熱能與動力工程在鍋爐領域的應用

汪育超

摘要：鍋爐在工業生產中有很大的作用，可以有效進行能量的轉換，鍋爐的效率和能量利用率是衡量鍋爐技術的重要指標，鍋爐技術影響著整個工業化的發展。在鍋爐領域中科學的運用熱能與動力工程知識，可以提高鍋爐的效率與能量利用率，更好的推動社會的進步與發展。

關鍵詞：熱能；動力工程；鍋爐領域；鍋爐效率；能量利用

中圖分類號：TK22 文獻標識碼：A 文章編號：1674—3024（2016）14—185—02

前言

18世紀中葉，英國人瓦特改良了蒸汽機，蒸汽機是將蒸汽的能量轉換為機械功的往復式動力機械，蒸汽機是工業革命的標志，以此產生的一系列技術革命引起了從手工勞動向動力機器生產轉變的重大飛躍。后來，工業革命傳播到世界各國，其影響涉及人類社會生活的各個方面，使人類社會發生了巨大的變革，在發展生產力、在人同自然作斗爭方面具有劃時代的巨大歷史意義，對推動人類的現代化進程起到了不可替代的作用，把人類推向了嶄新的“蒸汽時代”。今天，蒸汽機發展成為被各行各業廣泛利用的鍋爐和汽輪機，是生產生活中最重要的原動力。

1鍋爐的介紹

鍋爐是一種能量轉換設備，可以使用煤、石油或天然氣甚至垃圾作為燃料，將燃料中的化學能轉換為蒸汽、高溫水或有機熱載體。鍋爐中產生的熱水或蒸汽可直接為工業生產或人們生活提供所需熱能，也可通過汽輪機轉換為機械能，或再通過發電機將機械能轉換為電能。提供熱水的鍋爐稱為熱水鍋爐，主要用于生活，工業生產中也有少量應用。產生蒸汽的鍋爐稱為蒸汽鍋爐，常簡稱為鍋爐，多用于火電站、船舶、機車和工礦企業。鍋爐在實際生活和工作中有很重要的作用，鍋爐的技術水平影響著工業化的發展進程，所以，如何能夠提高鍋爐的技術水平，是一個很有實際意義的研究方向。

2熱能與動力工程與鍋爐的關系

鍋爐包括鍋和爐兩大部分，鍋指在火上加熱的盛水容器，爐指燃燒燃料的場所，鍋爐內發生的是一個燃燒換熱的過程，而這些，恰瀹正是熱能與動力工程的主要研究內容。熱能與動力工程是多門科學技術的綜合，其中包括現代能源科學技術，信息科學技術和管理技術等，主要涉及熱能動力設備及系統的設計、運行、自動控制、信息處理、計算機應用、環境保護、制冷空調、能源高效清潔利用和新能源開發等工作，在實踐中應用很廣泛，擁有非常強的工程專業性。熱能與動力工程主要包括燃燒學、工程熱力學、傳熱學、傳熱與傳質原理、熱能與動力測試技術、熱工自動控制等，其根本目的就是研究能源之間的相互轉換規律以及如何更高效的利用能源。

3分析熱能與動力工程在鍋爐領域的應用

（1）燃燒學。燃燒學是研究燃燒現象、實踐和理論的科學。燃燒是涉及到化學、熱力學、傳熱傳質學和流體力學等問題的復雜過程。鍋爐的爐就是燃料燃燒的場所，燃料是否完全燃燒，燃燒是否充分，從本質上影響著鍋爐的效率。我國是一個煤炭資源發達的國家，煤炭在我國的能源結構中占有極大的比例，以煤炭為主的能源結構注定了燃煤鍋爐的數量大大超過其他形式的鍋爐。我國國土面積廣袤，在漫長的地質演變過程中，煤田受到多種地質因素的作用，由于成煤年代、成煤原始物質、還原程度及成因類型上的差異，再加上各種變質作用并存，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，根據煤的不同組成成分，運用燃燒學知識合理的計算煤燃燒所需要的氧氣量，合理配風，盡可能降低爐膛火焰中心位置，控制合適的燃燒溫度；根據原煤揮發分及時間調整給煤量，使煤量維持最佳值，讓煤在爐膛內充分燃燒；根據鍋爐負荷及時間調整燃燒工況，這些都是提高鍋爐效率的有效手段。

（2）傳熱學。傳熱學主要研究的是由溫差引起熱能傳遞的規律。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鍵所在。爐中燃料燃燒產生的能量經鍋爐爐膛傳遞給鍋中的水，單位時間內傳遞的熱量越多，鍋爐的效率越高。影響熱量傳遞主要有兩個因素，一個是傳熱效率，一個是傳熱面積。鍋爐中熱量傳遞的方式比較復雜，三種基本的傳熱方式導熱、對流、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。此外，不合適的換熱面積還會大大降低能量的利用效率，白白浪費很多能量。所以，科學的運用傳熱學理論，提高鍋爐內部的傳熱效率，同時按照鍋爐的蒸汽產量計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。工程熱力學主要研究的是熱能與機械能以及其他能量之間相互轉換的規律及其應用。鍋爐爐中燃料燃燒產生的能量經鍋爐爐膛傳遞給鍋中的水，產出蒸汽或者熱水。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、洗浴、采暖等；溫度及壓力較高的蒸汽往往不能被直接利用，通過推動汽輪機對外界做功的方式被人們利用。蒸汽推動汽輪機是一個復雜的熱力過程，運用工程熱力學知識對整個熱力過程進行分析研究，提高功與熱量的轉化效率，就能提高了能量的利用效率。同時，通過熱力學第一定律、熱力學第二定律和熱力學第三定律作為基礎對整個鍋爐的火用效率進行分析，雖然當今鍋爐技術較為成熟，鍋爐的熱效率一般達到了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，其實鍋爐對于燃料化學能的利用率并不高。如何運用熱力學知識，提高鍋爐的火用效率，提高能量的利用率，對鍋爐領域以及對于推動社會的發展與進步，都具有極其重要的意義。

熱能與動力工程中的其他知識如熱能與動力測試技術、熱工自動控制等在鍋爐領域中也有發揮著重要的作用，保障鍋爐正常、安全的運行。

4總結

以上是熱能與動力工程在鍋爐領域應用的簡要分析。可以看到，熱能與動力工程體現在鍋爐領域的方方面面，對于鍋爐領域有著極具意義的指導作用。隨著科學技術的發展，熱能與動力工程將會更好的指導鍋爐技術的發展，提高鍋爐的能量利用率，更好的推動社會的進步與發展。