文章编号：1002-6673 (2019) 02-039-03
Development & Innovation of Machinery & Electrical Products
Vol.32,No.2M$%.，2019
供热锅炉系统热力学分析
陈#，林婵，陈蒙，李康，相虎昌，张庆伟
(中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津
300074)
摘要
：随着国家对大气环境认识越来越深刻，对供热锅炉排放要求也就越来越严格。在这样的时代背景下，
论文研究对象为燃煤及燃气供热锅炉，主要基于热力学第一、第二定律的烟分析，从有用能损失或对环境而言可利用能量的传递等角度，分析供热锅炉的特性，并得出一系列结论。对不同类型锅炉，包含燃煤热水、燃煤 蒸汽、燃气热水及燃气蒸汽锅炉，对锅炉系统进行整体黑箱式建模，利用外部数据进行m用平衡计算，得出过程 的
率
，并对比分析得出结论。
关键词
：燃煤锅炉；燃气锅炉；mn; mn效率；烟流图
：TK123
文献标识码
中图分类号
：A d〇i:10.3969/j.issn.1002-6673.2019.02.014
CHEN Chong，LIN Chan，CHENMeng，LI Kang，XIANG Hu-Chang，ZHANG Qing-Wei
North China Municipal Engineering Design & Research Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300074，China)
Abstract ： With the more and more profound understanding of the atmospheric environment，the emission requirements of heating boilers become more and more stringent. In this context，the main research object of this paper is coal-fired and gas-fired heating boilers. Based on the analysis of the second law，the characteristics of heating boilers are analyzed from the angle of loss of useful energy or transfer of available energy to the environment，and a series of conclusions are drawn.For various types of boilers，including coal-fired hot water，coal-fired steam，gas-fired hot water and gas-fired steam boilers，the overall black-box model of the boiler system is built，and the balance calculation is carried out by using external data， the efficiency of the process is obtained， and the conclusion is drawn through comparative analysis.Key words ：coal-fired boiler % gas-fired boiler % rake % rake efficiency % rake flow chart
(
Thermodynamic Analysis of Heating Boiler System
0引言
随着国家对大气环境认识越来越深刻，对供热锅炉 排放要求也就越来越严格，提高锅炉的热效率，对节能减 排，提高能源利用率有着非常大的意义。本文针对不同类 型锅炉，包含燃煤热水、燃煤蒸汽、燃气热水及燃气蒸汽 锅炉，进行热力学分析及比较，进而得出普遍情况下不同 类型(燃料、介 热
的设
型、
）供热锅炉的热效率 热效率的提高有
，以对供。
态时，能够最大限度转换为有用功的那部分能量称之为 用。
学
成分相同的
。
种能量，具有能的量纲和属性，与姻相反，凡一
切不能
能
为姻的能 =姻+
无
为火无。
能
量看作是由姻与火无所组成，BP:1.2姻效率
环境 ，
环境的
环境 、力
热 而
、环境的
。通常取大气、 水条件作为环境
1热力学原理[1]
1.1姻的概念姻
