热能与动力机械基础 绪论

1、热能与动力机械基础热能与动力机械基础 Thermal Energy and Power Mechanics Basis Thermal Energy and Power Mechanics Basis 田径 汽车学院内燃机系 课程网站: 一、本课程的设置：专业调整后新开设的课，是社会市场发一、本课程的设置：专业调整后新开设的课，是社会市场发 展的需要；不仅限于现代动力设备的能量转换特点；能源展的需要；不仅限于现代动力设备的能量转换特点；能源 结构的变化、能源利用方式的更新。结构的变化、能源利用方式的更新。 2121世纪的特点：信息化。问题：能源问题、污染问题。世纪的特点：信息化。问题：能源问题

2、、污染问题。 7070年代的年代的“多、快、好、省多、快、好、省” 过去：从内燃机角度，如何有效应用？专业化过去：从内燃机角度，如何有效应用？专业化 现在：从能量转换的角度，如何更有效利用，并节省现在：从能量转换的角度，如何更有效利用，并节省 能源；能源； 二、学本课的目的意义二、学本课的目的意义 了解和掌握能量转换的基本原理和节能途径，不同能了解和掌握能量转换的基本原理和节能途径，不同能 源的特点、利用方法及其评价。源的特点、利用方法及其评价。 三、主要内容三、主要内容 典型的几种动力设备装置中热能的转换与利用。如典型的几种动力设备装置中热能的转换与利用。如 1 1内燃机中的热功转换内燃机中

3、的热功转换 2 2涡轮机及喷气发动机中的热功转换涡轮机及喷气发动机中的热功转换 3 3锅炉及换热器中的热能的利用锅炉及换热器中的热能的利用 4 4热力发电的基本原理热力发电的基本原理 5. 5. 制冷与空调设备中热能的利用等制冷与空调设备中热能的利用等 6. 6. 新能源及其利用新能源及其利用 一、三代能源文明一、三代能源文明 人类文明的每一步，都和能源的利用息息相关。人类人类文明的每一步，都和能源的利用息息相关。人类 进化发展的过程，是一部进化发展的过程，是一部不断向自然界索取能源的历史不断向自然界索取能源的历史。 人类发现用火以来经历了三代能源文明：人类发现用火以来经历了三代能源文明： 1

4、 1、柴薪、柴薪马车农业文明马车农业文明 人类第一代主体能源是柴薪。用树枝、杂草等作为燃人类第一代主体能源是柴薪。用树枝、杂草等作为燃 料，用于燃烧煮食和取暖，用草饲养牲畜，靠人力、畜力料，用于燃烧煮食和取暖，用草饲养牲畜，靠人力、畜力 并利用一些简单机械作动力，从事手工生产和交通运输活并利用一些简单机械作动力，从事手工生产和交通运输活 动。动。 从远古时代直至中世纪从远古时代直至中世纪农业文明时代。农业文明时代。 第一章第一章 绪论绪论 2 2、煤炭、煤炭蒸汽机工业文明蒸汽机工业文明 1818世纪西欧产业革命世纪西欧产业革命开创的工业文明，逐步扩大了开创的工业文明，逐步扩大了 煤炭的利用。煤

5、炭的利用。 蒸汽机的发明，使煤炭成为第二代主体能源。蒸汽机的发明，使煤炭成为第二代主体能源。 以煤炭作燃料的蒸汽机，主要应用于使纺织、冶金、采以煤炭作燃料的蒸汽机，主要应用于使纺织、冶金、采 矿、机械加工等工业，使之获得迅速发展。矿、机械加工等工业，使之获得迅速发展。 同时，蒸汽机车、轮船的出现，使交通运输业得到同时，蒸汽机车、轮船的出现，使交通运输业得到 巨大进步。巨大进步。 1919世纪以来，电磁感应现象的发现世纪以来，电磁感应现象的发现，使得由蒸汽轮，使得由蒸汽轮 机作动力的发电机开始出现，煤炭作为机作动力的发电机开始出现，煤炭作为一次能源一次能源被转换被转换 成更加便于输送和利用的成更

6、加便于输送和利用的二次能源二次能源电能。电能。 3 3、石油、石油内燃机现代文明内燃机现代文明 公元前公元前250250年，中国人首先发现石油是一种可燃的液年，中国人首先发现石油是一种可燃的液 体。体。 18541854年，美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井，年，美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井， 石油工业由此发展。石油工业由此发展。 1919世纪末，人们发明了以汽油和柴油为燃料的奥托内世纪末，人们发明了以汽油和柴油为燃料的奥托内 燃机和狄塞尔内燃机。燃机和狄塞尔内燃机。 19081908年，福特研制成功了第一辆汽车。此后，汽车、年，福特研制成功了第一辆汽车。此后，汽车、 飞机、柴油

