熱能與動(dòng)力工程在鍋爐領(lǐng)域的應(yīng)用

汪育超

摘要：鍋爐在工業(yè)生產(chǎn)中有很大的作用，可以有效進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換，鍋爐的效率和能量利用率是衡量鍋爐技術(shù)的重要指標(biāo)，鍋爐技術(shù)影響著整個(gè)工業(yè)化的發(fā)展。在鍋爐領(lǐng)域中科學(xué)的運(yùn)用熱能與動(dòng)力工程知識(shí)，可以提高鍋爐的效率與能量利用率，更好的推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：熱能；動(dòng)力工程；鍋爐領(lǐng)域；鍋爐效率；能量利用

中圖分類號(hào)：TK22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674—3024（2016）14—185—02

前言

18世紀(jì)中葉，英國人瓦特改良了蒸汽機(jī)，蒸汽機(jī)是將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的往復(fù)式動(dòng)力機(jī)械，蒸汽機(jī)是工業(yè)革命的標(biāo)志，以此產(chǎn)生的一系列技術(shù)革命引起了從手工勞動(dòng)向動(dòng)力機(jī)器生產(chǎn)轉(zhuǎn)變的重大飛躍。后來，工業(yè)革命傳播到世界各國，其影響涉及人類社會(huì)生活的各個(gè)方面，使人類社會(huì)發(fā)生了巨大的變革，在發(fā)展生產(chǎn)力、在人同自然作斗爭(zhēng)方面具有劃時(shí)代的巨大歷史意義，對(duì)推動(dòng)人類的現(xiàn)代化進(jìn)程起到了不可替代的作用，把人類推向了嶄新的“蒸汽時(shí)代”。今天，蒸汽機(jī)發(fā)展成為被各行各業(yè)廣泛利用的鍋爐和汽輪機(jī)，是生產(chǎn)生活中最重要的原動(dòng)力。

1鍋爐的介紹

鍋爐是一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，可以使用煤、石油或天然氣甚至垃圾作為燃料，將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為蒸汽、高溫水或有機(jī)熱載體。鍋爐中產(chǎn)生的熱水或蒸汽可直接為工業(yè)生產(chǎn)或人們生活提供所需熱能，也可通過汽輪機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，或再通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。提供熱水的鍋爐稱為熱水鍋爐，主要用于生活，工業(yè)生產(chǎn)中也有少量應(yīng)用。產(chǎn)生蒸汽的鍋爐稱為蒸汽鍋爐，常簡(jiǎn)稱為鍋爐，多用于火電站、船舶、機(jī)車和工礦企業(yè)。鍋爐在實(shí)際生活和工作中有很重要的作用，鍋爐的技術(shù)水平影響著工業(yè)化的發(fā)展進(jìn)程，所以，如何能夠提高鍋爐的技術(shù)水平，是一個(gè)很有實(shí)際意義的研究方向。

2熱能與動(dòng)力工程與鍋爐的關(guān)系

鍋爐包括鍋和爐兩大部分，鍋指在火上加熱的盛水容器，爐指燃燒燃料的場(chǎng)所，鍋爐內(nèi)發(fā)生的是一個(gè)燃燒換熱的過程，而這些，恰瀹正是熱能與動(dòng)力工程的主要研究?jī)?nèi)容。熱能與動(dòng)力工程是多門科學(xué)技術(shù)的綜合，其中包括現(xiàn)代能源科學(xué)技術(shù)，信息科學(xué)技術(shù)和管理技術(shù)等，主要涉及熱能動(dòng)力設(shè)備及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、自動(dòng)控制、信息處理、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、環(huán)境保護(hù)、制冷空調(diào)、能源高效清潔利用和新能源開發(fā)等工作，在實(shí)踐中應(yīng)用很廣泛，擁有非常強(qiáng)的工程專業(yè)性。熱能與動(dòng)力工程主要包括燃燒學(xué)、工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、傳熱與傳質(zhì)原理、熱能與動(dòng)力測(cè)試技術(shù)、熱工自動(dòng)控制等，其根本目的就是研究能源之間的相互轉(zhuǎn)換規(guī)律以及如何更高效的利用能源。

