热能与动力工程在锅炉领域的应用

汪育超

摘要：锅炉在工业生产中有很大的作用，可以有效进行能量的转换，锅炉的效率和能量利用率是衡量锅炉技术的重要指标，锅炉技术影响着整个工业化的发展。在锅炉领域中科学的运用热能与动力工程知识，可以提高锅炉的效率与能量利用率，更好的推动社会的进步与发展。

关键词：热能；动力工程；锅炉领域；锅炉效率；能量利用

中图分类号：TK22 文献标识码：A 文章编号：1674—3024（2016）14—185—02

前言

18世纪中叶，英国人瓦特改良了蒸汽机，蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械，蒸汽机是工业革命的标志，以此产生的一系列技术革命引起了从手工劳动向动力机器生产转变的重大飞跃。后来，工业革命传播到世界各国，其影响涉及人类社会生活的各个方面，使人类社会发生了巨大的变革，在发展生产力、在人同自然作斗争方面具有划时代的巨大历史意义，对推动人类的现代化进程起到了不可替代的作用，把人类推向了崭新的“蒸汽时代”。今天，蒸汽机发展成为被各行各业广泛利用的锅炉和汽轮机，是生产生活中最重要的原动力。

1锅炉的介绍

锅炉是一种能量转换设备，可以使用煤、石油或天然气甚至垃圾作为燃料，将燃料中的化学能转换为蒸汽、高温水或有机热载体。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产或人们生活提供所需热能，也可通过汽轮机转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，常简称为锅炉，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。锅炉在实际生活和工作中有很重要的作用，锅炉的技术水平影响着工业化的发展进程，所以，如何能够提高锅炉的技术水平，是一个很有实际意义的研究方向。

2热能与动力工程与锅炉的关系

锅炉包括锅和炉两大部分，锅指在火上加热的盛水容器，炉指燃烧燃料的场所，锅炉内发生的是一个燃烧换热的过程，而这些，恰瀹正是热能与动力工程的主要研究内容。热能与动力工程是多门科学技术的综合，其中包括现代能源科学技术，信息科学技术和管理技术等，主要涉及热能动力设备及系统的设计、运行、自动控制、信息处理、计算机应用、环境保护、制冷空调、能源高效清洁利用和新能源开发等工作，在实践中应用很广泛，拥有非常强的工程专业性。热能与动力工程主要包括燃烧学、工程热力学、传热学、传热与传质原理、热能与动力测试技术、热工自动控制等，其根本目的就是研究能源之间的相互转换规律以及如何更高效的利用能源。

3分析热能与动力工程在锅炉领域的应用

（1）燃烧学。燃烧学是研究燃烧现象、实践和理论的科学。燃烧是涉及到化学、热力学、传热传质学和流体力学等问题的复杂过程。锅炉的炉就是燃料燃烧的场所，燃料是否完全燃烧，燃烧是否充分，从本质上影响着锅炉的效率。我国是一个煤炭资源发达的国家，煤炭在我国的能源结构中占有极大的比例，以煤炭为主的能源结构注定了燃煤锅炉的数量大大超过其他形式的锅炉。我国国土面积广袤，在漫长的地质演变过程中，煤田受到多种地质因素的作用，由于成煤年代、成煤原始物质、还原程度及成因类型上的差异，再加上各种变质作用并存，致使我国煤炭品种多样化。不同品种的煤，理想的燃烧状况是不一样的，根据煤的不同组成成分，运用燃烧学知识合理的计算煤燃烧所需要的氧气量，合理配风，尽可能降低炉膛火焰中心位置，控制合适的燃烧温度；根据原煤挥发分及时间调整给煤量，使煤量维持最佳值，让煤在炉膛内充分燃烧；根据锅炉负荷及时间调整燃烧工况，这些都是提高锅炉效率的有效手段。

（2）传热学。传热学主要研究的是由温差引起热能传递的规律。锅炉炉中的燃料充分燃烧之后，释放出大量的能量，温度很高，如何高效率的利用这些能量，是提高锅炉效率的关键所在。炉中燃料燃烧产生的能量经锅炉炉膛传递给锅中的水，单位时间内传递的热量越多，锅炉的效率越高。影响热量传递主要有两个因素，一个是传热效率，一个是传热面积。锅炉中热量传递的方式比较复杂，三种基本的传热方式导热、对流、辐射都有，且互相影响。如果传热效率不高，那么若要保证锅炉的蒸汽产量，只能增大锅炉的传热面积，即增大锅炉的炉膛面积，从而增加锅炉的占地面积以及高度，大大增加锅炉的制造成本，造成资源浪费。此外，不合适的换热面积还会大大降低能量的利用效率，白白浪费很多能量。所以，科学的运用传热学理论，提高锅炉内部的传热效率，同时按照锅炉的蒸汽产量计算出合理的换热面积，是提高锅炉效率的有效手段。

（3）工程热力学。工程热力学主要研究的是热能与机械能以及其他能量之间相互转换的规律及其应用。锅炉炉中燃料燃烧产生的能量经锅炉炉膛传递给锅中的水，产出蒸汽或者热水。较低压力和温度的蒸汽以及热水往往是可以直接用于生产、洗浴、采暖等；温度及压力较高的蒸汽往往不能被直接利用，通过推动汽轮机对外界做功的方式被人们利用。蒸汽推动汽轮机是一个复杂的热力过程，运用工程热力学知识对整个热力过程进行分析研究，提高功与热量的转化效率，就能提高了能量的利用效率。同时，通过热力学第一定律、热力学第二定律和热力学第三定律作为基础对整个锅炉的火用效率进行分析，虽然当今锅炉技术较为成熟，锅炉的热效率一般达到了80-90%，但是锅炉的火用效率一般在50%左右（火用又叫有效能，代表能量的品位，指确定某指定状态下给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，其实锅炉对于燃料化学能的利用率并不高。如何运用热力学知识，提高锅炉的火用效率，提高能量的利用率，对锅炉领域以及对于推动社会的发展与进步，都具有极其重要的意义。

热能与动力工程中的其他知识如热能与动力测试技术、热工自动控制等在锅炉领域中也有发挥着重要的作用，保障锅炉正常、安全的运行。

4总结

以上是热能与动力工程在锅炉领域应用的简要分析。可以看到，热能与动力工程体现在锅炉领域的方方面面，对于锅炉领域有着极具意义的指导作用。随着科学技术的发展，热能与动力工程将会更好的指导锅炉技术的发展，提高锅炉的能量利用率，更好的推动社会的进步与发展。