7、机轮船、内燃机车、石油发电等，将人类飞飞机、柴油机轮船、内燃机车、石油发电等，将人类飞 速推进到现代文明时代。速推进到现代文明时代。 到到2020世纪世纪6060年代年代，全球石油的消费量超过煤炭，成为，全球石油的消费量超过煤炭，成为 第三代主体能源。第三代主体能源。 随着全球人口的急剧膨胀，能源消费大幅度增长。随着全球人口的急剧膨胀，能源消费大幅度增长。 煤炭、石油均为矿物能源，是古生物在地下历经数煤炭、石油均为矿物能源，是古生物在地下历经数 亿年沉积变迁而形成的，不可再生，其储量极为有限。亿年沉积变迁而形成的，不可再生，其储量极为有限。 按现在的能源消耗，世界上石油、天然气和煤等生按现在的

8、能源消耗，世界上石油、天然气和煤等生 物化石能源，将在几十年至物化石能源，将在几十年至200200年内逐渐耗尽。年内逐渐耗尽。 另外，大量矿物能源的燃烧，是造成大气污染、另外，大量矿物能源的燃烧，是造成大气污染、“酸雨酸雨” 和和“温室效应温室效应”的罪魁祸首。的罪魁祸首。 4 4、第四代绿色能源、第四代绿色能源？探索中？探索中 6060年代以来，年代以来，“能源革命能源革命”的呼声日渐高涨。的呼声日渐高涨。“能能 源革命源革命”的目的，是以绿色能源，（包括如核能和可再的目的，是以绿色能源，（包括如核能和可再 生能源，如水电能、生物质能、太阳能、风能、地热能、生能源，如水电能、生物质能、太阳能

9、、风能、地热能、 海洋能和氢能等）逐步代替矿物能源。绿色能源将有望海洋能和氢能等）逐步代替矿物能源。绿色能源将有望 为为2121世纪人类社会的发展提供持久的动力。世纪人类社会的发展提供持久的动力。 二、热能及动力机械概述二、热能及动力机械概述 热能：与物质的原子和分子热运动有关的能量，热能：与物质的原子和分子热运动有关的能量， 是能量利用的最基本、最主要的能量形式，是能量利用的最基本、最主要的能量形式， 宏观现象：温差。宏观现象：温差。 动力机械：将其动力机械：将其它形式的能量它形式的能量转换成机械能的动力装置、设备。转换成机械能的动力装置、设备。 在人类社会生活中的地位：不可分割的关系，各行

10、各业在人类社会生活中的地位：不可分割的关系，各行各业 离不开能源离不开能源 热能与动力机械的关系：热能是动力机械的一种能源；热能与动力机械的关系：热能是动力机械的一种能源； 而动力机械是能源利用的具体体现。而动力机械是能源利用的具体体现。 ； 1 1自然界能源的存在形式：自然界能源的存在形式： 燃料类：煤炭、石油、天然气、木材、核燃料燃料类：煤炭、石油、天然气、木材、核燃料 以热能形式利用；以热能形式利用； 水力：水的流动动能或位能转换为机械能；水力：水的流动动能或位能转换为机械能； 太阳能：光能转换成热能；洗浴、供暖、制冷；太阳能：光能转换成热能；洗浴、供暖、制冷； 地热能：直接利用地热水（

11、地热蒸汽）的热能，转换为供热，地热能：直接利用地热水（地热蒸汽）的热能，转换为供热， 或间接地用于地热发电。或间接地用于地热发电。 潮汐能：利用海水涨落时的能量，使之转换为其它能。潮汐能：利用海水涨落时的能量，使之转换为其它能。 海洋能的利用：海水温差发电海洋能的利用：海水温差发电通过热能通过热能机械能机械能 电能电能 风能：将空气的流动能量风能：将空气的流动能量机械能机械能电能电能 电能：可直接转化为机械能电能：可直接转化为机械能 2 2 热能的重要性：热能的重要性： 在能量转换过程中，热能是利用能源的最基在能量转换过程中，热能是利用能源的最基 本和最主要的能量形式。本和最主要的能量形式。

12、在能源利用中，我国在能源利用中，我国90%90%以上是通过以上是通过“热热”的的 环节而利用；世界各国平均环节而利用；世界各国平均85%85%以上都是通过热以上都是通过热 而利用能源。而利用能源。 第一章第一章 基本概念基本概念 热能利用装置和动力机械的本质：热能利用装置和动力机械的本质： 都属于能量的传递、转换和利用的设备。都属于能量的传递、转换和利用的设备。 在能量的传递、转换和利用过程中必有共同的规律在能量的传递、转换和利用过程中必有共同的规律 和共同的内容。和共同的内容。 主要内容：介绍这种能量传递及转换利用过程中的主要内容：介绍这种能量传递及转换利用过程中的 基本概念基本概念 要求：

