1、熱能與動力工程專業(yè)綜合性實驗指導(dǎo)書（鍋爐熱平衡部分）編寫教師：張志正、趙雪峰能源動力學(xué)院熱能動力實驗室鍋爐熱平衡實驗一、實驗?zāi)康腻仩t熱平衡實驗是熱能與動力工程專業(yè)領(lǐng)域一項重要的實驗。通過熱平衡試驗,測試鍋 爐在穩(wěn)定工況下的運(yùn)行效率，可以判斷鍋爐燃料利用程度與熱量損失情況。對新投運(yùn)的鍋爐 進(jìn)行鍋爐熱效率測定，是鍋爐性能鑒定和驗收的依據(jù)。根據(jù)測試的鍋爐熱效率、各項熱損失 及其熱工參數(shù)，對鍋爐的運(yùn)行狀況進(jìn)行評價，分析影響鍋爐熱效率的各種因素，為改進(jìn)鍋爐的 運(yùn)行操作，實施節(jié)能技改項目提供技術(shù)依據(jù)，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。同時，可通過本實驗加深對鍋爐燃燒的理解，對鍋爐熱量的利用、損失有一個更為清晰 的認(rèn)識。

2、增強(qiáng)學(xué)生對鍋爐的感性認(rèn)識，促進(jìn)理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)分析和解決問題的能力。二、實驗原理從能量平衡的觀點(diǎn)來看，在穩(wěn)定工況下，輸入鍋爐的熱量應(yīng)與輸出鍋爐的熱量相平衡， 鍋爐的這種熱量收、支平衡關(guān)系，就叫鍋爐熱平衡。輸入鍋爐的熱量是指伴隨燃料送入鍋爐 的熱量；鍋爐輸出的熱量可以分為兩部分，一部分為有效利用熱量，另一部分為各項熱損失。 如圖1所示：鍋爐各種熱損失(Qs)鍋爐利用熱量(Q、,)鍋爐熱平衡界限圖1：鍋爐熱平衡原理鍋爐的工作是將燃料釋放的熱量最大限度的傳遞給汽水工質(zhì)，剩余的沒有被利用的熱量 以各種不同的方式損失掉了。在穩(wěn)定工況下，其熱量進(jìn)出必平衡，并可表示為輸入鍋爐熱量=鍋爐利用熱量+各種熱損失

3、鍋爐熱平衡界限對熱效率測定十分重要，有了明確的熱平衡界限才能建立正確的熱量平 衡式。鍋爐熱平衡是按1kg固體燃料或者液體燃料(對氣體燃料則是1Nm3標(biāo)準(zhǔn))為基準(zhǔn)的。輸入鍋爐的熱量以Qr (kJ/kg)或100 (%)表示。鍋爐損失的熱量以如下方式表示：排煙損失的熱量Q2(kJ/kg)或42 (%);化學(xué)未完全燃燒損失的熱量Q3 (kJ/kg)或43 (%);機(jī)械未完全燃燒損失的熱量Q4(kJ/kg)或q4 (%);散熱損失的熱量Q5 (kJ/kg)或45 (%);灰渣物理熱損失的熱量。6 (kJ/kg)或q6 (%).鍋爐利用熱量Q1 (kJ/kg)或缶(%):貝上Qr=Qi+Q2+Q3+Q4

4、+Q5+Q6 kJ/kg或Wgq# q2+ q3+ q4+ q5+ q6 %由于本實驗是在小型燃?xì)忮仩t上進(jìn)行，用液化石油氣作為氣體燃料進(jìn)行熱平衡的測定， 在燃燒過程中不產(chǎn)生未燃盡固體顆粒和灰渣。因此，本實驗中可認(rèn)為機(jī)械不完全燃燒熱損失 Q4 (kJ/Nm3)或44 (%)和灰渣物理熱損失的熱量。6 (kJ/Nm3)或46 (%)兩項熱損失為零。本實驗為模擬試驗，以燃?xì)鉄崴鳛槟M鍋爐，以液化石油氣作為氣態(tài)燃料，以自來水 作為給水，通過對自來水流量(m3/h)和進(jìn)出口溫度(。)的測量以及對燃?xì)饬髁?L/h)和煙氣排 煙溫度(C)以及排煙成分(%)的測量，通過鍋爐正反熱平衡實驗，記錄下相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)