述为:在除环境外无其它热源的条件下，当
系统由任意状态可逆地变化到与给定的环境相平衡的状
修稿日期作者简介
1.2.1姻效率的概念
在 效率，用
设进行过程中，被利用或收益的姻E^
义为该系统火设备的姻
与支出或耗费的姻E„的比
！e表本：
热力学
，
不
程 要
用
：
2019-03-01
：陈\"（1984-)，男，浙江宁波人，工程师。从事集中供
热、楼宇暖通工程设计。
39
•产品与市场•
的损失，但是系统或过程必须遵守姻平衡的原则，所以耗 费姻与收益火用>差即为系统或设备中进行的不可逆过程 所引起的火用损失：
E；_Epay-Egain
⑵
由此，姻效率可以写成：
E pEp
ayi=l-i=l_\"
(3)式中称Epay
为姻损失系数。因此，姻效率是利用份额;姻损失系数是损失份额。
1.2.2姻效率的意义(1) [l0
根据热力学第二定律，任何系统或过程的火用效
率不可能大于1。对于理想的可逆过程，由于火用损失等于
零，故火用效率等于l，即！e_l(可逆过程）。对于不可逆过 程！e 大， 火用损失大，过程的不 可逆性越大，所以火用效率的大小指明了改善过程热力学 完善程度的可能性，可以指导人们采用合适的过程或改进 设备等措施以减过程中的姻损失，提火用的用程度。 火用效率反映火用的用程度， 能的或 设备或热力过程的完善程度，所以是 种实际过程热力学完善度的统一标准或统一尺度。这是 应用火用概念所具有的特殊意义。 (2) 稳定流动（开口）系统可用火用效率来表达在热 力系统或热工设中火用的利用程度，或系统中进行热力 过程的热力学完善程度[3]。 2燃煤及燃气锅炉理论分析 2.1姻流图 2.2热力学第一定 供水: 律分析[M e< 烟气1 e#y 空气: 锅炉 列锅炉质量守恒: a e- B+ma_mpy+mh9 (4) 给水: 能 l关系式： 图 锅炉系统能流示意图 Fig.l Schematic diagram of boilersystem energy flow DhgS+maha +BQ 热水热效率(不考虑余热利用）： ^ _!e_ D(BQre hgS-hgw) ⑹ 2.3热力学第二定律(姻分析)[640 Deg图wl+Ber+ma为锅炉姻 ea_Degs+mpyepy+E! 。 的姻平衡式为： (7) 40 的姻效率： ! _ P+ Ber+ma(ea5~eg>ea) mCBer+maTew+E! ea (B) 上式中，若选取空气进人锅炉时的温度为环境温度， 则上式变为： _ D(egBe(kgs);Ma —空气质量流量(kgs);?Mw— 烟气质量流量(kg/s); E*燃料的比火用（kj/kghegw+eg— 火用、 火用 (kj/kg);ea、epy—空气比姻、 火用（kJ/kg$;E「锅炉火用 损失(kj/kg)。 3燃煤及燃气锅炉实例分析 3.1燃煤及燃气锅炉实例数据 为研究不 不同吨位情况下的热效率及姻 ， 耗姻 姻， 实际 的 姻效率[50。 3.2燃煤及燃气锅炉计算分析 利用 《锅炉房实用设计手册》(第二版）的原始数据进行 ，可以出不 的消耗火用、 火用火用效率。以上的计算分析可知，煤热水锅炉整体火用效率 低于蒸汽 ，是因为蒸汽 般于热，致不 可逆性降低。40t/h蒸汽锅炉火用效率急剧增高的原因是 蒸汽参数较，为2.45MPa，400°C。并且姻效率随着吨位 增加逐渐升。 热 整体姻效率低于蒸汽锅炉，火用效率随着锅炉吨位增加逐渐升高，需特别指出，火用效率一般与 出参数变化 。 由图2可知， 热水锅炉整体火用效率高于燃煤热 水锅炉，主要原因就是 的热效率于煤 ，致在燃烧等热量的 ， 生成 物的量大于燃煤 。 图 2燃煤及燃气热水锅炉娜效率对比分析图 Fig.2 Contrastive analysis diagram of raw efficiency of coal-fired and gas-fired hot water boilers •产品与市场• 由图3可知，燃气锅炉的姻效率并不一定全部大于炉；在吨位相同情况下，蒸汽锅炉*+效率高于同燃料热 水锅炉的*+效率；*+效率不仅取决于热效率（物质的 量），同时也取决于生成物的品质（物质的质）；大致清楚 丨各类型锅炉的姻效率一般处于0.25~0.5,低于热效率很 多。 最后通过计算烟气总姻值，并对比分析燃煤燃气锅 炉测试结果，可以 燃煤锅炉小， 参考文献： 燃气锅炉热产生烟气的姻值比。 图3燃煤及燃气蒸汽锅炉姻效率对比分析图 Fig.3 Contrastive analysis diagram of raw efficiency of coal- fired and gas-fired steam boilers [1] 闻雪平.棚理论在燃煤电站锅炉经济环保性能综合评价中的应 用研究[D].