13、了解能量转换原理和特点、方式要求：了解能量转换原理和特点、方式 第一节第一节 热能及其利用热能及其利用 一、能量的存在形式一、能量的存在形式 能量？能量？ 产生某种产生某种效果或变化效果或变化的能力。产生某种效果或变化过程中伴的能力。产生某种效果或变化过程中伴 随能量的消耗和转换。随能量的消耗和转换。 能量的类型：能量的类型：6 6种种 1 1机械能：包括动能、位能（势能）、弹性能、表面张力能机械能：包括动能、位能（势能）、弹性能、表面张力能 特点：以特点：以功功的形式表现，有效地转化为其它形式的能的形式表现，有效地转化为其它形式的能 2 2热能：与原子和分子的运动有关的能量热能：与原子和分子

14、的运动有关的能量 特点：宏观上以特点：宏观上以温度温度的高低表现；是基本的能量形式的高低表现；是基本的能量形式其它其它 形式的能都能完全转换为热能形式的能都能完全转换为热能 3 3电能：与电子的电能：与电子的流动和积累流动和积累有关的能。有关的能。 特点：以静电场能或感应电场能的形式储存；以电流形传递特点：以静电场能或感应电场能的形式储存；以电流形传递 电能；能有效地转换为其它形式的能。电能；能有效地转换为其它形式的能。 4 4辐射能（电磁能）：物体以辐射能（电磁能）：物体以电磁波形式发射电磁波形式发射的能。的能。 特点：以电磁射线形式表现；特点：以电磁射线形式表现； 根据电磁波的波长分为根据

15、电磁波的波长分为 射线、射线、x x射线、热辐射、微波、毫射线、热辐射、微波、毫 米射线、无线电波等。米射线、无线电波等。 热辐射热辐射是原子振动而产生的电磁能，包括紫外线、可见是原子振动而产生的电磁能，包括紫外线、可见 光射线、红外线等。光射线、红外线等。 辐射强度与物质温度有关，并产生热效应辐射强度与物质温度有关，并产生热效应叫热辐射。叫热辐射。 5 5化学能：仅以贮存形式存在的能量形式。如燃料的化学能。化学能：仅以贮存形式存在的能量形式。如燃料的化学能。 特点：与其它物质的原子和分子相结合时释放出来。特点：与其它物质的原子和分子相结合时释放出来。 如通过燃烧将化学能转换为热能而释放。如通

16、过燃烧将化学能转换为热能而释放。 6 6核能：蕴藏在原子核内部的能量，仅以贮存形式存在。如原核能：蕴藏在原子核内部的能量，仅以贮存形式存在。如原 子能等。子能等。 特点：在原子核中的粒子相互作用特点：在原子核中的粒子相互作用原子核反应时释放原子核反应时释放 出来；出来； 原子核反应，有放射性衰变、核裂变、核聚变三种，核裂原子核反应，有放射性衰变、核裂变、核聚变三种，核裂 变、聚变反应时释放大量能量。变、聚变反应时释放大量能量。 二、能源及其分类二、能源及其分类 能源？：直接或经过转换而获取某种能量的资源。能源？：直接或经过转换而获取某种能量的资源。 1 1按能源形式和来源分类为：三种按能源形式

17、和来源分类为：三种 1 1）来自太阳的能量：太阳辐射能、煤炭、石油、天然气、）来自太阳的能量：太阳辐射能、煤炭、石油、天然气、 生物质能、水能、风能、海洋能等间接地来自太阳能。生物质能、水能、风能、海洋能等间接地来自太阳能。 2 2）来自地球的能量：储存于地球内部的地热能和原子能。）来自地球的能量：储存于地球内部的地热能和原子能。 3 3）天体对地球的引力作用产生的能量：月球和太阳作用）天体对地球的引力作用产生的能量：月球和太阳作用 的潮汐能。的潮汐能。 2 2按能源利用形态分类为：二种按能源利用形态分类为：二种 一次能源：凡自然界中现存的、可直接取得而不改变其一次能源：凡自然界中现存的、可直

18、接取得而不改变其 基本形态的能源。基本形态的能源。 二次能源：由一次能源经加工或转换而成的另一种形态二次能源：由一次能源经加工或转换而成的另一种形态 的能源。的能源。 一次能源又分为：再生能源和非再生能源。一次能源又分为：再生能源和非再生能源。 3 3按人类使用能源的习惯分类：常规能源和新能源按人类使用能源的习惯分类：常规能源和新能源 常规能源：人类使用最多的常用能源。如煤炭、石油、常规能源：人类使用最多的常用能源。如煤炭、石油、 天然气、水能等。天然气、水能等。 新能源：尚未大规模应用的正开发应用或尚未应用的能新能源：尚未大规模应用的正开发应用或尚未应用的能 源。如太阳能、地热能、生物质能、

