热工基础基本概念.PPT

1、热热 工工 学学 张小军张小军2015-03-032015-03-03Basis of Heat Energy Engineering 风电站风电站 水电站水电站太阳能热水器太阳能热水器太阳能电动汽车太阳能电动汽车能源转换利用的关系能源转换利用的关系热热 能能电电 能能机机 械械 能能 风风能能水水能能化化学学能能核核能能地地热热能能太太阳阳能能一次能源一次能源( (天然存在天然存在) )二次能源二次能源 光电转换光电转换燃料电池燃料电池光热光热聚变聚变裂变裂变燃烧燃烧水车水车水轮机水轮机风车风车热机热机电动机电动机发电机发电机90%转转换换直接利用直接利用供暖供暖 节节 能能 Energy

2、Saving节能是近年来的基本国策节能是近年来的基本国策“开发和节约并重开发和节约并重”节能任重道远节能任重道远是我们的责任是我们的责任热机热机 高温热源高温热源 低温热源低温热源 Q1Q2W1WQ收 益代 价动力循环简图动力循环简图热效率热效率 Thermal efficiency热热 机机 种种 类（类（heat engin） 发电（火力、核能）发电（火力、核能） 40% 车辆发动机（内燃机）车辆发动机（内燃机） 2535% 轮船发动机轮船发动机 2535% 航空发动机航空发动机 2030% 制冷空调制冷空调(非热机，同理）非热机，同理） 200% 能量利用率能量利用率Energy eff

3、iciency中国与日本工业能耗比较中国与日本工业能耗比较0.绪绪 论论热工学热工学是重要的是重要的专业基础课专业基础课热工学热工学 是是机械工程类专业机械工程类专业开设的必修课程。开设的必修课程。必要性必要性工程热力学与节能工程热力学与节能工程热力学工程热力学 是一门研究是一门研究热能热能有效利用及有效利用及热能热能和其它形式和其它形式能量能量转换规律的科学转换规律的科学建立节能建立节能理论及技术理论及技术热工学热工学是重要的是重要的技术基础课技术基础课 四大力学四大力学u理论力学理论力学：机械系统：机械系统u热力学与统计物理学热力学与统计物理学：热力系统：热力系统u电动力学：电、磁系统电动

4、力学：电、磁系统u量子力学：微观系统量子力学：微观系统工程热力学工程热力学物理热力学物理热力学化学热力学化学热力学生物热力学生物热力学溶液热力学溶液热力学重要性重要性热工学的研究内容热工学的研究内容 (1) (1)能量转换的基本规律能量转换的基本规律(3)(3)工质的基本性质与热力过程工质的基本性质与热力过程(4)(4)热功转换设备、工作原理热功转换设备、工作原理 (2) (2)能量转移的基本规律能量转移的基本规律工程热力学工程热力学传热学传热学理论分析与建模理论分析与建模：试验研究试验研究：数值模拟及分析数值模拟及分析：热工学研究方法热工学研究方法宏观模型：宏观模型：连续体连续体(conti

5、nuum)，用宏观物，用宏观物理量描述其状态，其基本规律是无数经验的理量描述其状态，其基本规律是无数经验的总结总结 特点特点：可靠，普遍，不能任意推广可靠，普遍，不能任意推广 经典经典 （宏观宏观、平衡平衡） classical (macroscopic, equilibrium) 热工学研究方法热工学研究方法微观模型：微观模型：从微观粒子的运动及相互作用角从微观粒子的运动及相互作用角度研究热现象及规律度研究热现象及规律 特点：特点：揭示本质，模型近似揭示本质，模型近似 微观微观（统计统计）热力学热力学 microscopic (statistical) thermodynamics工程热力学

6、研究方法工程热力学研究方法学习要求学习要求n上课上课做好笔记、课堂作业做好笔记、课堂作业(出勤出勤)；n作业作业每周第一次课每周第一次课(周二周二)交作业；交作业；n成绩成绩平时成绩平时成绩(30%)和期末成绩和期末成绩(70%)授课信息授课信息教材：教材：热工基础，主编：张学学，清华大学出热工基础，主编：张学学，清华大学出版社，版社，2006年第二版。年第二版。办公地址：办公地址：基础楼基础楼1109房间房间TelTelmail:Email: 第一章第一章 基本概念基本概念机电学院机电学院 张小军张小军2015-03-032015-03-03内容提要内容提要n1.1

7、 热能转变为机械能的过程热能转变为机械能的过程n1.2 热力系统热力系统n1.3 热力学状态及基本状态参数热力学状态及基本状态参数n1.4 平衡状态、状态方程与坐标图平衡状态、状态方程与坐标图n1.5 工质的状态变化过程（工质的状态变化过程（准平衡准平衡与与可逆可逆）n1.6 功量与热量功量与热量 热电站热电站涉及内容：涉及内容：(1)(1)热源，冷源热源，冷源(2)(2)工质（水，蒸汽）工质（水，蒸汽）(3)(3)膨胀做功膨胀做功(4)(4)循环循环( (加压、加热、加压、加热、膨胀做功、放热膨胀做功、放热) )锅锅炉炉汽轮机汽轮机 发电机发电机 给水泵给水泵 凝凝汽汽器器过热器过热器 火力

