燃油锅炉工作原理docx

  燃油锅炉工作原理 锅炉是能量转换设备，它是把燃料中的潜在能量，经过燃烧放出热量，经过传热作用传递给水，使水变成蒸汽(热水锅炉是将水加热变成一定温度的热水输出)的一种设备。根据所用的燃料，锅炉可分类为燃煤锅炉、燃油锅炉和燃气锅炉。所以燃油锅炉只是锅炉设备的一种。燃油锅炉最基本的部件是“锅”与“炉”两大部分。锅是锅炉设备中的汽水系统，是水变成汽(或热水)的吸热部分；炉是锅炉设备中的燃烧系统，是油与空气发生化学反应产生高温火焰和烟气的放热部分。“锅”与“炉”，一个吸热(油经燃烧放出热能，尽可能最大限度地被吸收)，一个放热(使油尽可能最大限度地燃尽，把热能最大地释放开来)，它们组成了一套完整的设备。燃油锅炉的工作包括以下三个过程：油不断剧烈氧化的燃烧过程；火焰和高温烟气不断把热量传递给锅内水的传热过程；水在锅内不断流动循环，吸热升温的汽化(热水锅炉达不到沸腾温度)的水循环过程及汽化过程。这三个过程在锅炉内不断连续进行，是通过包括锅炉附属设备及仪表附件等二个工作系统来实现的。这二个系统是汽—水系统和油—风—烟系统。见图1—1。 ?图l—1 燃油锅炉的工作原理简图 汽—水系统是以受热面的锅炉本体为中心，与水泵、水处理设备等附属设备组成的工作系统，担负着向锅炉供水、吸取热量到输出蒸汽(或热水)的任务。油—风—烟系统是以炉膛及燃烧设备为中心，与风机等附属设备组成。这个系统在炉内形成燃料放热，然后将燃烧产物排出。 燃油锅炉的基本信息参数 反映燃油锅炉工作特性的基本信息参数，包括锅炉产生蒸汽的数量(蒸发量)和质量(压力、温度)两个方面的指标。一、蒸发量锅炉在确保安全的前提下长期连续运行，每小时所产生的蒸汽的数量，称为这台锅炉的蒸发量。蒸发量又称为“出力”或“容量”，常用的单位是“吨/小时” (t/h)。进口锅炉也有使用“马力”(HP)或“磅/小时”。其关系是： 1马力=15．65公斤／小时=34．5磅／小时 蒸发量有最大蒸发量、经济蒸发量与额定蒸发量之分。最大蒸发量是指锅炉在连续运行中，不考虑其经济效果，每小时最多能产生的蒸汽量。经济蒸发量是指锅炉在连续运行中，热效率达到最高时的蒸发量，一般约为最大蒸发量的75％～80％。额定蒸发量，是指锅炉采用设计的燃料品种，并在设计参数下运行，也就是在规定的蒸汽质量(压力、温度)和一定的热效率下，长期连续运行时，每小时所产生的蒸汽量。新锅炉出厂时，铭牌上所标示的蒸发量，指的就是这台锅炉的额定蒸发量。锅炉蒸发量的大小，主要根据受热面的大小。锅炉受热面，是指锅炉盛水或蒸汽的受压元件，如锅筒、水管、烟管等，受到火焰或烟气加热的表面积。受热面积越大，吸收的热量越多，产生的蒸汽量也就越多。对热水锅炉反映出力的是供热量。热水锅炉在确保安全的前提下长期连续运行，每小时出水的有效带热量，称为这台锅炉的额定供热量，单位是热功率“兆瓦”。以前用的单位是万千卡／小时，两者的换算关系是，热水锅炉产生0．7兆瓦相当于蒸汽锅炉产生1吨/小时的蒸汽的热量。二、压力垂直均匀作用在物体表面上的力，称为压力，单位是“牛顿(N)”，过去用公斤力(kgf)表示。1公斤力=9．81牛顿。垂直均匀作用在物体单位面积上的压力，称为压强，单位是兆帕(MPa)。过去是用公斤力／厘米2表示。1公斤力／厘米2=0．0981兆帕。在习惯上，常把压强称为压力，因此本书中所提到的压力，实际上应是压强。