19、风能、海洋能、核源。如太阳能、地热能、生物质能、风能、海洋能、核 聚变能等。聚变能等。 三、热能的发生三、热能的发生 热能发生途径：热能发生途径： 直接产生直接产生如地热能、海洋热能如地热能、海洋热能 通过能量形式转换产生通过能量形式转换产生 化学能的转换：燃烧放热反应，生成化学能的转换：燃烧放热反应，生成CO2CO2和水和水 电能转换：焦耳效应电能转换：焦耳效应 辐射能转换：热辐射辐射能转换：热辐射 核能转换：核裂变和核聚变中释放出大量的热核能转换：核裂变和核聚变中释放出大量的热 机械能的转换：摩擦生热机械能的转换：摩擦生热 四、热能的特点四、热能的特点 能量的转换：能量的转换：人类所用能源

20、基本上都是由一次能源经一次或多次人类所用能源基本上都是由一次能源经一次或多次 转换而来。转换而来。 汽轮机：化学能汽轮机：化学能蒸汽的热能蒸汽的热能经汽轮机转换为机械能；经汽轮机转换为机械能； 内燃机：化学能内燃机：化学能燃气的热能燃气的热能经活塞连杆机构转换为热能经活塞连杆机构转换为热能 。 热能的转换：热能的转换： 机械能机械能内燃机、汽轮机内燃机、汽轮机 电能电能热电发电热电发电 热能的传递：热能的传递： 换热器换热器不同温度水平的流体，通过固体壁从高温向低温流体不同温度水平的流体，通过固体壁从高温向低温流体 进行传热。进行传热。 五、热能的利用五、热能的利用 热能的应用在国民经济中的重

21、要地位（使用领域）：热能的应用在国民经济中的重要地位（使用领域）： 1 1）电力工业电力工业火力发电或核发电，均应用热能转换。火力发电或核发电，均应用热能转换。 2 2）钢铁工业钢铁工业炼钢、轧钢、高炉炼铁等均用热能；炼钢、轧钢、高炉炼铁等均用热能； 3 3）有色金属工业有色金属工业铝、铜等有色金属的冶炼用热能；铝、铜等有色金属的冶炼用热能； 4 4）化学工业化学工业酸、碱、合成氨的生产过程酸、碱、合成氨的生产过程 5 5）石油工业石油工业采油、炼制、输送等用热能；采油、炼制、输送等用热能； 6 6）建材工业建材工业建材的生产过程用热能。如水泥、陶瓷等；建材的生产过程用热能。如水泥、陶瓷等；

22、7 7）机械工业机械工业铸造、锻压、焊接等用热能；铸造、锻压、焊接等用热能； 8 8）轻纺工业轻纺工业造纸、制糖、化纤、印染等用热能造纸、制糖、化纤、印染等用热能 9 9）交通运输交通运输汽车、火车、船舶、飞机等动力来之热能；汽车、火车、船舶、飞机等动力来之热能； 1010）农业及水产养殖业农业及水产养殖业电力灌溉、温室培植、鱼池加温电力灌溉、温室培植、鱼池加温 等等 1111）生活需要）生活需要供暖、空调、烹饪。供暖、空调、烹饪。 第二节第二节 能量转换基本定律能量转换基本定律 一、热力循环一、热力循环 循环循环：工质从一个热力状态经过一系列的状态变化，完：工质从一个热力状态经过一系列的状态

23、变化，完 成热功转换后，回到初始状态的热力过程。成热功转换后，回到初始状态的热力过程。p-Vp-V图或图或T-ST-S 图图 正循环正循环：热力过程顺时针方向，对外作功，净功：热力过程顺时针方向，对外作功，净功00，如，如 内燃机循环；内燃机循环； 逆循环逆循环：热力过程反时针方向，消耗外功，净功：热力过程反时针方向，消耗外功，净功00，如，如 制冷循环。制冷循环。 奥托发动机问世前奥托发动机问世前5252年，年， 18241824年（军旅生活中）年（军旅生活中） 在在关于活力动力及其内燃机的考察关于活力动力及其内燃机的考察中揭示卡中揭示卡 诺循环。诺循环。 热平衡：做功热平衡：做功1/31/

24、3； 排气损失排气损失1/31/3；冷却损失；冷却损失1/31/3 现在发动机，努力逼近卡诺效率现在发动机，努力逼近卡诺效率 循环效率：循环效率： S T T1 T2 S1 S2 1 2 1 21 1 1 T T Q QQ Q W 卡诺循环：卡诺循环： 二二 、热力学第一定律、热力学第一定律 实质：能量守恒与转换定律在热物理与化学等过实质：能量守恒与转换定律在热物理与化学等过 程中的应用。程中的应用。 内容：能量形式可转换，但总量不变。内容：能量形式可转换，但总量不变。 ：工质的能量：工质的能量 或或 WQE WEQ E 1 1对闭口系统：对闭口系统： 对微小变化过程：对微小变化过程： 单位工

