燃烧学
哈尔滨工业大学
燃烧工程研究所
邱朋华
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第2章
燃料
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2.1燃料及其概况
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一、什么是燃料？
?燃料：是各种（有机和无机）复杂化合物的混合物，通过燃烧可以将其化学能转化为热能的物质，同时在技术上是可行的，经济上是合理的
–例如：天然气、石油、煤炭等
–金刚石可以燃烧，但不作为燃料，经济上不合理
?燃料是远古时代的动、植物被埋于地下，在缺氧高温高压的条件下，由细菌作用形成的固、液、气态的碳氢化合物
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二、燃料分类
?天然燃料
–例如：天然气，石油和煤炭
?人工燃料
–煤气、沼气和人造酒精等
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四、我国能源政策
?节能减排
–节能是最大的减排
–节能包括：节约燃料、节水
–减排包括：粉尘、NOx、SOx，未来还要包括
重金属和CO
2
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2.2燃料的成分和性质
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一、燃料的元素分析
?固液、体燃料的成分
–元素分析成分：为工程计算和应用方便，将燃
料的主要元素组成和水分、灰分测量结果习惯
上称为元素分析成分
?元素分析成分的构成
–碳、氢、氧、氮、硫、灰分和水分
?气体燃料的成分
–气体的分子式
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一、燃料的元素分析
?硫（Sulfor ）
–自然界中硫的存在形式包括有机硫、黄铁矿硫和硫酸盐硫。
–硫是可燃元素，但热值很低，同时硫燃烧产生的二氧化硫、三氧化硫会进一步生成亚硫酸和硫酸，腐蚀金属，造成锅炉堵灰。
–我国煤的含硫量很低，一般1~2%，但南方某些煤的含硫量较高，可达3~5%，个别达10%，–高硫煤：含硫量大于2%的煤质
22S O SO 9100kJ/kg
+=+
一、燃料的元素分析
?氧（Oxygen）
–氧是不可燃元素，在燃料中已和碳、氢化合，使
其可燃成分相对减少
–固体燃料的含氧量随碳化程度的加深会较少，无
烟煤含氧量1%~2%，其他煤的碳氧量10%左右
–油的含氧量很少，1%左右
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一、燃料的元素分析
?氮（Nitrogen）
–通常情况下不可燃，条件满足时可生成NOx，但
生成量很少，一般认为是不可燃元素
–煤中含量很少，一般1%~2%
–油中含量0.05%~0.4%
–能造成空气污染，须严格控制其生成
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一、燃料的元素分析
?灰分（Ash ）
–不可燃，属于矿物杂质，主要由SiO 2、Al 2O 3、CaO 、MgO 、Fe 2O 3等氧化物和碱、盐等构成–燃料中灰分含量相差很大，油中几乎无灰，煤中灰分通常10%~30%，多者可达50%–按灰分的来源可分为
?内部灰分：生成煤时混入，混合均匀
?外部灰分：开采、运输时混入，分布不均匀
一、燃料的元素分析
?灰分含量对燃烧过程的影响？
–燃料发热量少
–着火、燃烧困难
–积灰、结渣，影响传热
–磨损受热面
–污染环境
?灰在燃烧前后可能不完全一致，化合物可能会分解，但在800℃之后，基本不变，测定会成分时规定：测量温度815±10℃