8、发电基本原理火力发电基本原理1.1 热能转变为机械能的过程热能转变为机械能的过程n(1) 热动力装置热动力装置n蒸汽动力装置蒸汽动力装置n燃气动力装置燃气动力装置n(2) 热动力机热动力机( (热机热机) )锅锅炉炉汽轮机汽轮机 发电机发电机 给水泵给水泵 凝凝汽汽器器过热器过热器 热机热机1.1 热能转变为机械能的过程热能转变为机械能的过程n(3)工质：实现热能与机械能转换的媒介物质。工质：实现热能与机械能转换的媒介物质。 如：燃气、烟气、水蒸气、氟利昂、空气。如：燃气、烟气、水蒸气、氟利昂、空气。n(4)热源：在能量转换中与工质有热量交换的物系。热源：在能量转换中与工质有热量交换的物系。

9、对于空调工作过程来说，高温热源和低温对于空调工作过程来说，高温热源和低温热源分别是什么？热源分别是什么？1.2 热力系统热力系统热力系统热力系统( (热力系、系统热力系、系统) )：人为地研究对象：人为地研究对象(1) 系统系统的定义的定义systemA quantity of matter or a region in space chosen for study1.2 热力系统热力系统真实、虚构真实、虚构固定、活动固定、活动fixed 、 movablereal 、imaginary边界的特性边界的特性边界边界(boundary)：系统与外界的分界面：系统与外界的分界面1.2 热力系统热力

10、系统分类：分类：n(1) 闭口系统闭口系统：只有能量交换，而无质量交换：只有能量交换，而无质量交换n(2) 开口系统开口系统：有能量交换，也有质量交换。：有能量交换，也有质量交换。n(3) 绝热系统绝热系统：无热量交换。：无热量交换。n(4) 孤立系统孤立系统：既无能量交换，又无质量交换。：既无能量交换，又无质量交换。以系统与外界关系划分：以系统与外界关系划分： 有有 无无是否传质是否传质 开口系开口系 闭口系闭口系是否传热是否传热 非绝热系非绝热系 绝热系绝热系是否传热、质是否传热、质 非孤立系非孤立系 孤立系孤立系1.2 热力系统热力系统1234mQW1 开口系开口系系统系统非孤立系相关外

11、界非孤立系相关外界孤立系孤立系1+2 闭口系闭口系1+2+3 绝热闭口系绝热闭口系1+2+3+4 孤立系孤立系1.2 热力系统热力系统内燃机工作的不同阶段，热力系统有何区别？内燃机工作的不同阶段，热力系统有何区别？1.3 热力学状态及基本状态参数热力学状态及基本状态参数状态：状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况某一瞬间热力系所呈现的宏观状况状态参数：状态参数：描述热力系状态的宏观物理量。描述热力系状态的宏观物理量。结论：结论： 状态一定，则状态参数也一定，反之亦然。状态一定，则状态参数也一定，反之亦然。 状态参数变换，则状态一定发生变化状态参数变换，则状态一定发生变化。压力压力 p、温度、温度

12、 T、比容、比容 v (容易测量容易测量)：基本状态参数基本状态参数。1.3 热力学状态及基本状态参数热力学状态及基本状态参数(1) 压力压力 p ( pressure ) 物理中压强物理中压强，单位单位: Pa (Pascal), N/m2常用单位常用单位Units： 1 kPa = 103 Pa 1bar = 105 Pa 1 MPa = 106 Pa 1 mmHg / mmH2O 1 atm = 760 mmHg = 1.013105 N/m2 1 at = 0.981105 N/m2压力测量值：绝对压力与环境压力的压力测量值：绝对压力与环境压力的相对值相对值。注意：注意： 只有只有绝对

13、压力绝对压力 p 才才是是状态参数。状态参数。1.3 热力学状态及基本状态参数热力学状态及基本状态参数绝对压力与相对压力绝对压力与相对压力当当 p pb表压力表压力 peebppp当当 p pb真空度真空度 pvbvppppbpeppvprelative pressureabsolute pressure1.3 热力学状态及基本状态参数热力学状态及基本状态参数(2) 温度温度T宏观：冷热程度的度量。宏观：冷热程度的度量。微观：大量基本微粒做无规则热运动的激烈程度。微观：大量基本微粒做无规则热运动的激烈程度。 1.3 热力学状态及基本状态参数热力学状态及基本状态参数热力学第零定律（热力学第零定律

14、（R.W. Fowler in 1931） 如果两个系统分别与如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处则两个系统彼此必然处于热平衡于热平衡。1.3 热力学状态及基本状态参数热力学状态及基本状态参数(2) 温度温度T（温度计测温的基本原理）（温度计测温的基本原理） 热力学温标（绝对温标）热力学温标（绝对温标）Kelvin scale （Britisher, L. Kelvin, 1824-1907） 摄氏温标摄氏温标Celsius scale (Swedish, A. Celsius, 1701-1744） 华氏温标华氏温标Fahrenheit scale (German, G. Fahrenheit, 1686-1736)1.3 热力学状态及基本状态参数热力学状态及基本状态参数(2) 温度温度T温标温标常用温标之间的关