25、质：单位工质： 膨胀功的利用：膨胀功的利用：W W中推动活塞作功的同时，要中推动活塞作功的同时，要 克服大气环境压力克服大气环境压力 所以，所以， 可利用的功可利用的功为：为： UE WUQ dWdUdQ dwdudq 0 p u W VpW u W 0 2 2开口系统：系统与外界有能量传递和转换的同开口系统：系统与外界有能量传递和转换的同 时有工质交换。时有工质交换。 对稳定流动系统：对稳定流动系统： 所以，所以， 对流动系，有用功为轴功对流动系，有用功为轴功 ，工质流入、，工质流入、 流出时的损失功为流出时的损失功为 故故 令，令，H H= =（U+pVU+pV）定义为焓。则）定义为焓。则

26、 gZmcmUE 2 2 1 pVWgZmcmUWEQ u 2 2 1 u W pV pV u WW 对微小变化过程：对微小变化过程： 对单位工质：对单位工质： u WgZmcmHQ 2 2 1 u dWgdZmdc m dHdQ 2 2 u dwgdZdcdhdq 2 2 1 三、热力学第二定律三、热力学第二定律 第一定律：第一定律：只表明能量传递和转换时，数量上的只表明能量传递和转换时，数量上的 关系关系守恒守恒；未表明是否转换？及条件未表明是否转换？及条件 第二定律：第二定律：表明能量传递和转换的方向性表明能量传递和转换的方向性 实质：实质：一切自发过程都是不可逆的，一切自发过程都是不可

27、逆的， 非自发过程的完成，必须要有另一个自发过程来非自发过程的完成，必须要有另一个自发过程来 推动。推动。 第二定律的数学描述：第二定律的数学描述：熵增原理熵增原理 孤立系统热力过程总是向熵增方向进行。孤立系统热力过程总是向熵增方向进行。 孤立系统：与外界无能量转换和传递，也无孤立系统：与外界无能量转换和传递，也无 物质交换。物质交换。 设，由工质、高低热源构成的孤立系统内进设，由工质、高低热源构成的孤立系统内进 行不可逆循环，则行不可逆循环，则 0s 1212：T1T1热源放热热源放热 3434：T2T2热源吸热热源吸热 工质经不可逆循环工质经不可逆循环1234112341， 从从T1T1吸

28、热吸热 ，将部分转换，将部分转换 为功为功w w， 其余向其余向T2T2放热放热 后回到原后回到原 状态状态, ,所以，所以， T1 T2 T 1 2 3 4 3 H s s s L s s 1 q 2 1 1 1 T dq sH 2 q 4 3 2 2 T dq sL 0 w s 1 q 2 q 循环的效果：循环的效果：T1T1放热，放热，T2T2吸热，工质作功吸热，工质作功w w，孤立系统总，孤立系统总 熵变化为熵变化为 因，系统内部的不可逆因数，因，系统内部的不可逆因数， ，又，又 所以，所以， 即即 当可逆循环时时，循环当可逆循环时时，循环12341123411234112341，则，

29、则， ， 即孤立系统内进行的热力过程只能熵增或不变，而熵决即孤立系统内进行的热力过程只能熵增或不变，而熵决 不减小。不减小。 地球温暖化的熵增效果。地球温暖化的熵增效果。 4 3 2 2 2 1 1 1 )(0 T dq T dq ssss LHws 12 qq 21 TT 2 1 1 1 4 3 2 2 T dq T dq 0 s s LH ss0 s s 第三节第三节 能源的利用及评价能源的利用及评价 意义：非再生能源的有限性，以及能源利用率又意义：非再生能源的有限性，以及能源利用率又 不高。能源是人类生存与发展的重要基础。不高。能源是人类生存与发展的重要基础。 所以，有效地、有计划地利用

30、能源是很重要，所以，有效地、有计划地利用能源是很重要， 为此对能源利用进行评价。为此对能源利用进行评价。 评价的目的，就是监督，并提高能源利用效率。评价的目的，就是监督，并提高能源利用效率。 一、有效利用能源的途径一、有效利用能源的途径 1 1提高能量转换或传递装置及系统的效率提高能量转换或传递装置及系统的效率 2 2按能量的品位合理使用能源，防止高品位能量的降级使用按能量的品位合理使用能源，防止高品位能量的降级使用 3 3建立总能建立总能系统概念系统概念，优化整体用能系统，使一次能源、二，优化整体用能系统，使一次能源、二 次能源及余热均得到充分利用，提高总能系统的能源利用次能源及余热均得到充