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一、燃料的元素分析
?水分（Water，Moisture）
–不可燃，属于杂质
–油中含量1~3%，煤中变化较大2~50%–水分构成
?内部水分（固有水分）105~110 ℃
?外部水分（表面水分）45~50 ℃
?化合水分（结晶水）灰分的一部分
–瓷土Al
2O
3
?2SiO
2
?2H
2
O
–水分含量随开采、运输、储存条件而变化
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风力发电原理及风力发电的工艺流程 发电风力发电机最初出现在十九世纪末。自二十世纪八十年代起，这项技术不断发展并日渐成熟，适合工业应用。近二三十年，典型的风力发电机的风轮直径不断增大，而额定功率也不断提升。 在二十一世纪00 年代初，风力发电机最具经济效益的额定输出功率范围在600 千瓦至750 千瓦之间，而风轮直径则在40 米至47 米之间。当时所有制造商都有生产这类风力发电机。新一代的兆瓦级风力发电机是以这类机种作为基础发展出来的。 二零零七年初，有一些制造商开始生产额定功率为几兆瓦而风轮直径达到约90 米的风力发电机（例如Vestas V90 3.0 兆瓦
风电机，Nordex N90 2.5 兆瓦风电机等等），甚至有些直径达100米( 如GE 3.6 兆瓦风电机) 。这些大型风力发电机主要市场是欧洲。在欧洲，适合风电的地段日渐减少，因此有逼切性安装发电能力尽量高的风力发电机。 另一类更大型的为海上应用而设计的风力发电机，已经完成设计并制成原型机。例如RE Power 公司设计的风力发电机风轮直径达126 米，功率达5 兆瓦。 1) 风的功率 风的能量指的是风的动能。特定质量的空气的动能可以用下列公式计算。 能量= 1/2 X 质量X ( 速度)^2 吹过特定面积的风的的功率可以用下列公式计算。 功率= 1/2 X 空气密度X 面积X ( 速度)^3 其中， 功率单位为瓦特； 空气密度单位为千克/ 立方米； 面积指气流横截面积，单位为平方米； 速度单位为米/ 秒。 在海平面高度和摄氏15 度的条件下，乾空气密度为1.225 千克/ 立方米。空气密度随气压和温度而变。随著高度的升高，空气密度也会下降。
2风力发电机组并网运行方式分析 2.1风力发电系统的基本结构和工作原理 风力发电系统从形式上有离网型、并网型。离网型的单机容量小(约为0．1～5 kW，一般不超过10 kW)，主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行；并网型的单机容量大(可达MW级)，且由多台风电机组构成风力发电机群(风电场)集中向电网输送电能。另外，中型风力发电机组(几十kW到几百kW)可并网运行，也可与其它能源发电方式相结合(如风电一水电互补、风电一柴油机组发电联合)形成微电网。并网型风力发电的频率应保持恒等于电网频率，按其发电机运行方式可分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统两大类。 2.1.1恒速恒频风力发电系统 恒速恒频风力发电系统中主要采用三相同步发电机(运行于由电机极对数和频率所决定的同步转速)、鼠笼式异步发电机(SCIG)。且在定桨距并网型风电机组中，一般采用SCIG，通过定桨距失速控制的风轮使其在略高于同步转速的转速(一般在(1～1．05)n)之间稳定发电运行。如图2.1所示采用SCIG的恒速恒频风力发电系统结构示意图，由于SCIG在向电网输出有功功率的同时，需从电网吸收滞后的无功功率以建立转速为n的旋转磁场，这加重了电网无功功率的负担、导致电网功率因数下降，为此在SCIG机组与电网之间设置合适容量的并联电容器组以补偿无功。在整个运行风速范围内(3 m／s < <25 m／s),气流的速度是不断变化的，为了提高中低风速运行时的效率，定桨距风力1 发电机普遍采用三相(笼型)异步双速发电机，分别设计成4极和6极，其典型代表是NEGMICON 750 kW机组。