5、行處 理得出結(jié)論。在本實驗中，根據(jù)液化氣站提供資料顯示，長春地區(qū)液化石油氣均為松原油田 煉油廠的副產(chǎn)品，成分相對穩(wěn)定，丁烷50%、丙烷50%,發(fā)熱量為108199kJ/Nm3。鍋爐正平衡實驗就是直接測量燃?xì)鈳藷崴鞯臒崃颗c熱水器有效利用熱量而求得熱水器熱效率的一 種方法，叫正平衡法，也稱直接測量法。正熱平衡效率：nz=G (Ics-Ijs) /BQrX 100%式中：B一每小時燃?xì)庀牧縉m3/h;G熱水器加熱水量kg / h;Ijs熱水器進(jìn)水焓kJ/kg;Ics熱水器出水焓kJ/kg;Qr一燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量kJ/m3.熱水器的進(jìn)、出水焓可由測定熱水器的進(jìn)、出水溫度后，查特性表得出。鍋爐反平

6、衡實驗就是通過測定熱水器的各項熱損失，然后間接求出熱水器熱效率，叫反平衡法，也叫間 接測量法或熱損失法。反平衡熱效率：nf=l- (q2+q3+q5)式中：q2排煙熱損失()；q3一氣體不完全燃燒熱損失(%)；q5一散熱損失(%).q2排煙熱損失的計算q = (py- a pyQ ? 100%2Qr式中：y一在排煙過剩空氣系數(shù)a刃及排煙溫度tpy下，相當(dāng)于1Nm3燃?xì)獾呐艧熿?，kJ/Nm3； a py 一在排煙處的過?？諝庀禂?shù)，由煙氣分析儀測得；、在送入鍋爐的空氣溫度下，1Nm3燃?xì)馑枰睦碚摽諝饬克哂械撵蔾J/Nm3.I = V(CO)+ V(CO)+ V(CO)+ V(CO)+ V(C

7、O)kJ/Nm3 TOC o 1-5 h z pyROro2co coN 2n 2 o OH OH O式中：V 、V、V、V及V -分別為排煙中三原子氣體，一氧化碳、氮?dú)?、氧氣?RO2CO N2O2H2O水蒸氣的容積Nm3/Nm3，其值可由煙氣分析測得。(CO)、(CO )、(CO )、(CO)及(CO )-分別為1Nm3的三原子氣體、一氧ROCON 2O2HO化碳、氮?dú)狻⒀鯕饧八魵庠谂艧煖囟认碌撵蔾J/Nm3，各值均可查表。V0(CO 兒式中：匕0 理論空氣量，由各元素含量計算Nm3/Nm3；(CO )k 冷空氣焓kJ/Nm3，可查表。%化學(xué)未完全燃燒熱損失：當(dāng)鍋爐運(yùn)行調(diào)整不當(dāng)，風(fēng)量不足

8、，燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，將引起燃?xì)獠荒芡耆紵?在煙氣中存在CO、H2、CH4等可燃?xì)怏w時，這部分可燃?xì)獾臒崮茈S煙氣排走，形成化學(xué) 不完全燃燒熱損失q。3q =坦(126.4CO+ 108H + 358.2CH )(100- q )%3 Q244式中:Vgy 干煙氣容積 Nm3/Nm3；CO、H2、CH4 分別為煙氣分析測得煙氣中一氧化碳、氫、甲烷占干煙氣容積的容 積百分?jǐn)?shù).3）q 5散熱損失：在額定負(fù)荷下，設(shè)備散熱損失可查相關(guān)圖表得知。本設(shè)計課題散熱損失由實驗中測定。3煙氣成分的測量煙氣成分的測量用煙氣分析儀進(jìn)行。通過煙氣分析儀能較為精確的測出煙氣成分，可作 為判斷燃燒過程的好壞的依據(jù)。4

9、煙氣流量的測量利用煙氣差壓傳感器測量的壓差，通過流體力學(xué)知識可知，可以利用伯努利方程求得煙 氣的流速，再通過對截面積的計算求得煙氣的流量。由于是測量氣體流速，根據(jù)伯努利方程我們可知煙氣流速為:y V2 gh 液（-1）也可利用下式進(jìn)行煙氣流速的計算:V *式中：W流量修正系數(shù)，一般取w=0.97。實驗裝置本實驗的裝置簡圖如下圖:四：實驗步驟熟悉鍋爐熱平衡實驗原理；熟悉本裝置原理及測量方法；確認(rèn)管道連接正確。打開電源開關(guān)（電源空開）打開，接通鍋爐熱平衡實驗臺電源；打開液化氣瓶燃?xì)?閥門，接通鍋爐熱平衡實驗臺氣源；將熱水器的火力調(diào)節(jié)旋鈕、溫度調(diào)節(jié)旋鈕旋轉(zhuǎn) 至最大位置，打開給水閥門，當(dāng)給水達(dá)到一定流