31、分利用，提高总能系统的能源利用 效率效率 4 4开发节能技术，如燃烧控制技术、热管技术、热泵技术开发节能技术，如燃烧控制技术、热管技术、热泵技术 5 5开发能量利用的运行控制技术，实现能量利用的最经济运开发能量利用的运行控制技术，实现能量利用的最经济运 行，如空调变频运行、供热系统的用户供热独立调节等行，如空调变频运行、供热系统的用户供热独立调节等 6 6开发新能源的利用技术，如太阳能、地热能、海洋能等开发新能源的利用技术，如太阳能、地热能、海洋能等 二、利用能源的评价指标二、利用能源的评价指标 能源利用的主要评价指标：能源利用的主要评价指标： 1 1能源消耗系数能源消耗系数r r： 定义：指

32、单位国民经济产值所平均消耗的能源定义：指单位国民经济产值所平均消耗的能源 数量。数量。 设设E E：能源消耗量，：能源消耗量，M M：同期国民经济生产：同期国民经济生产 总值总值 则，则， 公斤公斤/ /元元 表明一国家能源利用的水平、和节能潜力表明一国家能源利用的水平、和节能潜力 M E r 2 2单位产品能耗单位产品能耗C C： 定义：每单位产品产量所消耗的能量。定义：每单位产品产量所消耗的能量。 设设 ：E pE p产品能耗；产品能耗；A A：产品产量：产品产量 则则 式中，式中， E pE p为一种能量的消耗量时，为一种能量的消耗量时，C C为单耗；为单耗； E pE p为一次能源、二

33、次能源的总量时，为一次能源、二次能源的总量时，C C为综合消耗。为综合消耗。 综合能耗，包含生产产品时的直接能耗和间接能耗。综合能耗，包含生产产品时的直接能耗和间接能耗。 直接能耗：生产时直接消耗的能量；直接能耗：生产时直接消耗的能量； 间接能耗：生产该产品时所用的原材料在生产过程中消耗间接能耗：生产该产品时所用的原材料在生产过程中消耗 的能量的能量 全能耗全能耗= =直接能耗直接能耗+ +间接能耗间接能耗 A p E C 3 3 能源利用效率：能量利用率能源利用效率：能量利用率 定义：被有效利用的能量与所消耗的能量之比。定义：被有效利用的能量与所消耗的能量之比。 设设 E eE e：有效利用

34、的能量，：有效利用的能量，E cE c：所消耗（投：所消耗（投 入）的能量，入）的能量， 则，则， 表示表示用能的完善程度用能的完善程度。 能源利用效率的含义：热效率能源利用效率的含义：热效率热功转换时热功转换时 制冷系数制冷系数制冷循环，制冷制冷循环，制冷 量量/ /消耗功消耗功 制冷量：由低温热源制冷量：由低温热源 吸取的热量吸取的热量 c E e E / 三、三、E Ex( )x( )及及E Ex x效率效率 1 1 E Ex x的概念的概念 对能量的评价，要考虑被利用的能量的数量对能量的评价，要考虑被利用的能量的数量 和质量。和质量。 能量的质量：就是能量的品位，用能转换为能量的质量：

35、就是能量的品位，用能转换为 机械功的能力来衡量。机械功的能力来衡量。 不同形态的能量，其质量不同；同一能量形不同形态的能量，其质量不同；同一能量形 式，不同的状态能的质量也不同。式，不同的状态能的质量也不同。 某一形态的能量转变为机械能的越多，其质某一形态的能量转变为机械能的越多，其质 量（品位）就越高。量（品位）就越高。 火火 用用 E Ex x就是从就是从能量的数量和质量角度能量的数量和质量角度，评价处于某，评价处于某 一状态的热力系的作功能力的指标。即能的一状态的热力系的作功能力的指标。即能的可可 用性用性。 定义：处于某一状态的热力系，可逆变化到定义：处于某一状态的热力系，可逆变化到

36、与与环境状态环境状态相平衡时，可以转化为有用功的能相平衡时，可以转化为有用功的能 量，即有效能成为该热力系的量，即有效能成为该热力系的E Ex x 。 特点：相对环境状态的最大作功能力。即特点：相对环境状态的最大作功能力。即 比：比： ) 000 () 0 ( max STHSTHW x E )()( 0000 sThsThex 热热 ：设任一热源温度为：设任一热源温度为T T，则在其热功转换中，则在其热功转换中， 最大的功为卡诺循环功。即最大的功为卡诺循环功。即 热热 与工质与工质E Ex x的区别：的区别： 是取决于由是取决于由Q Q热源热源 放热时的温度放热时的温度T T； 工质的工质的

37、E Ex x是只决定于工质的热力状态。是只决定于工质的热力状态。 燃料的燃料的 ：燃料与氧气可逆地进行燃烧反应和变化：燃料与氧气可逆地进行燃烧反应和变化 后，与周围环境达到平衡时，所能提供的最大有用功。后，与周围环境达到平衡时，所能提供的最大有用功。 也称燃料的化学火用也称燃料的化学火用 一般，等于燃料的高热值。即一般，等于燃料的高热值。即 T T QWQEx 0 max 1 xQ E xQ E xQ E f E Hf QE 2 2Ex Ex 效率效率 用于评价最大有用功的实际应用的程度。用实用于评价最大有用功的实际应用的程度。用实 际被利用的有效火用际被利用的有效火用 和投入的火用和投入的火