风 图2.1采用SCIG的恒速恒频风力发电系统 恒速恒频风力发电系统具有电机结构简单、成本低、可靠性高等优点，其主要缺点为：运行范围窄；不能充分利用风能(其风能利用系数不可能保持在最大值)；风速跃升时会导致主轴、齿轮箱和发电机等部件承受很大的机械应力。 2.1.2变速恒频风力发电系统 为了克服恒速恒频风力发电系统的缺点，20世纪90年代中期，基于变桨距技术的各种变速恒频风力发电系统开始进入市场，其主要特点为：低于额定风速时，调节发电机转矩使转速跟随风速变化，使风轮的叶尖速比保持在最佳值，维持风电机组在最大风能利用率下运行；高于额定风速时，调节桨距以限制风力机吸收的功率不超过最大值；恒频电能的获得是通过发电机与电力电子变换装置相结合实现的。目前，变速恒频风电机组主要采用绕线转子双馈异步发电机，低速同步发电机直驱型风力发电系统亦受到广泛重视。 （1）基于绕线转子双馈异步发电机的变速恒频风力发电系统 绕线转子双馈异步发电机(DFIG)的转子侧通过集电环和电刷加入交流励磁，既可输入电能也可输出电能。图2.2为基于绕线转子双馈异步发电机的变速恒频风力发电系统结构示意图，其中，DFIG的转子绕组通过可逆变换器与电网相连，通过控制转子励磁
第二章建筑外环境 建筑物所在地的气候条件，通过围护结构，直接影响室内环境，因此，有必要将建筑外 环境的基本概况讲清楚，以便充分利用自然条件改善建筑物的内部环境。 第一节地球绕日运动的规律 地球上的任何一点位置都可以用地理经度和纬度表示。 1．经线：一切通过地轴的平面同地球表面相交而成的圆叫经度圈。经度圈都要通过南北两极，形成两个180°的半圆，这样的半圆叫经线。（或称子午线） 全球共分为180个经圈，360条经线（子午线）。 * 国际会议商定，以英国伦敦的格林威治天文台所在的子午线为全世界通用的本初 ．． 子午线 ．．．。 2．纬线：一切垂直于地轴的平面同地球表面相割而成的圆，称为纬线，且彼此平行。 其中通过地心的纬线 ．．．．．叫赤道 ．．．．．．．．．、北两个半球 ．．．．．。 ．．。赤道面将地球分为南 3．经度：经度是指本初子午线所在的平面与本地子午线所在平面的夹角。 以本初子午线为零度线，自零度线向东分为180°叫东经 ．．。 ．．，向西分为180°叫西经4．纬度：是以本地法线（地平面的垂线）与赤道平面的夹角，赤道的纬度为零。 自赤道向北极方向分为90°称为北纬 ．．。 ．．，向南极方向分为90°称为南纬5．日照时间一般采用平均太阳时。 6．平均太阳时：是以太阳通过该地的子午线时为正午12点来计算一天的时间。 这样经度不同的地方，正午时间均不同，规定标准时间 ．．．．。 7．世界时：国际协议，以本初子午线处的平均太阳时为世界时间的标准，称为“世界时”。 把全世界按地理经度划分为24个时区，每个时区包含地里经度15°。以本初子午 线东西各7.5°为零时区，向东西各分为12个时区，每个时区都按它的中央子午线 的平均太阳时为计时标准，成为该时区的标准时，相邻两个时区的时差为1小时。 8．我国的时区范围是，东5~9时区，横跨5个时区。我国统一采用东8时区的时间，即以东京120°的平均太阳时为中国的标准时间，称为北京时间。北京时间与世界 时间相差8小时。 9．标准时间计算公式： T o=T m+4(L o－L m) T o——标准时间 T m——地方平均太阳时 L o——标准时间子午线的经度deg L m——当地时间子午线所在处的经度deg 10．日照：指物体表面被太阳直接照射的现象。 太阳在天空中的位置因时、因地时刻变化，正确掌握太阳运动规律，对处理建筑环 境问题有益。 地球绕地轴自转同时绕太阳公转，地球绕着太阳公转轨道的平面始终保持66.5°的 倾角，而且在公转运行中，这个交角和地轴的倾斜方向都保持不变。 11．赤纬：是太阳光线与地球赤道平面之间的夹角，用d来表示。 它是随地球在公转轨道上的位置，日期的不同而变化的。全年的赤纬在+23.5°~ －23.5°之间变化。 赤纬从赤道平面算起，向北为正 ．．．．，向南为负 ．．．．。 春分时，太阳光线与地球赤道面平行，赤纬为0°，南北半球的昼夜相等。