在自然界中，空气是具有重量的，因此，空气中的任何物体，在任何方向上都会受到空气的压力，这种压力称为大气压力。在标准状态下，即当温度为0℃时，在海平面(海拔等于零)处，1大气压等于76厘米水银柱高的重量，也等于每平方厘米的面积上承受10．134牛顿力，相当0．101兆帕。在物理学中，把相当于0．101兆帕(1．033公斤力／厘米2)的压力，叫作1标准大气压或1物理大气压。测压有两种标准；一种是以零压(压力等于零)作为测量起点，称为“绝对压力”；另一种是以当时当地的大气压力作为测量起点，也就是用弹簧管压力表测出的压力数值，称为“表压力”或“相对压力”。因此，绝对压力等于表压力加上当地大气压力。锅炉上应用的压力都是表压力。锅炉内为何会有压力呢?这是因为锅炉内的水吸收热量后，由液体状态变成气体状态，其体积要增大很多(如在1绝对大气压下，其体积将增大1650倍)，但锅炉是密闭的容器，因而限制了水汽的自由膨胀，结果就使锅炉钢板受到了汽水作用的压力。锅炉铭牌上载明的“设计工作所承受的压力”，就是指的表压力，表明锅炉内部的水和蒸汽超过大气压力的数值。锅炉的设计工作所承受的压力，是根据所用金属材料的强度和受压元件的几何形状以及受力特点等条件，依照国家颁布的有关强度计算标准，对各个受压元件分别进行计算，然后从中选出一个所能承受压力的最低值，作为这台锅炉的最高允许使用压力。锅炉设计工作所承受的压力又可称“额定出口蒸汽压力”。三、蒸汽温度表示物体冷热的程度称为“温度”，温度是物体内部拥有能量的一种体现方式，温度越高，能量越大。用来测量温度的仪表叫做温度计，它是根据液体(水银或酒精)热胀冷缩的性质制成的。常用摄氏温度计，是在标准大气压下，把水结冰时的温度(冰点)定为零度，把水沸腾时的温度(沸点)定为100度，在两者之间平均分成100格，每格即是1度，记作1℃。锅炉金属铭牌上载明的蒸汽温度，即是用摄氏温度标出的。对于小型锅炉，使用的蒸汽绝大多数是从锅筒上部的主蒸汽阀直接引出的，其蒸汽温度，是指该锅炉工作所承受的压力下的饱和蒸汽温度。? 锅炉的传热 一、热量与比热热量是物体所含有的热能数量，热量的多少不仅与物体本身的温度有关，还与其重量和性质有关。热量的单位是“焦耳(J)”，焦耳的1000倍称为千焦。过去用的单位是“千卡”，两者的换算关系是：1千卡=4．18千焦。单位重量的物质，温度上升1℃时所吸收的热量，称为该物质的“比热”，常用的单位是“千焦／公斤度”。例如，水的比热为4．18焦耳／公斤度(1千卡／公斤度)，钢的比热为0．5千焦／公斤度(0．12千卡/公斤度)。二、传热方式 在燃油锅炉中，燃烧是基础，产生蒸汽或热水是目的，这两者是通过传热联系起来的。油在炉内燃烧产生出的热量，由火焰或烟气通过金属壁(受热面)传给水、蒸汽或空气(介质)的过程，称为“传热”。传热总由高温物体向低温物体进行，两个物体的温度差越大，传热速度越快，效果就越好。传热方式有导热、对流和辐射三种。1．导热导热是同一物体内或两个不一样的温度的物体相接触时，热量从高温部分传给低温部分的过程。例如：锅炉水管的外壁受烟气加热后，热量很快传导给内壁，然后供炉水吸收。各种物体导热的性能是不相同的。善于导热的物体称为“热的良导体”，如铜、铝、铁等金属；不善于导热的物体称为“热的不良导体”或称“绝热体”，如水垢、空气、石棉??。2．对流对流是液体或气体依靠其本身的流动来达到热量传递的过程。例如，使用热水冲淋浴，当水冲到身上时，身体就会感到热量的传递。