38、用 之比表示。之比表示。 即即 a a）定义：）定义： 实际过程都是不可逆的，所以存在火用实际过程都是不可逆的，所以存在火用 损失。损失。 设稳定流动系，不可逆过程设稳定流动系，不可逆过程1212，忽略动能、，忽略动能、 位能，工质与环境之间的传热量位能，工质与环境之间的传热量Q Q，则，则 xi L xi Lxi xi xg ex E E E EE E E 1 1221 WHQH 因不可逆，所以工质的熵变，因不可逆，所以工质的熵变， 即即 熵产：熵产： 所以，不可逆过程中的功为所以，不可逆过程中的功为 即即 2 1 0 12 d T Q SS S S T Q SS 2 1 0 12 d )(

39、 2 1 2112 )(dQHHW S STSSTdQQ 0120 2 1 )( S STSSTHHW 02102112 )()( 其中，最大可逆功为其中，最大可逆功为 则，不可逆过程的功损失为：则，不可逆过程的功损失为： 可逆时，可利用的能量为工质进出热力系的火用可逆时，可利用的能量为工质进出热力系的火用 值之差，值之差， 不可逆过程的不可逆过程的E Ex x损失：损失： ，表示作，表示作 功能力的损失。功能力的损失。 max122102121 )()(WSSTHHEE xx SL STWWW 012max12 LxL WE b b）产生）产生E ExL xL的原因：三方面 的原因：三方面

40、装置内的不可逆过程装置内的不可逆过程如不可逆化学反如不可逆化学反 应，温差传热等；应，温差传热等； 副产品和废料带走的副产品和废料带走的E Ex x如锅炉、内燃如锅炉、内燃 机排烟等；机排烟等； 向环境散热造成向环境散热造成E Ex x损失。如换热器对流和损失。如换热器对流和 热辐射热辐射 因实际能量转换过程都是不可逆的，所以必因实际能量转换过程都是不可逆的，所以必 有，有， 。 1 ex c c） 效率的实际应用或表达式效率的实际应用或表达式 常用实际获得的收益与投入之比表示。如常用实际获得的收益与投入之比表示。如 发动机：进入和离开发动机的工质的有效能发动机：进入和离开发动机的工质的有效能

41、 分别为分别为 ，产生的功为，产生的功为W W12 12，则 ，则 包含进入气缸的混合气的流动功和化学包含进入气缸的混合气的流动功和化学 能。能。 废气带走的热量和流动功废气带走的热量和流动功 不常用。而常用热效率。不常用。而常用热效率。 ex 21,xx EE 21 12 xx ex EE W 1x E 2x E 锅炉：投入锅炉：投入高温烟气对水蒸气的加热，烟气在高温烟气对水蒸气的加热，烟气在 平均温度平均温度TmTm下放热，则投入的有效能为；下放热，则投入的有效能为； 收益收益水蒸气有效能的增加水蒸气有效能的增加 所以，所以， 只反映烟气温差传热造成的有效能损失。只反映烟气温差传热造成的有

42、效能损失。 若锅炉消耗燃料的有效能若锅炉消耗燃料的有效能 为投入，则为投入，则 )/1 ( 0m TTQ 12xx EEE )/1 ( 0 12 m xx ex TTQ EE xf E xf xx ex E EE 12 则，同时反映温差传热、燃烧过程和排烟等不可则，同时反映温差传热、燃烧过程和排烟等不可 逆过程造成的有效能损失。逆过程造成的有效能损失。 间壁式换热器：投入间壁式换热器：投入热流体进出换热器的有热流体进出换热器的有 效能之差；效能之差； 收益：冷流体进出换热器的有效能差。收益：冷流体进出换热器的有效能差。 所以，所以， 一般，换热器的冷流体吸收的热量与热流一般，换热器的冷流体吸收

43、的热量与热流 体的放热量不相等体的放热量不相等, ,即存在热损失。即存在热损失。 1 hh cc ex xExE xExE 动力循环：工质被加热，并输出功的循环。动力循环：工质被加热，并输出功的循环。 工质加热量工质加热量- -Q Q；平均温度；平均温度TmTm； 输出功输出功W W； 环境温度环境温度 T0 T0；则；则 四、四、 总能系统及其评价（自学）总能系统及其评价（自学） m ex TTQ W /1 0 第四节第四节 动力机械与动力传动动力机械与动力传动 一、动力机械的分类：两种分类方法一、动力机械的分类：两种分类方法 1 1按工质作功的物质分类：按工质作功的物质分类： 蒸汽动力机蒸