风力发电机工作原理 2008/05/08 21:42:09来源：中国风力发电网我要投稿风力发电机工作原理简单的说是：风的动能（即空气的动能）转化成发电机转子 的动能，转子的动能又转化成电能。风力发电机工作原理是利用风能可再生能源的部分。由1995年到2005年之间的年增长率为28.5％。根据德 风力发电机工作原理简单的说是：风的动能（即空气的动能）转化成发电机转子的动能，转子的动能又转化成电能。 风力发电机工作原理是利用风能可再生能源的部分。由 1995 年到2005 年之间的年增长率为 28.5 ％。根据德国风能会（ DEWI ）的估计，风能发电的年增长率将保持高增长率，在 2012 年或之前全球风力发电装机容量可能达到 150 千兆瓦。 发电风力发电机最初出现在十九世纪末。自二十世纪八十年代起，这项技术不断发展并日渐成熟，适合工业应用。近二三十年，典型的风力发电机的风轮直径不断增大，而额定功率也不断提升。 在二十一世纪 00 年代初，风力发电机最具经济效益的额定输出功率范围在 600 千瓦至 750 千瓦之间，而风轮直径则在40 米至 47 米之间。当时所有制造商都有生产这类风力发电机。新一代的兆瓦级风力发电机是以这类机种作为基础发展出来的。
二零零七年初，有一些制造商开始生产额定功率为几兆瓦而风轮直径达到约 90 米的风力发电机（例如 Vestas V90 3.0 兆瓦风电机， Nordex N90 2.5 兆瓦风电机等等），甚至有些直径达100 米 ( 如 GE 3.6 兆瓦风电机 ) 。这些大型风力发电机主要市场是欧洲。在欧洲，适合风电的地段日渐减少，因此有逼切性安装发电能力尽量高的风力发电机。 另一类更大型的为海上应用而设计的风力发电机，已经完成设计并制成原型机。例如 RE Power 公司设计的风力发电机风轮直径达 126 米，功率达 5 兆瓦。 1) 风的功率 风的能量指的是风的动能。特定质量的空气的动能可以用下列公式计算。
第二章 建筑外环境 为什么要考虑建筑外环境?(P7) 建筑物所在地的气候条件，会通过围护结构，直接影响室内的环境。 一个地区的气候是在许多因素综合作用下形成的。 太阳辐射对建筑物热环境和光环境有直接作用。 第一节地球绕日运动的规律 第一节地球绕日运动的规律 太阳的位臵与日照的关系 赤纬：太阳光线与地球赤道平面之间的夹角 第一节地球绕日运动的规律 时间 地球每转1° 需要4分钟 (15°/小时) 当地真太阳时T和 该时区平均太阳时 （标准时）T m T=T m±(L-L m)/15(h) 2-3) 东半球取正，西半球取负?(P 9 第一节地球绕日运动的规律 例题：已知北京时间为经度为东经120°的标准时，而北京实际的经度为116°19′，当北京时间为12点时，北京当地真太阳时为多少？（结果保留到分钟）
解：T=T m ±(L-L m)/15(h) =12＋（116.33-120）/15 =11.7544＝11:45 南北回归线 赤纬和太阳高度角有什么区别？P10 时角和太阳方位角有什么区别？ 可据此进行建筑物的朝向，间距，阴影范围，日射得热，空调负荷和自然采光的设计计算 第二节太阳辐射 太阳辐射能量比例 太阳常数I0=1353W/m2：大气层外的辐射照度(P11定义) 进入大气层后被反射和吸收，光谱成分有所改变，辐射照度有所改变。太阳高度角是重要影响因素。 落到地球上的太阳辐射能量(P12) 由三部分组成 直射辐射：为可见光和近红外线 散射辐射：被大气中的水蒸汽和云层散射，为可见光和近红外线 大气长波辐射：大气（水蒸汽和C O 2 ）吸收后再向地面辐射，为长波辐射。 在日间比例很小，可以忽略。 所谓太阳总辐射照度一般仅包括前两部分! 大气对太阳辐射的削弱程度取决于射线在大气层中的行程（大气层质量）和大气透明度。（板书理论分析） 我国的大气透明度分区 大气透明度 定义：I 1/I =P=e x p(-k L)，P＝1最透明 变化范围：0.65~0.75，在一个月份的晴天中可近似认为是常数 我国将大气透明度作了6个等级的分区，1级最透明 大气层质量m