3分析熱能與動(dòng)力工程在鍋爐領(lǐng)域的應(yīng)用

（1）燃燒學(xué)。燃燒學(xué)是研究燃燒現(xiàn)象、實(shí)踐和理論的科學(xué)。燃燒是涉及到化學(xué)、熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)和流體力學(xué)等問題的復(fù)雜過程。鍋爐的爐就是燃料燃燒的場(chǎng)所，燃料是否完全燃燒，燃燒是否充分，從本質(zhì)上影響著鍋爐的效率。我國是一個(gè)煤炭資源發(fā)達(dá)的國家，煤炭在我國的能源結(jié)構(gòu)中占有極大的比例，以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)注定了燃煤鍋爐的數(shù)量大大超過其他形式的鍋爐。我國國土面積廣袤，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)演變過程中，煤田受到多種地質(zhì)因素的作用，由于成煤年代、成煤原始物質(zhì)、還原程度及成因類型上的差異，再加上各種變質(zhì)作用并存，致使我國煤炭品種多樣化。不同品種的煤，理想的燃燒狀況是不一樣的，根據(jù)煤的不同組成成分，運(yùn)用燃燒學(xué)知識(shí)合理的計(jì)算煤燃燒所需要的氧氣量，合理配風(fēng)，盡可能降低爐膛火焰中心位置，控制合適的燃燒溫度；根據(jù)原煤揮發(fā)分及時(shí)間調(diào)整給煤量，使煤量維持最佳值，讓煤在爐膛內(nèi)充分燃燒；根據(jù)鍋爐負(fù)荷及時(shí)間調(diào)整燃燒工況，這些都是提高鍋爐效率的有效手段。

（2）傳熱學(xué)。傳熱學(xué)主要研究的是由溫差引起熱能傳遞的規(guī)律。鍋爐爐中的燃料充分燃燒之后，釋放出大量的能量，溫度很高，如何高效率的利用這些能量，是提高鍋爐效率的關(guān)鍵所在。爐中燃料燃燒產(chǎn)生的能量經(jīng)鍋爐爐膛傳遞給鍋中的水，單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量越多，鍋爐的效率越高。影響熱量傳遞主要有兩個(gè)因素，一個(gè)是傳熱效率，一個(gè)是傳熱面積。鍋爐中熱量傳遞的方式比較復(fù)雜，三種基本的傳熱方式導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射都有，且互相影響。如果傳熱效率不高，那么若要保證鍋爐的蒸汽產(chǎn)量，只能增大鍋爐的傳熱面積，即增大鍋爐的爐膛面積，從而增加鍋爐的占地面積以及高度，大大增加鍋爐的制造成本，造成資源浪費(fèi)。此外，不合適的換熱面積還會(huì)大大降低能量的利用效率，白白浪費(fèi)很多能量。所以，科學(xué)的運(yùn)用傳熱學(xué)理論，提高鍋爐內(nèi)部的傳熱效率，同時(shí)按照鍋爐的蒸汽產(chǎn)量計(jì)算出合理的換熱面積，是提高鍋爐效率的有效手段。

（3）工程熱力學(xué)。工程熱力學(xué)主要研究的是熱能與機(jī)械能以及其他能量之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律及其應(yīng)用。鍋爐爐中燃料燃燒產(chǎn)生的能量經(jīng)鍋爐爐膛傳遞給鍋中的水，產(chǎn)出蒸汽或者熱水。較低壓力和溫度的蒸汽以及熱水往往是可以直接用于生產(chǎn)、洗浴、采暖等；溫度及壓力較高的蒸汽往往不能被直接利用，通過推動(dòng)汽輪機(jī)對(duì)外界做功的方式被人們利用。蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的熱力過程，運(yùn)用工程熱力學(xué)知識(shí)對(duì)整個(gè)熱力過程進(jìn)行分析研究，提高功與熱量的轉(zhuǎn)化效率，就能提高了能量的利用效率。同時(shí)，通過熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律和熱力學(xué)第三定律作為基礎(chǔ)對(duì)整個(gè)鍋爐的火用效率進(jìn)行分析，雖然當(dāng)今鍋爐技術(shù)較為成熟，鍋爐的熱效率一般達(dá)到了80-90%，但是鍋爐的火用效率一般在50%左右（火用又叫有效能，代表能量的品位，指確定某指定狀態(tài)下給定能量中有可能做出有用功的部分，火用效率越低，可以做出的有用功越少）。可以看到，其實(shí)鍋爐對(duì)于燃料化學(xué)能的利用率并不高。如何運(yùn)用熱力學(xué)知識(shí)，提高鍋爐的火用效率，提高能量的利用率，對(duì)鍋爐領(lǐng)域以及對(duì)于推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，都具有極其重要的意義。

熱能與動(dòng)力工程中的其他知識(shí)如熱能與動(dòng)力測(cè)試技術(shù)、熱工自動(dòng)控制等在鍋爐領(lǐng)域中也有發(fā)揮著重要的作用，保障鍋爐正常、安全的運(yùn)行。

4總結(jié)

以上是熱能與動(dòng)力工程在鍋爐領(lǐng)域應(yīng)用的簡(jiǎn)要分析。可以看到，熱能與動(dòng)力工程體現(xiàn)在鍋爐領(lǐng)域的方方面面，對(duì)于鍋爐領(lǐng)域有著極具意義的指導(dǎo)作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熱能與動(dòng)力工程將會(huì)更好的指導(dǎo)鍋爐技術(shù)的發(fā)展，提高鍋爐的能量利用率，更好的推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展。