1.2.6 层流和紊流
黏性流动可分为层流和紊流。在层流中，流体与周围流体质点无明显的混合。如果在流动中注入染料，除了分子运动的影响外，流体质点不与周围流体混合，并将在相当长的一段时间内保持其状态。黏性切应力始终影响层流流动。层流可以是高度非定常的，也可以是定常的。
在紊流中，流体运动作不规则地变化，速度和压强等参数的大小在时间和空间坐标上呈现随机变化，这些物理量往往通过统计平均值来描述。在这个意义上，可定义“定常”紊流：即时均值不随时间变化的紊流。注入紊流中的染料在流体质点随机运动的作用下，迅速与周围流体进行掺混，染料在此扩散过程中很快就会消散而变得无法识别。层流和紊流可用一个水龙头进行简单实验来观察其流动状态。打开水龙头，这时的水流正如静静的小溪一样，流动得非常缓慢，此时的流动状态就是层流；慢慢开大水龙头，观察到流动逐渐变得紊乱。注意，紊流从相对较小的流量下开始发展而成。
流动状态依赖于三个描述流动条件的物理参数。第一个参数是流场的特征长度，如边界层厚度或管道直径。如果这个特征长度尺度足够大，流动中的扰动可能会逐渐增大，从而使得流动转变为紊流。第二个参数是特征速度，如空间平均流速，足够大的流速将导致紊流的产生。第三个参数是运动黏度，流体的黏性越小，紊流的可能性越大。
上述三个参数可以整理成一个参数，用于预测流动状态。这个参数就是雷诺数，以奥斯本?雷诺的名字命名，该参数为无量纲参数，定义为Re=VL/?，式中，L和V分别为特征长度和特征速度，?为运动黏度。例如，在管道流中，L为管径，V为平均速度。如果雷诺数相对较小，流动为层流；如果雷诺数较大，则为紊流。通过定义临界雷诺数Recrit，可更加精确地进行表述，当Re 对于平板上的边界层，由于来流为均匀来流，其特征长度随到前缘点的距离x而变化。计算雷诺数时采用长度x作为特征长度。在某一特定的xT下，Re变为Recrit，流动从层流过渡到紊流。处于均匀流中的光滑刚性平板，且自由来流的脉动水平较低时，已观测到的临界雷诺数高达106。在大多数工程应用中，通常假设壁面为粗糙壁面，或者自由来流的脉动水平较高时，相应的临界雷诺数约为3×105。 1.2.7 不可压缩和可压缩流动 如果任一流体质点在通过流场时密度保持相对恒定，即D?/Dt=0，则该流动为不可压缩流动。这并不要求各处的密度值均相等。如果流场中各处的密度值均相等，则很明显，流动是不可压缩的，但那是一种更加严格的情况。密度发生变化的不可压缩流动的例子有大气流动，?=?(z)，z为垂直方向的坐标，以及江河流入海洋时淡水与盐水相邻的分层流动。 除液体流动之外，低速气体流动也被视为不可压缩流动，例如上文提到的大气流动。马赫数，以厄恩斯特?马赫的名字命名，定义为M=V/c，V是气体流速，波的传播速度为c??RT。如果M＜0.3，密度的最大变化为3%，此时流动可认为不可压缩的；对于标准状态下的大气，这种情况对应的气体流速低于100 m/s。如果M＞0.3，密度的变化将影响流动，则必须考虑流体压缩性带来的影响，这样的流动就是可压缩流动。 6 不可压缩的气体流动包括大气流动、商用飞机着陆和起飞时的气体流动、供暖和空调系统中的气流、绕流汽车周围的流动、通过散热器的气流以及绕流建筑物的气体流动等等，不胜枚举。可压缩流动包括高速飞行器周围的气体流动，通过喷气式发动机的气体流动，电站中通过汽轮机的蒸汽流动，压缩机中的气体流动以及内燃机中空气和燃气混合物的流动。 1.3 传热学基础 传热学是一门研究在存在温差的物体间发生能量传递的科学。热力学中将这种方式传递的能量定义为热量。传热学不仅可以解释热量传递是如何传递的，而且可以计算在特定条件下的传热速率。事实上，传热速率正是一个分析所期望的目标，它指明了传热学和热力学间的差别。热力学处理的是平衡状态下的系统，它可计算当系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态时所需要的能量，但不能解决系统处于过渡过程的非平衡状态时能量变化的快慢程度。传热学提供了可用于计算传热速率的实验关联式，从而对热力学第一定律和第二定律进行补充。这里，我们介绍热量传递的三种方式和不同型式的换热器。 1.3.1 热传导 当物体内部存在温度梯度时，经验表明，就有能量从高温区向低温区传递。我们说，此时的能量通过传导进行传递，单位面积上的传热速率与法向温度梯度成正比，即q/A~?T/?x。引入比例系数，则有公式 (1-3) 其中q是热流量，?T/?x是热流方向上的温度梯度，正常数?称为材料的导热系数。方程中插入的负号表示热传导过程应满足热力学第二定律，即热量必须沿温度降低的方向传递。式(1-3)称为傅立叶导热定律，以法国数理学家约瑟夫?傅立叶的名字命名，傅立叶在导热的分析处理方面做出了极其重大的贡献。值得注意的是，式(1-3)也是导热系数的定义式，在典型的单位体系中，当热流量q的单位为W时，?的单位为W/(m?℃)。 1.3.2 对流换热 众所周知，与热金属板放置在静止的空气中相比，放置在转动的风扇前的热金属板会更快地冷却。我们说热量通过对流进行传递，称此类换热过程为对流换热。对流这个术语给读者提供了有关传热过程的直观概念，然而，必须扩展这种直观概念，使我们可以达到对某一问题进行充分的分析和处理。