上海电力学院，2013.[2] ， .中国火力发电行业减排污染物的环境价值标准估 燃煤锅炉，还取决于生成物品质(产出蒸汽的焓值)\"#，$$在 生成物品质参数相近的前提下，燃气蒸汽锅炉整体*+效 率高于燃煤蒸汽锅炉。 算[J].环境科学研究，2003,1. [3] 董厚忱.姻分析与锅炉设计[J].动力工程，2008，1. [4] 敖永安，Marc A R0sen.用棚值来综合评估燃煤锅炉排放烟气污 的可行性[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2006,3. [5] 锅炉房实用设计手册编写组.锅炉房实用设计手册（第二版）[M]. 出版社，2001. 4结论 通过对一系列燃煤及燃气锅炉数据对比分析，我们 通过*+效率数据可以得出以下结论：在吨位相同，生成 物品质相近情况下，燃气热水锅炉*+效率一般高于燃煤 热水锅炉，燃气蒸汽锅炉*+效率一般高于燃煤蒸汽锅 1 [6] 赵冠春，钱立伦.火用分析及其应用[M].北京：高等教育出版社， 1984. [7] 朱明善.能量系统的姻分析[M].北京：清华大学出版社，1988. (上接第7$)当直筒形约束的直名 相时， 低的激光功率密度时约束 过程，当激光功率密度继续增长快达到等 离子体吸收阈值时，约束开始对GAP工质的冲量耦合性： 能发挥起到负面作用，继续将约束直径增大至烧蚀 的1.5倍时， 的2倍， 步将 作用下的冲量耦合性能得到了较 大的提高，为进一步探索，将约束直径增大至烧蚀 作用下的冲量耦合系数得到了进一步的大至 率 的2.(倍甚至3倍后，直时性有限提高。S 冲量 而提高，在长 的GAP 丨 提高，最佳冲量耦合系数相比于无约束时提高11%，进一 约束提高冲量耦合性能的作用明显减弱，相比于无约束： ，仅仅在高 束的长系列实验表明，长度也是 最佳长时，冲量耦合性随长度的 sion [J]. Journal of Propulsion & Power，2010,4. [2] 洪延姬.用于微小卫星姿轨控的激光烧蚀微推力器[J].装备学院 学报，2013,6. [3] 洪延姬，王广宇，窦志国.激光烧蚀微推力器研究进展[J].航空学 报，2009,9. [4] Pakhomov A V，Thompson M S，Gregory D A. Ablative Laser Propulsion % A Study of Specific Impulse，Thrust and Efficiency [C]. Beamed Energy Propulsion % First International S. American Institute of Physics，2003 % 194-205. [5] Phipps C R，Luke J R. Advantages of a ns - Pulse Micro - Laser Plasma Thruster [C]. Beamed Energy Propulsion. American Instituteof Physics，2003. [6] 叶飞，洪延姬，王广宇.激光微推进的靶特性研究进展[J].推进 技术，2009,6. [7] Sinko J E，Sasoh A. Review of C02 Laser Ablation Propulsion with Polyoxymethylene[J]. International Journal of Aerospace Innovations， 2011，2. [8] 王殿恺，洪延姬，王广宇.掺杂聚合物的激光微烧蚀推进性能研 耦合性能的重要因素，验中在直筒形约束长度未达到 达到5>>，即约束长度与光斑直径之比达到5时，直 有了最佳的冲量耦合性能，相比于无 提高了 14.8%， 提升具有重要作用。参考文献： [1] Phipps C，Birkan M，Bohn W，et al. Review % Laser-Ablation Propul- i i 究现状[J].激光杂志，2009,5. [9] Lippert T，Urech L，Fardel R，et al. Materials for Laser Propulsion% Liquid Polymers [C]. High -Power Laser Ablation. Pcoceeding of SPIE，2008. 700512.1-700512.10 [10] 郑志远.激光等离子体推进技术[M].北京:科学出版社，2015. 蚀，真空环境中以GAP为工质的激光推进冲量耦合系数 对于 微推器性 41 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容