《建筑环境学》习题部分参考解答 第二章 建筑外环境 1. 为什么我国北方住宅严格遵守坐北朝南的原则，而南方并不严格遵守 答：太阳光在垂直面上的直射强度为θβcos cos ,??=N z c I I ，对于地理位置的地区βcos ?N I 是不能人为改变的。所以要使I c,z 取最佳值，只有使θ尽可能小。在冬季，太阳是从东南方向升起，从西南方向落下，而坐北朝南的布局就保证了在冬季能最大限度的接收太阳辐射。北方气候寒冷、冬夏太阳高度角差别大，坐北朝南的布局可以使建筑物冬季获得尽可能多的太阳辐射，夏季获得的太阳辐射较小。但在南方尤其是北回归线以南，冬夏太阳高度角差不多，所以建筑物是否坐北朝南影响不太大。 2. 是空气温度改变导致地面温度改变，还是地面温度改变导致空气温度改变 答：大气中的气体分子在吸收和放射辐射能时具有选择性，它对太阳辐射几乎是透明体，直接接受太阳辐射的增温是非常微弱。主要靠吸收地面的长波辐射而升温。而地面温度的变化取决于太阳辐射和对大气的长波辐射。因此，地面与空气的热量交换是气温升降的直接原因，地面温度决定了空气温度。 ， 3. 晴朗的夏夜，气温25℃，有效天空温度能达到多少 如果没有大气层，有效天空温度应该是多少 答：有效天空温度的计算公式为： 41 44])70.030.0)(026.032.0(9.0[o d d sky T S e T T +--= 查空气水蒸气表，可知：t =25℃时，e d = 查表2-2，T d =+= K ，另外，T 0=25+= K ∴ 计算得：T sky ＝100×－1/4 如果没有大气层，可以认为S ＝1，则计算求得：T sky ＝ K 4. 为什么晴朗天气的凌晨树叶表面容易结露或结霜 答：由于晴朗夜空的天空有效温度低，树叶表面与天空进行长波辐射，使得叶片表面温度低于空气的露点温度，所以出现结露或结霜现象。 $ 5. 为保证日照时间满足规范要求，南方地区和北方地区要求的最小住宅楼间距是否相同，为什么 答：不相同。因为不同纬度的地区，太阳高度角是不同的。相同时刻南方的太阳高度角大，住宅楼产生的阴影和自身阴影遮蔽面积小，所以南方的最小住宅楼间距也小。 6. 采用高反射率的地面对小区微气候是改善了还是恶化了，为什么
风力发原理及风力发电的工艺流程 发电风力发电机最初出现在十九世纪末。自二十世纪八十年代起，这项技术不断发展并日渐成熟，适合工业应用。近二三十年，典型的风力发电机的风轮直径不断增大，而额定功率也不断提升。 在二十一世纪00 年代初，风力发电机最具经济效益的额定输出功率范围在600 千瓦至750 千瓦之间，而风轮直径则在40 米至47 米之间。当时所有制造商都有生产这类风力发电机。新一代的兆瓦级风力发电机是以这类机种作为基础发展出来的。
二零零七年初，有一些制造商开始生产额定功率为几兆瓦而风轮直径达到约90 米的风力发电机（例如Vestas V90 3.0 兆瓦风电机，Nordex N90 2.5 兆瓦风电机等等），甚至有些直径达100米( 如GE 3.6 兆瓦风电机) 。这些大型风力发电机主要市场是欧洲。在欧洲，适合风电的地段日渐减少，因此有逼切性安装发电能力尽量高的风力发电机。 另一类更大型的为海上应用而设计的风力发电机，已经完成设计并制成原型机。例如RE Power 公司设计的风力发电机风轮直径达126 米，功率达5 兆瓦。 1) 风的功率 风的能量指的是风的动能。特定质量的空气的动能可以用下列公式计算。 能量= 1/2 X 质量X ( 速度)^2 吹过特定面积的风的的功率可以用下列公式计算。 功率= 1/2 X 空气密度X 面积X ( 速度)^3 其中， 功率单位为瓦特； 空气密度单位为千克/ 立方米；