在锅炉内，由于热水上升或冷水下降，在循环流动中传热，使全部锅水的温度逐步升高。3．辐射辐射是高温物体不通过接触或流动，直接将热量向四周散发给低温物体的过程。例如，太阳的热量是通过辐射的方式传给地球的；锅炉炉膛内，火焰温度很高，对炉胆内壁进行辐射传热。辐射传热的效果与热源温度的四次方成正比。在锅炉实际运行中，传热方式不只是导热、对流、辐射传热中的一种，是几种传热方式都存在的，在炉膛中，存在着火焰对炉的辐射传热，也存在着高温烟气的对流传热，但以辐射传热方式为主；在烟管中，存在着烟气的对流传热，也存在着烟气的辐射传热，但以对流传热为主。三、热胀冷缩与热应力物体受热后体积增大，遇冷后体积收缩的现象称为热胀冷缩。在自然界中，绝大多数物体都有热胀冷缩的性质，例如铜、铁等金属以及水等液体都会热胀冷缩。锅炉是受热后膨胀，遇冷后收缩。所以，锅炉从设计、制造、安装、使用都应注意这样的一个问题。锅炉从冷态到正常运行膨胀是很明显的，如不留伸缩位置，非常容易导致锅炉损坏渗漏。例如，有一台锅炉的锅筒长度4m，使用1．3MPa表压力，锅炉运行长度伸长约8mm。为了补偿热胀冷缩的变化，锅筒安装时一端固定，另一端采用活动吊挂或活动滚动支承。如果我们限制锅筒受热后伸长，锅筒在长度方向每平方厘米的金属截面上会产生4200公斤的热应力，这个热应力远大于材料许用应力，其损失后果是不堪设想的。 水与水蒸气 一、水的性质水是由氢和氧两种元素化合而成的，其化学分子式是H2O。纯净的水在常温下是无色无臭透明的液体，具有一定的体积，但没固定的形状。随着温度的变化，水会呈现液态(水)、气态(水蒸气)和固态(冰、霜、雪)三种形态，它们之间互相转化的关系，如图1—2所示。水在1个标准大气压下，温度为4℃时，体积最小，比重最大(1克／厘米3)。从4℃起，温度上升或下降，其体积均要膨胀，比重减小。所以，北方冬季停用的锅炉和管道内不要存水，以免结冰后体积膨胀，冻坏设备。水的比热为4．18千焦／公斤度，较其它液体大，即少数的水温度上升时吸收的热量比其它液体在相同情况下所吸收的热量多。所以，经常利用水作为冷却或吸热的介质。水在连通器内(图1—3)当水面上压力相等时，各处的水面始终保持相平。锅炉上的水位表，是利用这个原理，通过观察水位表，知道锅炉里水位的高低。 ?图1—2 水的三态变化?图1—3 连通器 水在密闭的容器内，受到外加压力时，本身的体积就没有缩小，但能均匀地对各个方向传递压力。锅炉水压试验是利用这一原理进行的，以检查锅炉内各部分的强度和严密性。水在容器内对任何方向都有压力，并且在同一深度时，对各方向的压力都相等；深度增加，压力也增加。所以，在同一锅炉上，如果压力表安装的位置高低不同，指示的压力值也不同；高度相差1米，压力就相差0．01MPa(0．1公斤力／厘米2)二、饱和水与水蒸气的性质1．饱和水、饱和蒸汽与过热蒸汽水由液态转化为气态的过程称为汽化。汽化通过蒸发与拂腾两种办法来进行。蒸发是水在自由表面上缓缓地汽化，在任何温度下都持续进行。沸腾是水在表面和内部一起进行剧烈的汽化，只有当温度达到沸点时才会发生。在很多压力下，对水不断加热，水温相继上升，最后达到饱和温度(简称沸点)。这种具有饱和温度的水称为饱和水。饱和温度与压力有关，随着压力升高，饱和温度也相应升高，也就是一定的压力对应一定的饱和温度。见表1—1。在表中可以查得：在绝对压力0．1MPa时，水的饱和温度是99.96℃；在绝对压力1．