44、汽动力机蒸汽机、汽轮机；蒸汽机、汽轮机； 燃气动力机燃气动力机汽、柴油机、燃气轮机；汽、柴油机、燃气轮机； 水动力机水动力机水轮机水轮机 2 2按加热方式分类：按加热方式分类： 内燃机；燃气轮机内燃机；燃气轮机 外燃机外燃机汽轮机、蒸汽机汽轮机、蒸汽机 水轮机水轮机无加热无加热 动力机械的特点是，其动力输出是通过能量动力机械的特点是，其动力输出是通过能量 的一次直接转换而获得；故又称为一次动力机，的一次直接转换而获得；故又称为一次动力机， 或或原动机；原动机； 二次动力机二次动力机是指通过两次能量转换完成是指通过两次能量转换完成 动力输出的机械，动力输出的机械， 如电动机：通过原动机将某种能源

45、转换成电如电动机：通过原动机将某种能源转换成电 能，然后再将电能转换为机械能。能，然后再将电能转换为机械能。 用途：根据工作原理和结构特点，其用途不用途：根据工作原理和结构特点，其用途不 同。同。 二、动力机械的性能二、动力机械的性能 动力机械的动力机械的评价评价，从能量转换和动力传递角，从能量转换和动力传递角 度考虑，要求良好的度考虑，要求良好的性能指标和运行特性性能指标和运行特性。 这种性能指标和运行特性，不同种类的动力这种性能指标和运行特性，不同种类的动力 机械，因其工作原理和用途不同而不同；机械，因其工作原理和用途不同而不同； 但主要性能能指标，有动力性、经济性、排但主要性能能指标，有

46、动力性、经济性、排 放特性等；放特性等； 动力性：动力性：常用输出的功和扭矩的大小及其随常用输出的功和扭矩的大小及其随 转速的变化特性来表示；转速的变化特性来表示； 对对E/GE/G：全负荷速度特性、部分负荷速度特：全负荷速度特性、部分负荷速度特 性性 经济性：经济性：所消耗的能源资源和获得的机械能所消耗的能源资源和获得的机械能 之比来表示；之比来表示； 负荷特性负荷特性 排放特性：排放特性：有害气体的排放量有害气体的排放量环境角度环境角度 特性曲线的研究目的，了解和掌握不同工况下的性特性曲线的研究目的，了解和掌握不同工况下的性 能指标的变化规律。能指标的变化规律。 动力机械的动力机械的工作特

47、点：工作特点：变工况变工况负荷和转负荷和转 速变化。一般性能指标与工况很有关。所以，速变化。一般性能指标与工况很有关。所以， 原则：尽可能选择性能指标最佳的工况点工原则：尽可能选择性能指标最佳的工况点工 作；作； 改进常用工况点的性能指标，使之达到最佳。改进常用工况点的性能指标，使之达到最佳。 三、动力传动三、动力传动 动力传动是发动机和动力机械之间通过某种动力传动是发动机和动力机械之间通过某种 机构进行传动的。机构进行传动的。 传动方式：传动方式：按工作机械或动力分配方式分类按工作机械或动力分配方式分类 为几种；为几种； 直接传动直接传动：工作机械和发动机直接联结；：工作机械和发动机直接联结

48、； 特点：动力损失少、结构简单；特点：动力损失少、结构简单； 但，不能变速离合，改变转矩和方向，不能但，不能变速离合，改变转矩和方向，不能 长距离能量传递、差动传动、转动变换成直线运长距离能量传递、差动传动、转动变换成直线运 动等。动等。 间接传动间接传动机械传动机械传动：通过某种机械机构：通过某种机械机构 传动，应用最广；传动，应用最广； 如，摩擦传动、齿轮传动、杠杆传动等如，摩擦传动、齿轮传动、杠杆传动等 流体动力传动流体动力传动：用液压或气动系统，接受原：用液压或气动系统，接受原 动机传递的动力，产生液体或气体的压力，经液动机传递的动力，产生液体或气体的压力，经液 体或气体的内部传递，推动工作机械作功体或气体的内部传递，推动工作机械作功 如，液压传动、气压传动如，液压传动、气压传动 电力或磁力传动电力或磁力传动：包括电力拖动、电磁离合：包括电力拖动、电磁离合 或制动等。或制动等。 第五节第五节 热能与动力技术和环境热能与动力技术和环境 热能与动力机械的应用与发展对地球环境的热能与动力机械的应用与发展对地球环境的 影响：影响： 破坏物质平衡、能量平衡和生态平衡破坏物质平衡、能量平衡和生态平衡 一、一、环境污染内容环境污染内容 1 1热污染：热污染： 热能利用和动力技术的应用中的能量损失，热能利用和动力技术的应用中的能量损失， 以热能形式传给环境，使环境温度