例如，我们知道流过热平板的空气速度会明显影响其传热量，但它是以线性方式影响冷却的吗？即如果速度增加一倍，传热量也会增加一倍吗？我们猜想，如果用水代替空气冷却热平板，传热量可能有所不同，但是，二者的差异会有多少呢？这些问题在了解一些非常基本的分析后，可得以回答。现在，我们来简要描述对流换热的物理机理，并且说明它和传导过程的联系。 被加热的平板如图1-8所示，平板的温度为Tw，流体的温度为T∞。速度分布如图所示，受黏性作用，平板上的速度减小为零。因为壁面处流动薄层的速度为零，因此，在该点上热量只能以导热方式传递。因此，可以利用式(1-3)，以及壁面上的流体导热系数和温度梯度来计算传热量。如果热量在该层经导热传递，那么，为什么我们要谈及对流换热以及需要考虑流体速度的影响呢？答案是，温度梯度依赖于流体带走热量的速度，较高的流速将产生较大的温度梯度。因此，壁面上的温度梯度依赖于流场的变化，在以后的分析中，我们将建立这二者间的关系。然而，必须记住，壁面上传热的物理机理是一导热过程。 为描述对流换热的整体效应，应用牛顿冷却定律公式 (1-4) 这里，热流量与壁面和流体间的整体温度差以及表面积A有关。参数h称为对流换热系数，式(1-4)是其定义式。对某些传热过程，可获得h的分析表达式，而复杂情形下的传热系数必须通过实验研究来确定。 7 式(1-4)表明，当热流量的单位为W时，h的单位为W/(m2?℃)。 如果将热平板置于没有外部风源的房间空气中，平板附近的密度梯度将造成空气运动。我们称此换热过程为自然对流，以区别于风扇吹扫平板表面时形成的强制对流。沸腾和凝结现象也属于对流换热的范畴。 1.3.3 辐射换热 对于导热和对流换热，其热量传递需要介质才得以进行，与此不同的是，热量也可以在完全真空中传递，其传热机理是电磁辐射。我们将讨论限定在由温差导致的电磁辐射，即所谓的热辐射。 热力学研究表明，对于理想的热辐射体或黑体，其辐射力正比于物体绝对温度的四次方及其表面积，因此有公式(1-5) 式中，?为比例系数，称为斯忒藩－玻耳兹曼常数，其值为5.669×10-8 W/(m2·K4)。式(1-5)称为热辐射的斯忒藩－玻耳兹曼定律，该式仅适用于黑体。值得注意的是，该表达式仅适用于热辐射，其它类型的电磁辐射要比该式复杂得多。 式(1-5)只能用于确定单个黑体的辐射能。两个表面间的净辐射换热量与其绝对温度四次方的差成正比，即公式 (1-6) 我们已经提到，黑体是按四次方定律辐射能量的物体。因其黑色的表面我们称之为黑体，如覆盖炭黑的金属片，就近似具有这种辐射特性。其它类型的表面，如有光泽的漆面或抛光的金属板，并不具有黑体那样大的辐射力，然而，这些物体的辐射力仍大致与T14成正比。为了考虑这些表面的“灰”特性，在式(1-5)引入另一个参数，称为发射率ε，发射率将这些“灰”表面的辐射与理想黑体的表面辐射联系起来。此外，我们必须考虑这样一个事实，并非一个表面发出的所有辐射都可以到达到另一个表面，因为电磁辐射是沿直线传播的，将有部分能量散失到周围环境中。因此，考虑到这两种情况，式(1-5)引入另外两个新的参数，则有公式 (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。换热器的换热面积与其体积之比称为面积密度β。β＞700 m2/m3的换热器归为紧凑式换热器。例如汽车散热器（β≈1000 m2/m3）、燃气轮机中的玻璃陶瓷换热器（β≈6000 m2/m3）、斯特林机的回热器（β≈15,000 m2/m3）以及人的肺部（β≈20,000 m2/m3）。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。 8 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大：从某一过程里1000磅/小时（0.126kg/s）到大型电厂超过10×106磅/小时（1260kg/s），压力从一些加热应用的14.7磅/ in2（1.0135bar）212F（100℃）到先进循环电厂的4500磅/ in2（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，以利用余热并提高热效率。 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。 9 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轮机做功。高炉排烟热量回收：利用高炉余热产生蒸汽。 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，但煤仍然是今后新的，基本负荷电站锅炉的主要燃料。 2.3.1 煤的分类 ? 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：从褐煤到贫煤、烟煤以及无烟煤。煤阶表明了煤的地质历史和主要特性。 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， 10