OMPa时，水的饱和温度是179．88℃；在绝对压力2．OMPa时，水的饱和温度是212．37℃。 表1—1 饱和水、饱和蒸汽表 绝对压力PMPa(kgf/cm2) 饱和温度(℃) 饱和水焓(kJ/kg) 饱和汽焓(kJ/kg)汽化潜热(kJ/kg) 0.1(1.02)99.6417.4267522580.2(2.04)120.23504.8270722080.3(3.06)133.54561.4272621640.4(4.08)148.62604.7273821330.5(5.10)151.84640.1274921090.6(6.12)158.84670.5275720860.7(7.14)164.96697.2276420670.8(8.16)170.42720.9276920480.9(9.18)175.35742.8277420311.0(10.20)179.88762.7277820151.1(11.22)184.05781.1278120001.2(12.24)187.95798.3278519871.3(13.27)191.60814.5278719731.4(14.29)195.04830.0279019601.5(15.31)198.28844.6279219471.6(16.33)201.36858.3279319351.7(17.35)204.30871.6279519231.8(18.37)207.10884.4279619121.9(19.39)209.78896.6279819012.0(20.41)212.37908.5 279918912.5(25.51)223.03961.828021840在很多压力下，对饱和水继续加热，饱和温度保持不变，但水陆续转化为水蒸气，这种具有饱和温度的水蒸气称为饱和蒸汽。对饱和蒸汽继续加热，使其压力不变，只是提高温度，便会产生过热热，这种具有过热热的蒸汽称为过热蒸汽。2．湿度与干度通常在饱和蒸汽中或多或少带有一些水分，故饱和蒸汽其实就是蒸汽和水的混合物．通常称为湿蒸汽。而不含水分的蒸汽，称为干蒸汽。湿蒸汽中含水量与总重量的比值，称为蒸汽的湿度。湿蒸汽中蒸汽的重量与总重量的比值，称为蒸汽的干度。显然，对于同一湿蒸汽，其湿度与干度之和等于1。例如，若某蒸汽的湿度为3％，则其干度为97％，表明在每公斤的饱和蒸汽中含有0．03公斤的水和0．97公斤的干蒸汽。表示蒸汽纯洁程度称为蒸汽品质，而湿度是衡量蒸汽品质好坏的一个重要指标。湿度过大不仅会降低蒸汽品质，影响使用效果，而且可能在蒸汽供热管道内发生水击现象，使管道剧烈震动以至损坏；若流入过热器，还会使过热器管结垢烧坏。在工业锅炉中对蒸汽温度的要求，水管锅炉应控制在3％以下，锅壳式锅炉应控制在5％以下。3．液体热、汽化热与焓在一定的压力下，使1公斤的水从0℃加热到饱和温度所需要的热量，称为液体热或称显热，单位是千焦／公斤。液体热仅用于提高水的温度，不能改变水的形态，它与压力有关，压力越高，液体热就越大。在一定的压力下，使1公斤的饱和水完全汽化，变为相同温度的干饱和蒸汽所需要的热量，称为汽化热，又称蒸发热或潜热，单位是千焦／公斤。汽化热仅增加汽化量，而不提高蒸汽的温度。它也与压力有关，但压力越高，汽化热则越小。在很多压力下，使1kg的水从0℃；加热到任一状态下的水或蒸汽，所吸收的总热量称为该状态下水或蒸汽的焓，单位也是千焦／公斤。