10、量時熱水器自動點(diǎn)火。（注意，在 打開給水閥時要緩慢開啟，避免管道迅速充水，管道壓力沖擊過大，使管道連接處 漏水。）；熱水器點(diǎn)火成功后，需進(jìn)行一段時間的燃燒，使本實驗的各組成部件膨脹均勻；膨脹完全后，開始做鍋爐熱平衡實驗。建議先從小流量開始進(jìn)行；做不同工況下的實驗（如：給水流量0.27m3/h、0.3 m3/h、0.36 m3/h、0.39 m3/h，燃?xì)?流量 100 L /h、200 L /h、300 L /h、400L /h）。將燃?xì)饬髁亢徒o水流量調(diào)節(jié)到所需要的實驗流量，由于燃?xì)鉄崴鞯姆€(wěn)定非常迅 速，燃燒后，即可進(jìn)行煙氣參數(shù)的測量。先將經(jīng)空氣清洗干凈的煙氣分析儀探頭置 入排煙管道中，選擇

11、好分析燃料，打開分析儀，進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量，示數(shù)顯示穩(wěn)定后， 停止分析儀工作，并將探頭退出排煙管道。在進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取時，注意讀數(shù)的準(zhǔn)確， 一定要在示數(shù)穩(wěn)定后再讀取，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；工況穩(wěn)定后使用便攜式紅外測溫儀對準(zhǔn)燃?xì)鉅t表面中部，測量燃?xì)鉅t表面的散熱溫 度。在進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取時，注意讀數(shù)的準(zhǔn)確，一定要在示數(shù)穩(wěn)定后再讀取，保證數(shù) 據(jù)準(zhǔn)確；實驗結(jié)束后，先關(guān)給水閥再關(guān)閉燃?xì)忾y門，最后切斷熱水器電源。五：實驗數(shù)據(jù)記錄第1 組數(shù)據(jù)燃?xì)饬髁浚↙ /h）： 給水流量（m3 /h）： 給水入口溫度（C）： 熱水出口溫度（C）： 燃?xì)馕⒉顗海≒a）： 燃?xì)鈮毫Γ≒a）： 燃?xì)鉅t表面溫度（C）： Flue gas tem

12、p （C） : O2 content（%）: CO content （ppm） : CO2 content（%） : Amb.air.temp （C） : Excess air （%）: 第 3組數(shù)據(jù)燃?xì)饬髁浚↙ /h）： 給水流量（m3 /h）： 給水入口溫度（C）： 熱水出口溫度（C）： 燃?xì)馕⒉顗海≒a）： 燃?xì)鈮毫Γ≒a）： 燃?xì)鉅t表面溫度（C）： Flue gas temp （C） : O2 content（%）: CO content （ppm） : CO2 content（%） : Amb.air.temp （C） : Excess air（%）: 第 2組數(shù)據(jù)燃?xì)饬髁浚↙ /h

13、）： 給水流量（m3 /h）： 給水入口溫度（C）： 熱水出口溫度（C）： 燃?xì)馕⒉顗海≒a）： 燃?xì)鈮毫Γ≒a）： 燃?xì)鉅t表面溫度（C）： Flue gas temp （C） : O2 content（%）: CO content （ppm） : CO2 content（%） : Amb.air.temp （C） : 第4 組數(shù)據(jù)燃?xì)饬髁浚↙ /h）： 給水流量（m3 /h）： 給水入口溫度（C）： 熱水出口溫度（C）： 燃?xì)馕⒉顗海≒a）： 燃?xì)鈮毫Γ≒a）： 燃?xì)鉅t表面溫度（C）： Flue gas temp （C） : O2 content（%）: CO content （ppm） :

14、 CO2 content（%） : Amb.air.temp （C） : 燃?xì)饬髁浚↙ /h）： 給水流量（m3 /h）： 給水入口溫度（C）： 熱水出口溫度（C）： 燃?xì)馕⒉顗海≒a）： 燃?xì)鈮毫Γ≒a）： 燃?xì)鉅t表面溫度（C）： Flue gas temp （C） : O2 content（%）: CO content （ppm） : CO2 content（%） : Amb.air.temp （C） : Excess air（%）: 第6 組數(shù)據(jù)燃?xì)饬髁浚↙ /h）： 給水流量（m3 /h）： 給水入口溫度（C）： 熱水出口溫度（C）： 燃?xì)馕⒉顗海≒a）： 燃?xì)鈮毫Γ≒a）： 燃?xì)鉅t表

