口。

这是经过大约 50 年发展的结果，并形成了煤粉在具有蒸发管束的炉膛燃烧，烟气然后流经对流过热器和

热回收表面的基本概念并保留至今。蒸汽参数的提高，机组容量的增大及燃料燃烧特性的改进都要求在

材料、制造技术和运行程序上相应发展。

二战后的一些年里，在电厂安装锅炉的数量多于汽轮机是很常见的，锅炉提供蒸汽到母管然后到汽机。

这种布置反应了锅炉的可用性低于汽轮机。四十年代后期，随着锅炉可用性的提高，锅炉和汽机开始可

以相互配套使用。

锅炉和汽机成套的变化使得再热成为可行，而且伴随着高温钢材的应用，经过蒸汽参数的不断提高，达到了当前的标准循环 2400lbf/in2(165.5bar)，568℃和再热 568℃。为充分利用更高的蒸汽参数和获得经济

容量，在接下来的 15 年，机组容量又增加了 20 倍。 2.3 燃料与燃烧

大部分锅炉以煤、天然气和石油作为燃料。然而，在过去的几十年里，至少在发电领域核能开始扮演一个主要角色。

同样，不断增加的各种生物质和过程副产品也成为蒸汽生产的热源。这些包括泥煤、木材及木材废弃物、稻草、咖啡渣、稻谷壳、煤矿废弃物（煤屑）、炼钢炉废热甚至太阳能。

现代美国中心电站用燃料主要是煤，或是烟煤、次烟煤或是褐煤。

虽然天然气和燃油也许是未来化石燃料电厂的燃料选择，但煤仌然是今后新的，基本负荷电站锅炉的主

要燃料。

2.3.1 煤的分类

烟煤以及无烟煤。煤阶表明了煤的地质历史和主要特性。

? 由于煤是一种不均匀的物质，且其组成和特性变动很大，所以建立煤的分类系统是很必要的。中国煤的性质如表 2-1 所示。以煤阶进行煤的分类是典型的做法。这表现为煤化程度的大小：仍褐煤到贫煤、

现在美国应用的煤分类标准是由美国材料试验学会（ASTM）建立的。其分类是通过煤的工业分析所确定

的挥发分和固定碳的含量以及煤的发热量作为分类标准。这套系统目的在于确定煤的商业使用价值，并提供关于煤燃烧特性的基本信息。

2.3.2 燃烧系统

锅炉内化石燃料燃烧以产生蒸汽的技术已成熟多年。然而，在过去的二十多年中，为了将大气排放和污

染降到可行的最低程度，燃烧技术得到了很大程度的提高。油燃烧系统

所有的电站锅炉都燃用油，在燃煤锅炉中点燃煤粉，在煤进入炉膛之前加热炉膛并升压，而在燃油锅炉中则作为主要负荷燃料。一般地，燃油都是粘度在 3500 sec 到 6500sec 的残渣燃料油。为了有效的燃烧，这些油必须被加热到 120~130℃并被良好地分散或雾化成很小的微滴

? 燃用渣油，要比一般的馏分油（柴油，汽油等）便宜，但又带来一些问题：酸性污染物和粉尘的排放。酸性污染问题是由石油中的硫产生的，硫分的含量有时可高达 3%。在 20 世纪 60 年代早期，人们对

油燃烧器设计进行了深入研究和开发，目的在于解决燃油的排放问题。由此诞生了一种油燃烧器——“标准燃烧器”，它可以在非常低的过量空气系数下减少碳排放。为保证锅炉中每个燃烧器获得同样多的空气也做了大量的工作。目前油燃烧过量空气系数运行水平为 2%。

煤燃烧系统

煤燃烧器的发展模式同油燃烧器类似，而且重点放在准确控制每只燃烧器煤和油的供给量。实际中所有的燃煤锅炉都是燃烧煤粉（由磨煤机生产），这些煤粉经过很好的粉碎，然后由空气流（一次风）送入燃

烧器。同以前相比，在流动平衡上的设计成果现在已能使锅炉在较低的过量空气水平下运行，并在不增

加飞灰含碳量水平的情况下提高了总的效率煤燃烧系统部件的布置必须根据经济因素和煤的性质来确定。作为整个燃烧系统设计的性能参数，煤粉 细度、磨煤机出口温度、空煤比等都必须达到要求。低 NOx 燃烧系统

影响 NOx 生成的因素包括燃料含氮量、火焰峰值温度、火焰中的可用氧量以及气流在锅炉系统中的停留

时间。当煤进入炉膛其化学结极被破坏时，一些煤中的化合氮就作为挥发分被释放出来。