干饱和蒸汽的焓等于饱和水的焓与汽化潜热之和。例如：在表压力1MPa，由表1—1可以查出饱和水的焓781kJ／kg，汽化潜热2000kJ／kg，它们之和正是相同压力下饱和蒸汽焓值2781kJ／kg。三、水循环1．自然循环的原理锅炉在运行中，只有在炉膛及高温烟道内的受热面所接受热量不断被锅水再吸收，保证得到可靠的冷却，才可以做到安全和经济运行的目的。这就要求锅炉中的水或汽或汽水混合物必须在闭合的回路中持续而有规律地流动，也就是要连续不断进行水循环。低、中压锅炉的水循环，一般都是由于锅炉内各部分吸收的热量不相等，而使炉水产生了重度差形成的，这种循环为自然循环。如图1—4所示。 ?图1—4 单回路水循环示意图 锅炉的锅筒和下集箱由左右两根炉管连通，其中下降管位于炉墙外不受热，因而管中是温度较低的水，由于重度大而向下流动，上升管位于炉膛内，吸收热量，管中的水有一部分汽化成气泡，形成气水混合物，由于重度减小而向上流动，上升管中的气水混合物进入锅筒后，蒸汽被分离出来，水继续流入下降管进行再循环。在一台锅炉内，水循环的回路至少是一条，也可以有几条。 自然循环时，水经过一个循环周期是不可能全部变成蒸汽的，通常汽化的只能是其中的很少部分。进入循环回路的水量，称为“循环流量”，它与该回路产生的蒸汽量的比值，称为“循环倍率”。即： ? 对于工作所承受的压力1．25MPa，蒸发量10t／h以下的小型锅炉，循环倍率约在150～200之间。水循环好的锅炉，各受压部件受热均匀，热应力小，锅水的升温和汽化可以加快，从而缩短点火至正常供汽的时间。改善锅炉水循环，是保证锅炉安全、经济运行的关键之一。当锅炉结构不合理或运行不当时，有可能会出现下列水循环故障：(1)汽水分层。当锅炉的水冷壁管水平设置时，管中流动的汽水混合物因蒸汽比水轻，气泡就要上浮集聚，使蒸汽和水在管子内分层流动。由于蒸汽的导热性能差，管子上部容易过热烧坏。因此，水冷壁管经过炉膛顶部时的倾斜角，一般不应小于15°。(2)汽水停滞。由于结构问题导致锅炉局部受热面管子供水不足，或者在同一个水循环回路的上升管群中，如果各水管之间受热情况相差太大，就会使受热弱的管内水流缓慢，循环动力不足，甚至由于受其他管子对循环水的争夺影响，使管内介质停止流动，出现汽水停滞，造成过热爆管事故。因此，对锅炉的结构和运行，应保持供水充足并尽量使每排管子均衡吸热，保证水循环畅通。(3)下降管带汽。为了能够更好的保证锅炉的水循环稳定可靠，下降管中是不允许有带蒸汽的。否则，水要向上浮，两者互相顶撞，既增加了阻力，又减少了???环水量，会造成缺水事故，将管子烧坏。因此，下降管口与锅炉最低水位间的高度一般不宜小于下降管直径的4倍，最好将下降管接在上锅筒的底部，以免由于锅水进入下降管时产生的抽力，把蒸汽带进管内，或者由于锅水在下降管入口处的流速加快后压力降低，而自行汽化。3．强制水循环有些锅炉中水在受热面管子里的流动，是靠出入口之间的压力差，造成强制流动的。这种水循环方式称为强制循环，这种锅炉称为强制循环锅炉。如日本产三浦小型锅炉、美国克莱顿锅炉和常见的一些热水锅炉等。靠循环水泵，将水沿固定的流通路线，在锅炉内流动受热升温，一般会用“下进上出”水的流向，有些也用上下交替的流程，但都要求在各受热面内有一定的流动速度，以防止出现汽化、积垢和腐蚀。

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