15、面溫度（C）： Flue gas temp （C） : O2 content（%）: CO content （ppm） : CO2 content（%） : Amb.air.temp （C） : 燃?xì)饬髁浚↙ /h）： 給水流量（m3 /h）： 給水入口溫度（C）： 熱水出口溫度（C）： 燃?xì)馕⒉顗海≒a）： 燃?xì)鈮毫Γ≒a）： 燃?xì)鉅t表面溫度（C）： Flue gas temp （C） : O2 content（%）: CO content （ppm） : CO2 content（%） : Amb.air.temp （C） : Excess air（%）: 第8 組數(shù)據(jù)燃?xì)饬髁浚↙ /h）：

16、 給水流量（m3 /h）： 給水入口溫度（C）： 熱水出口溫度（C）： 燃?xì)馕⒉顗海≒a）： 燃?xì)鈮毫Γ≒a）： 燃?xì)鉅t表面溫度（C）： Flue gas temp （C） : O2 content（%）: CO content （ppm） : CO2 content（%） : Amb.air.temp （C） : 燃?xì)饬髁浚↙ /h）： :給水流量（m3 /h）： 給水入口溫度（C）： 熱水出口溫度（C）： 燃?xì)馕⒉顗海≒a）： 燃?xì)鈮毫Γ≒a）： 燃?xì)鉅t表面溫度（C）： Flue gas temp （C） : O2 content（%）: CO content （ppm） : CO2 co

17、ntent（%） : Amb.air.temp （C） : Excess air（%）: 第10 組數(shù)據(jù)燃?xì)饬髁浚↙ /h）： 給水流量（m3 /h）： 給水入口溫度（C）： 熱水出口溫度（C）： 燃?xì)馕⒉顗海≒a）： 燃?xì)鈮毫Γ≒a）： 燃?xì)鉅t表面溫度（C）： Flue gas temp （C） : O2 content（%）: CO content （ppm） : CO2 content（%） : Amb.air.temp （C） : 第11 組數(shù)據(jù)燃?xì)饬髁浚↙ /h）： 給水流量（m3 /h）： 給水入口溫度（C）： 熱水出口溫度（C）： 燃?xì)馕⒉顗海≒a）： 燃?xì)鈮毫Γ≒a）： 燃?xì)鉅t

18、表面溫度（C）： Flue gas temp （C） : O2 content（%）: CO content （ppm） : CO2 content（%） : Amb.air.temp （C） : Excess air（%）: 第12組數(shù)據(jù)燃?xì)饬髁浚↙ /h）： 給水流量（m3 /h）： 給水入口溫度（C）： 熱水出口溫度（C）： 燃?xì)馕⒉顗海≒a）： 燃?xì)鈮毫Γ≒a）： 燃?xì)鉅t表面溫度（C）： Flue gas temp （C） : O2 content（%）: CO content （ppm） : CO2 content（%） : Amb.air.temp （C） : 給水流量（m3 /h

19、）： 給水入口溫度（C）： 熱水出口溫度（C）： 燃?xì)馕⒉顗海≒a）： 燃?xì)鈮毫Γ≒a）： 燃?xì)鉅t表面溫度（C）： Flue gas temp （C） : O2 content（%）: CO content （ppm） : CO2 content（%） : Amb.air.temp （C） : Excess air（%）: 第14 組數(shù)據(jù)燃?xì)饬髁浚↙ /h）： 給水流量（m3 /h）： 給水入口溫度（C）： 熱水出口溫度（C）： 燃?xì)馕⒉顗海≒a）： 燃?xì)鈮毫Γ≒a）： 燃?xì)鉅t表面溫度（C）： Flue gas temp （C） : O2 content（%）: CO content （ppm

20、） : CO2 content（%） : Amb.air.temp （C） : 燃?xì)饬髁浚╩3 /h）： 給水流量（m3 /h）： 給水入口溫度（C）： 熱水出口溫度（C）： 燃?xì)馕⒉顗海≒a）： 燃?xì)鈮毫Γ≒a）： 燃?xì)鉅t表面溫度（C）： Flue gas temp （C） : O2 content（%）: CO content （ppm） : CO2 content（%） : Amb.air.temp （C） : Excess air （%）: 第 16組數(shù)據(jù)燃?xì)饬髁浚↙ /h）： 給水流量（m3 /h）： 給水入口溫度（C）： 熱水出口溫度（C）： 燃?xì)馕⒉顗海≒a）： 燃?xì)鈮毫Γ≒a）： 燃?xì)鉅t表面溫度（C）： Flue gas temp （C） : O2 content（%）: CO content （ppm） : CO2 content（%） : Amb.air.temp （C） : 六：實驗注意事項及說明注意閥門的打開順序，否則可能導(dǎo)致點(diǎn)火不成