面积指气流横截面积，单位为平方米； 速度单位为米/ 秒。 在海平面高度和摄氏15 度的条件下，乾空 气密度为1.225 千克/ 立方米。空气密度随气压 和温度而变。随著高度的升高，空气密度也会 下降。 於上述公式中可以看出，风的功率与速度 的三次方〔立方〕成正比，并与风轮扫掠面积 成正比。不过实际上，风轮只能提取风的能量 中的一部分，而非全部。 2) 风力发电机的工作原理 现代风力发电机采用空气动力学原理，就 像飞机的机翼一样。风并非" 推" 动风轮叶片，而是吹过叶片形成叶片正反面的压差，这种 压差会产生升力，令风轮旋转并不断横切风流。 风力发电机的风轮并不能提取风的所有功率。根据Betz 定律，理论上风电机能够提取的 最大功率，是风的功率的59.6% 。大多数风电机只能提取风的功率的40% 或者更少。 风力发电机主要包含三部分∶风轮、机舱和 塔杆。大型与电网接驳的风力发电机的最常见
课后习题答案 第二章建筑外环境 1.为什么我国北方住宅严格遵守坐南朝北的原则，而南方（尤其是华南地区）住宅并不严格遵守此原则？ 答：我国分为严寒、寒冷、夏热冬冷和暖和地区，居住建筑一般总是希望夏季避免日晒，而冬季又能获得较多光照，我国北方多是严寒和寒冷地区，建筑设计时，必须充分满足冬季保暖要求，部分地区兼顾夏季防热，北部地区坐北朝南能够达到充分利用阳光日照采暖，能够减少建筑的采暖负荷，减少建筑采暖能耗，所以，我国北方住宅严格遵守坐北朝南的原则，而南方地区必须满足夏季防晒要求适当兼顾冬季保暖，所以南方住宅可以不遵守原则。 2.是空气温度的改变导致地面温度改变，还是地面温度的改变导致空气温度改变？ 答：互相影响的，主要是地面温度的改变对空气温度变化起主要作用，空气温度的改变一定程度上也会导致地面温度改变，因为大气中的气体分子在吸收和放射辐射时是有选择的，对太阳辐射几乎是透明体，只能吸收地面的长波辐射，因此，地面与空气的热量交换是气温上升的直接原因。 3.晴朗的夏夜，气温25℃，有效天空温度能达到多少？如果没有大气层，有效天空温度应该是多少？ 根据书中有效天空温度估算式（2-23）有效天空温度与近地面气温和空气的发射率有关，空气发射率又与露 点温度有关，露点温度又与气温和相对湿度（或含湿量）有关，假定在晴朗的夏夜，气温为25℃，相对湿度在30％-70％之间，则tdp＝6℃-19 ℃，有效天空温度tsky＝7℃-14℃。在某些极端条件下，tsky可以达到0℃以下。如果没有大气层，有效天空温度应该为0 K。 4.为什么晴朗天气的凌晨书页表面容易结露或结霜？ 答：晴朗天空的凌晨，温度较低，云层较薄，尘埃，微小水珠，气体分子较大，太阳辐射较小，树叶主要向天空辐射长波辐射，树叶温度低于露点温度，树叶表面容易结露或结霜。 5.采用低反射率的下垫面对城市热岛有不好的影响。如果住宅小区采用高反射率的地面铺装是否能够改善住区微气候？为什么？ 答：其效果不是很好，由于城市建筑的密集，植被少采用高反射率的地面铺装，虽然减少了地面对辐射的吸收，但其反射出去的辐射仍会被建筑群所吸收，另外，由于逆温层的存在，其可能会导致空气温度的开高，从而不利于住区微气候的改善。 能起到一定改善作用。高反射率地面（吸收率和发射率低）对太阳辐射能的吸收较少，温升较低，从而对近地面空气的加热作用较小，对城市热岛效应有一定缓解作用（马赛克建筑） 。但微气候涉及建筑物周围特定地点的气温、湿度、风速、阳光等多种参数，高反射率地面铺装可能会带来光污染。 6.水体和植被对热岛现象起什么作用？机理是多少？ 答：①由于城市地面覆盖物多，发热体多，加上密集的城市人口的生活和生产中产生大量的人为热，造成市中心的温度高于郊区温度，且室内各区的温度分布也不一样。如果绘制出等温曲线，就会看到与岛屿的等高线极为相似，人们把这种气温分布的现象称为“热岛现象”。而水体和植被具有调节城市局部气候的作用，如净化空气、减少噪声，对城市“热岛现象”有一定的缓解作用。②机理：水体的比热大，温度较高时，气体潜热带走辐射热量，有效地降低温度，植被蒸腾作用较强，能有效带走部分热量，此外，植被的光合作用能吸收CO2，放出O2，杀菌并能吸收粉尘，有效地抑制了温室效应进而降低温度，也就有效地抑制了热岛效应。 第三章建筑热湿环境