实验三 能源设备热力系统分析实验报告

实验三 能源设备热力系统分析

课程：工程热力学

日期：2013.12.11

一、实验目的

1. 巩固课堂教学中讲授的工质热力学工质物理性质及其状态变化规律。

2. 加深理解热力学第一、第二定律等基本理论。

3. 学习供热系统试验台的基本原理和使用方法。

二、实验原理

现以能源设备锅炉热力系统中水受热、汽化的热力过程为例，阐述热力学的基本理论和定律。

由于水的密度比汽水混合物的大，利用这种密度差所产生的水和汽水混合物的循环流动，叫做自然循环。如图1所示，水自锅筒进入不受热的下降管，然后经下集箱进入布置于炉内的上升管；在上升管中受热后部分水汽化，汽水混合物则由于密度较小向上流动输回锅筒，如此形成了水的自然循环流动。任何一台蒸汽锅炉的蒸发受热面，都是由这样的若干个自然循环回路所组成。

图1 能源设备的蒸发受热面自然循环回路示意图

1-锅筒、2-集箱、3-下降管和4-上升管

回路中，由锅筒进入下降管的水不一定达到饱和温度，所以上升管下端s H 区段为加热水。上升管内的水在向上流动的过程中，一边受热一边减压，当到达汽化点Q 时，水温等于该点压力下的饱和温度，开始沸腾汽化。在Q 点以后，压力继续降低，汽化更剧烈，工质中含汽量随上升流动愈来愈多。因此，Q 点以后的这段q H ，是上升管的含汽区段，即汽水混合物区段。经历这样的循环之后，完成了水受热、汽化的热力过程。在这一过程中，工质吸收的热量全被用来增加系统的热力学能。

循环回路的总高度H 即为加热水区段s H 和含汽区段q H 之和，即

s q H H H =+ m (1)

三、实验仪器与设备

供热系统试验台。

图2 供热系统试验台的结构简图（略）

四、实验步骤

1. 掌握供热系统试验台的基本结构，了解燃料燃烧、烟气向水传热和水受热、汽化三个热力过程，重点掌握水受热、汽化热力过程。

2. 分别以空气、烟气、水蒸汽三种工质为例，对三者在热力过程中进行的能量与热量的守恒转换进行分析，从而更加深刻地掌握热力学基本定律。

3．水受热和汽化的热力过程

即蒸汽的生产过程，主要包括水循环和汽水分离过程。经过水处理的锅炉给水是由水泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入汽锅。锅炉工作时，汽锅中的工质是处于饱和状态下的汽水混合物。位于烟温较低区段的对流管束，因受热较弱，汽水工质的密度较大；而位于烟气高温区的水冷壁和对流管束，因受热强烈，相应地工质的密度较小，从而密度大的工质往下流入下锅筒，密度小的向上流入上锅筒，形成了锅水的自然循环。

此外，为了组织水循环和进行输导分配的需要，一般还设有置于炉墙外的不受热的下降管，借以将工质引入水冷壁的下集箱，再通过上集箱上的汽水引出管将汽水混合物导入上锅筒。

借助上锅筒内装设的汽水分离设备，以及在锅筒本身空间中的重力分离作用，使汽水混合物得到了分离；蒸汽在上锅筒顶部引出后进入蒸汽过热器，分离下来的水仍回落到上锅筒的下半部水空间。

五、数据处理

在水循环稳定流动的状态下，作用于图1中集箱A_A 截面两边的力平衡相等。假设此回路中没有装置汽水分离器；s H 区段加热水的密度和下降管中的水一样，都近似等于锅筒中蒸汽压力g p 下的饱和水密度ρ'，则A-A 截面两边作用力相等的表达式可写为 q xj ss ()g p g+g p g s q g s q p H H p H H ++ρ'-∆=+ρ'ρ-∆ pa (2)

式中 g p ——锅筒中蒸汽压力，Pa ；

ρ'——下降管和加热水区段饱和水的密度，kg ／m 。；

q ρ——上升管含汽区段中汽水混合物的平均密度，kg ／m 。；

xj p ∆、ss p ∆——分别为下降管系统和上升管系统的流动阻力，Pa 。

六、结果分析

经移项整理，便可得到下式：

q xj ss g()=P +P q H ρ'-ρ∆∆ Pa (3)

上式左边是下降管和上升管中工质密度差引起的压头差，也就是自然循环回路的推动力，称为水循环的运动压头。等式的右边，恰好是循环回路的流动总阻力。这样，此式的物理意义十分明确：当回路中水循环处于稳定流动时，水循环的运动压头等于整个循环回路的流动阻力。

七、心得